Uranio
| |||||||||
| Generalità | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nome, Simbolo, Numero atomico | uranio, U, 92 | ||||||||
| Serie chimica | attinidi | ||||||||
| Gruppo, Periodo, Blocco | --, 7, f | ||||||||
| Densità, Durezza | 19050 kg/m3, n.d. | ||||||||
| Aspetto | metallo bianco-argenteo | ||||||||
| Proprietà atomiche | |||||||||
| Peso atomico | 238,0289 amu | ||||||||
| Raggio atomico (calc.) | 175 (n.d.) pm | ||||||||
| Raggio covalente | nessun dato | ||||||||
| Raggio di van der Waals | 186 pm | ||||||||
| Configurazione elettronica | [Rn]7s25f36d1 | ||||||||
| elettroni (e-) per livello energetico | 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2 | ||||||||
| Stati di ossidazione | 5 (debolmente basico) | ||||||||
| Struttura cristallina | ortorombica | ||||||||
| Proprietà fisiche | |||||||||
| Stato a temperatura ambiente | solido (paramagnetico) | ||||||||
| Punto di fusione | 1405 K (1132°C) | ||||||||
| Punto di ebollizione | 4091 K (3818°C) | ||||||||
| Volume molare | 1,249 × 10-5 m3/mol | ||||||||
| Calore di evaporazione | 477 kJ/mol | ||||||||
| Calore di fusione | 15,48 kJ/mol | ||||||||
| Tensione di vapore | nessun dato | ||||||||
| Velocità del suono | 3155 m/s a 293,15 K | ||||||||
| Varie | |||||||||
| Elettronegatività | 1,38 (scala di Pauling) | ||||||||
| Calore specifico | 120 J/(kg*K) | ||||||||
| Conducibilità elettrica | 3,8 × 106/m ohm | ||||||||
| Conducibilità termica | 27,6 W/(m*K) | ||||||||
| Energia di prima ionizzazione | 597,6 kJ/mol | ||||||||
| Energia di seconda ionizzazione | 1420 kJ/mol | ||||||||
| Isotopi più stabili | |||||||||
| iso | NA | TD | DM | DE | DP | ||||
| 232U | sintetico | 68,9 anni | α fiss. | 5,414 | 228Th | ||||
| 233U | sintetico | 159200 anni | α fiss. | 4,909 | 229Th | ||||
| 234U | 0,006% | 245,5 anni | α fiss. | 4,859 | 230Th | ||||
| 235U | 0,72% | 7,038 × 108 anni | α fiss. | 4,679 | 231Th | ||||
| 236U | sintetico | 2,342 × 107 anni | α fiss. | 4,572 | 232Th | ||||
| 238U | 99,275% | 4,468 × 109 anni | α fiss. | 4,270 | 234Th | ||||
|
iso = isotopo | |||||||||
L'uranio è l'elemento chimico di numero atomico 92. Il suo simbolo è U.
È un metallo bianco-argenteo, tossico e radioattivo; appartiene alla serie degli attinidi ed il suo isotopo 235U trova impiego come combustibile nei reattori nucleari e nella realizzazione di armi nucleari. Tracce di uranio sono presenti ovunque; nelle rocce, nel suolo, nelle acque, persino negli organismi viventi.
| Indice |
Caratteristiche
Puro, l'uranio si presenta come un metallo bianco-argenteo, lievemente radioattivo e di poco più tenero dell'acciaio. È malleabile, duttile e debolmente paramagnetico. È un metallo molto denso (65% più denso del piombo). Diviso finemente, reagisce con l'acqua a temperatura ambiente; esposto all'aria si copre superficialmente di uno strato del proprio ossido.
L'uranio metallico si presenta in tre forme allotropiche
- α - ortorombico, stabile fino a 667,7°C
- β - tetragonale, stabile a temperature comprese tra 667,7 e 774,8°C
- γ - cubico a corpo centrato, stabile a temperature comprese tra 774,8°C ed il punto di fusione, è la forma più duttile e malleabile delle tre.
In natura l'uranio è una miscela dei due suoi isotopi principali 235U (0,72%) e 238U (99,27%); contiene anche tracce dell'isotopo 234U, che è un prodotto del decadimento di 238U.
