Uranium là một nguyên tố hóa học được tìm thấy rất lâu trước đây. Tuy nhiên còn nhiều người vẫn chưa biết đến loại nguyên tố hóa học này. Để hiểu rõ hơn về uranium, tính chất cũng như ứng dụng uranium, hãy cùng camnangdienmay.net tìm hiểu thông qua bài viết dưới đây nhé. Mời các bạn cùng theo dõi!
Tóm tắt
Uranium là gì? Uranium 235 và 238
Uranium hay thường được gọi là urani là một kim loại màu trắng thuộc nhóm Actini. Trong bảng tuần hoàn hóa học, uranium có số nguyên từ là 92 và kí hiệu là U.
Đây luôn là nguyên tố đứng cuối cùng của bảng tuần hoàn hóa học trong suốt một khoảng thời gian dài. Các đồng vị phóng xạ của Uranium có số neutron dao động từ 144 – 146.
Các đồng vị của uranium đều có tính phóng xạ yếu và độ bền không cao. U-235 và U-238 đều là những đồng vị phổ biến nhất của uranium.
Trong tự nhiên, uranium thường xuất hiện với nồng độ khá thấp, chỉ khoảng vài ppm có trong đá, đất và được sản xuất thương mại từ các quặng có chứa uranium.
Tính chất của uranium
Tính chất vật lý của uranium
– Uranium khi được tách ra khỏi quặng là kim loại có màu trắng bạc, mềm hơn thép, có tính phóng xạ yếu và rất dễ bị oxy hóa khi ở trong không khí.
– Đặc tính của uranium là mềm, dẻo và dễ uốn, có tính thuận từ. Trong tất cả các nguyên tố tự nhiên, uranium có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2 sau plutoni-244. Mật độ của Uranium không đặc bằng wolfram và vàng nhưng lớn hơn mật độ chì khoảng 70%.
– Uranium tồn tại dưới nhiều dạng đồng vị khác nhau và những đồng vị này có sự khác biệt về số lượng các hạt không tích điện trong hạt nhân. Trong tự nhiên, uranium được tìm thấy dưới dạng hỗn hợp hai đồng vị U-235 (0,7%) và U-238 (99,3%).
– Uranium 235 là đồng vị duy nhất được tìm thấy có khả năng tự phân hạch. Dưới sự bắn phá bằng các neutron chậm, U-235 phân thành 2 hạt nhân nhỏ hơn, từ đó giải phóng năng lượng liên kết hạt nhân và sản sinh càng nhiều neutron hơn.
Nếu các neutron này được các các hạt nhân U-235 hấp thụ thì chuỗi phân hạch hạt nhân được diễn ra và có thể gây nổ, trừ khi neutron được điều hòa thông qua việc hấp thụ chúng sẽ làm quá trình phản ứng được chậm lại.
– Đây là nguyên tố nặng nhất trong tất cả những nguyên tố có xuất hiện trong tự nhiên.
– Uranium là một kim loại sở hữu 3 dạng hình thù chính gồm:
α (trực thoi): chịu nhiệt tốt, mức nhiệt độ tới đa lên đến 660 °C.
β (bốn phương): chịu được nhiệt độ từ 660-760 °C.
γ (lập phương tâm khối): chịu được nhiệt độ dao động khoảng 760 °C đến điểm nhiệt độ nóng chảy. Đây là trạng thái uranium dẻo và dễ uốn nhất.
Tính chất hóa học của uranium
– Uranium hầu hết đều xảy ra phản ứng với nguyên tố phi kim và các hợp chất phi kim với mức phản ứng tỷ lệ thuận với nhiệt độ.
– Uranium hòa tan trong axit HCl và HNO3. Ngoài ra các axit khác không có khả năng oxy hóa thường phản ứng rất chậm với uranium.
– Uranium khi được chia nhỏ ra có thể phản ứng được với nước nhiệt độ thấp. Đặc biệt kim loại này phản ứng với không khí và bị phủ một lớp oxit urani màu đen khi tiếp xúc với không khí.