L'isotopo 235U è importante sia per i reattori che per le armi nucleari perchéè l'unico isotopo fissile esistente in natura in quantità apprezzabili. Anche 238U può trovare impiego nei reattori nucleari, dove viene convertito in 239U per assorbimento di neutroni termici, il quale decade in 239Pu, fissile.
Anche 233U è fissile; viene prodotto per bombardamento con neutroni di 232Th.
L'uranio fu il primo elemento scoperto essere fissile; per irraggiamento con neutroni termici, l'isotopo 235U in esso contenuto si converte nell'instabile 236U che immediatamente si scinde in due nuclei più leggeri liberando energia e altri due neutroni. Se questi neutroni incontrano sul loro cammino altri nuclei di 235U e non vi sono materiali capci di assorbire i neutroni che si liberano, la reazione procede a catena e può sviluppare una potente esplosione. Questo è il principio su cui si basa la cosiddetta bomba atomica.
Applicazioni
L'uranio è un metallo molto denso e pesante. L'uranio impoverito (che è 238U quasi puro, con meno dello 0,2% di 235U) trova impiego in applicazioni militari come metallo per blindature e come parte di missili o proiettili proprio per la sua densità. Trova impiego anche come materiale di zavorra o di equilibrazione dei pesi negli aerei e negli elicotteri.
In ambito militare trova uso anche l'uranio arricchito (che ha una concentrazione di 235U superiore a quella naturale), come carburante per navi e sottomarini a propulsione nucleare, nonché per realizzare bombe atomiche. Per queste ultime il livello di concentrazione di 235U può essere anche superiore al 90%.
Nel settore civile il principale impiego dell'uranio è l'alimentazione dei reattori delle centrali elettronucleari, dove viene usato un uranio arricchito al 2-3% di 235U. Esistono anche reattori come il canadese CANDU che possono essere alimentati da uranio naturale.
Tra gli altri usi si annoverano
- l'inclusione di sali di uranio nelle ceramiche e nei vetri, per colorare le prime e impartire una fluorescenza gialla o verde ai secondi;
- la datazione delle rocce ignee ed altri metodi di datazione geologica quali la datazione uranio-torio e uranio-piombo attraverso la misura della concentrazione di 238U, la cui emivita è di circa 4,51 miliardi di anni;
- la conversione di 238U in plutonio, quest'ultimo utilizzabile anch'esso sia come combustibile nucleare che come materiale fissile in ordigni nucleari;
- l'acetato di uranile, UO2(CH3COO)2, trova impiego in chimica analitica; forma con il sodio un sale insolubile;
- il nitrato di uranio è usato in fotografia;
- i fertilizzanti fosfatici di origine minerale possono contenere relativamente alte quantità di uranio, presente come impurezza nei minerali di partenza;
- l'uranio metallico trova uso in dispositivi a guida inerziale e nelle bussole giroscopiche.
Storia
L'uso dell'uranio, sotto forma del suo ossido, risale ad almeno al 79 AC; risalgono ad allora alcuni manufatti in ceramica colorati di giallo per aggiunta dell'1% di ossido di uranio rinvenuti in scavi nella zona di Napoli.
L'uranio è stato scoperto nel 1789 dallo scienziato tedesco bavarese Martin Heinrich Klaproth, che lo individuò in un campioni di pechblenda. L'elemento prese il nome dal pianeta Urano, che fu scoperto otto anni prima dell'elemento. L'uranio fu isolato come metallo nel 1841 da Eugene-Melchior Peligot ed è del 1850 il primo impiego industriale dell'uranio nel vetro, sviluppato dalla Lloyd & Summerfield di Birmingham, nel Regno Unito.
La radioattività del'uranio fu osservata per la prima volta dal fisico francese Henri Becquerel nel 1896.
Applicazioni militari
L'uranio acquistò importanza sulla scena politica mondiale durante il Progetto Manhattan, teso a realizzare la prima bomba atomica durante gli anni della seconda guerra mondiale. Prima della scoperta del plutonio solo l'uranio era l'elemento fissile disponibile per la realizzazione di una bomba atomica, benché il fondamentale processo di arricchimento richiedesse impianti mastodontici. Dal Progetto Manhattan nacquero gli ordigni che vennero successivamente sganciati sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki nell'agosto del 1945. Gli altri ordigni nucleari prodotti successivamente utilizzarono plutonio come materiale fissile, anch'esso prodotto a partire dall'uranio.