Nguồn gốc và quá trình khai thác uranium
Nguồn gốc uranium
Kim loại uranium đã được con người tìm thấy trong các khoáng chất bao gồm: đá vôi, uraninite, carnotit, atunite, torbernite, cleveite và uranophane. Ngoài ra nó còn có trong đá photphat, than non và cát monazit.
Đây là nguyên tố có số nguyên tử cao nhất trong tự nhiên dưới dạng hợp chất và có một hàm lượng nhất định ở trong vỏ Trái Đất. Hàm lượng trung bình uranium có trong vỏ Trái Đất dao động từ 2-4ppm, nhiều hơn khoảng 40 lần so với nguyên tố phổ biến là bạc.
Trong lớp vỏ Trái Đất kể từ bề mặt Trái Đất đến độ sâu 25km ước tính có khoảng 1017 kg urani, còn trong các đại dương khối lượng có thể lên tới 1013kg.
Quá trình khai thác uranium
Quặng uranium được khai thác theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như là đào mỏ lộ thiên, khoan mỏ hoặc có thể tách từ đất đá. Quặng uranium cấp thấp chứa khoảng 0,01 – 0,25% uranium oxit U3O8. Người ta cần đo đã kỹ càng lựa chọn phương pháp thích hợp để tách được uranium từ các quặng trên.
Sau khi đã khai thác được, quặng uranium được nghiền thành bột mịn và lọc qua kiềm hoặc axit. Quá trình lọc này sẽ có các công đoạn cơ bản như kết tủa, tách dung môi, trao đổi ion.
Hỗn hợp thu được cuối cùng sẽ được người ta gọi là bánh vàng. Hỗn hợp này chứa ít nhất 75% oxit urani. Phần bánh vàng được đưa đi xử lý nhiệt giúp loại bỏ các tạp chất trước khi mang đi tinh tế.
Ngoài ra, uranium còn được chế tạo bằng cách sử dụng kim loại kiềm hoặc kiềm thổ khử muối uranium halide. Nó cũng có thể được chế tạo bằng cách điện phân UF4 hoặc KU5 trong Nacl là CaCl2 nóng chảy. Thông qua quá trình nhiệt phân urani halide trong điện cực nóng thu được uranium có độ tinh khiết cao.
Ứng dụng uranium
Chúng ta cùng đi tìm hiểu ứng dụng của uranium chính trong quân sự và trong dân dụng.
Trong quân sự
– Uranium giàu U-235
Chúng ta đã được biết trong tự nhiên, đồng vị U-235 là đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch bằng nơtron nhiệt và làm giàu uranium chính là một phuơng pháp giúp tăng tỷ lệ U-235 thông qua tách đồng vị.
Theo như nhiều nghiên cứu thấy được 1kg uranium được làm giàu có thể phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ tương được 15 nghìn tấn thuốc nổ TNT. Tức là nó đủ để máy bay bay được 10.000l, với tốc độ 130km/h (bay được quanh Trái Đất 2,5 vòng).
Hiện nay trên thế giới có khoảng 2000 tấn uranium được làm giàu và được sử dụng chủ yếu trong chế tạo các vũ khí hạt nhân, tàu ngầm hạt nhân.
Ở trong giai đoạn cuối cuộc chiến tranh thế giới thứ 2, uranium đã được ứng dụng làm thuốc nổ để sản xuất ra vũ khí hạt nhân. Có 2 loại bom phân hạch chính được sản xuất, trong đó có một thiết bị sử dụng U-235 và một loại sử dụng plutoni-239 gốc U-238.
Sau này, các loại bom nhiệt hạch mạnh và phức tạp khác sử dựng plutoni trong vỏ bọc uranium tạo hỗn hợp deuteri và triti có khả năng chịu được các phản ứng nhiệt hạch dần được ra đời.
– Uranium nghèo U-238
U-238 là đồng vị còn lại sau quá trình làm giàu được gọi là uranium nghèo (DU). Mặc dù đồng vị này có tính phóng xạ yếu hơn cả uranium tự nhiên, thế nhưng nó vẫn độc.
Trong quân sự uranium được sử dụng để làm các đầu đạn có tỷ trọng cao. Loại đạn này bao gồm hợp kim DU và 1-2% một số nguyên tố khác. Khi bắn ra với vận tốc cao, độ cứng, mật độ và tính tự cháy của đạn này có thể phá hủy được các mục tiêu bọc sắt hạng nặng. Các loại xe bọc sắt di chuyển được cũng được làm từ các mảnh DU.
Bởi có tính phóng xạ và có mật độ cao, nên DU có khả năng bắt giữ phóng xạ mạnh như radi hiệu quả hơn chì. Vì thế nó thường được ứng dụng làm vật liệu chống đạn trong container vận chuyển các vật liệu phóng xạ.
DU còn được ứng dụng làm bề mặt cho các phi thuyền, vật liệu khiên và cả bệ phóng cho các phương tiện phóng trở lại Trái Đất. Do nó có tỷ trọng cao nên sử dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền động quán tính và trong la bàn.
Trong dân dụng
– Trong dân dụng, uranium được ứng dụng chủ yếu là làm nguồn nhiệt điện khổng lồ cho các nhà máy điện hạt nhân. 1kg U-235 có thể tạo ra được 8×1013 J năng lượng nếu như chúng phân hạch hoàn toàn và mức năng lượng này sẽ tương đương với việc đốt 3000 tấn than.
Được biết khoảng 10% điện năng trên thế giới hiện nay được tạo nên từ phản ứng phân hạch uranium trong các lò phản ứng hạt nhân. Con số này lên đến 2500 TWh mỗi năm và tương đương với tất cả nguồn điện trên thế giới năm 1960.
Tại 30 quốc gia trên thế giới đặt hơn 440 lò phản ứng hạt nhân với tổng cộng suất đầu ra là 390.000 MWe.
– Uranium còn sử dụng trong thủy tinh vàng với vai trò là một chất tạo màu cho thủy tinh phát ra ánh sáng vàng lục trong ánh sáng đen. Chúng ta thấy được các chất huỳnh quang phát ra ánh sáng trong ban đêm là do ánh sáng UV đã kích thích hợp chất uranyl trong thủy tinh, từ đó làm nó phóng ra các photon khi lắng xuống.
– Uranium được sử dụng làm hóa chất nhiếp ảnh. Cụ thể là uranium nitrat được dùng làm nước cân bằng.
– Kim loại uranium sử dụng trong các loại máy chụp X-quang, từ đó tạo ra tia X mang năng lượng.
– Các loại gạch uranium có nhiều màu sắc khác nhau như lục, lam, đen, đỏ,…cũng được sử dụng phổ biến trong nhà tắm hay phòng bếp các gia đình.
– Radi là chất được tách từ các quặng uranium, sử dụng làm các loại sơn dạ quang trên số đồng hồ hay trên bàn số máy bay. Trong quá trình tách sẽ thải ra 1 lượng lớn chất thải uranium bởi 3 tấn uranium chỉ tách được 1g radi. Lượng chất thải này được tận dụng trong ngành công nghiệp thủy tinh.
Uranium có độc không?
Uranium vô cùng độc. Một người tiếp xúc với uranium qua việc hít bụi trong không khí, thực phẩm hoặc nước đều bị nhiễm độc.
Dù hàm lượng urani trong không khí nhỏ, thế nhưng đối với những người làm trong các nhà máy sản xuất phân photphat, sống gần hay làm việc gần các nhà máy sản xuất thử nghiệm vũ khí hạt nhân, những nơi từng có chiến tranh sử dụng vũ khí hạt nhân, nhà máy nhiệt điện dùng than,…đều có nguy cơ phơi nhiễm urani.
Con người khi tiếp xúc với uranium thì cơ thể đều bị ảnh hưởng. Với nồng độ cao thậm chí có thể gây tử vong tại người. Ngoài ra để lại nhiều biến chứng khác như dị tật bẩm sinh khi có bố mẹ phơi nhiễm urani.
Trên đây là kiến thức về uranium, uranium 235 và 238, tính chất và ứng dụng của uranium. Qua bài viết trên hy vọng các bạn đã hiểu hơn về kim loại này và biết được những tác dụng và ảnh hưởng của nó tới con người.