Ricerca ed estrazione
L'esplorazione e l'estrazione di minerali radioattivi iniziò negli Stati Uniti al principio del XX secolo. I sali di radio, contenuti nei minerali dell'uranio, erano ricercati per il loro impiego in vernici fluorescenti da usarsi per quadranti di orologi ed altri strumenti, nonché per applicazioni mediche - rilvelatesi nei decenni successivi particolarmente insalubri. La domanda di uranio crebbe durante la seconda guerra mondiale, durante la corsa delle nazioni in guerra alla realizzazione della bomba atomica. Gli Stati Uniti sfruttarono i loro giacimenti di uranio localizzati in numerose miniere di vanadio del sud-ovest ed inoltre acquistarono l'uranio dal Congo (all'epoca colonia belga) e dal Canada. Le miniere del Colorado fornivano principlamente miscele di minerali di uranio e di vanadio ma, per via della segretezza applicata nel periodo bellico, solo quest'lutimo figurava pubblicamente come prodotto delle miniere. In una causa legale condotta molti anni più tardi, i lavoratori di quelle miniere si sono visti riconosciuti riscarcimenti per le indennità loro dovute e mai pagate previste per l'estrazione di materiale radioattivo. I minerali di uranio delle miniere americane non erano ricchi quanto quelli del Congo belga, ma venivano comunque estretti nello sforzo di raggiungere un'autosufficienza produttiva. Sforzi simili furono condotti dall'Unione Sovietica, anch'essa priva di scorte di uranio all'inizio del suo programma nucleare.
Ascesa e stagnazione dell'estrazione dell'uranio
La ricerca dell'uranio nel mondo trovò un grande impulso all'inizio della guerra fredda; gli Stati Uniti, al fine di garantirsi adeguate forniture di uranio da destinare alla produzione di armi, crearono nel 1946 la Atomic Energy Commission (AEC), incaricata di esplorare potenziali giacimenti per conto dello stato e di intervenire sul prezzo di mercato dell'uranio. L'AEC, fissando un prezzo elevato per i minerali di uranio, contribuì ad un vero e proprio boom nei primi anni '50. Giacimenti furono scoperti nello Utah nel 1952, anche se la concentrazione di uranio era comunque inferiore a quella osservata in campioni provenienti dal Congo belga o dal Sudafrica.
Al picco dell'euforia mondiale per l'energia nucleare - negli anni '50 - furono anche presi in considerazione metodi per estrarre l'uranio e il torio dai graniti e dalle acque marine.
La domanda da parte dell'apparato militare statunitense iniziò a declinare negli anni '60 e le scorte di uranio furono completate entro la fine del 1970; nel contempo iniziò ad emergere il mercato dell'uranio per usi civili, ovvero per la realizzazione delle centrali elettriche termonucleari. Negli Stati Uniti tale mercato collassò nell'arco di un decennio, come risultato di diversi fattori concomitanti ,tra cui la crisi energetica, l'opposizione popolare e l'incidente alla centrale di Three Mile Island nel 1979, che portò ad una moratoria de facto dello sviluppo delle centrali nucleari.
Diverso è lo scenario del nucleare civile in Europa; molte nazioni hanno sviluppato una considerevole capacità produttiva - tra esse la Francia, la Germania, la Spagna, la Svezia, la Svizzera, il Regno Unito. In altre lo sviluppo dell'energia nucleare è stato fermato da azioni legali. In Italia l'uso dell'energia nucleare è stato bandito da un referendum tenutosi nel 1987.
Il collasso economico dell'Unione Sovietica e l'incuria nella manutenzione delle strutture porterà nel 1986 al disastro di Chernobyl.
Benché in diverse nazioni europee la produzione nucleare di energia elettrica sia in piena attività, la domanda mondiale di uranio rimane piuttosto contenuta. Dal 1981 i prezzi registrati dal Dipartimento per l'Energia degli Stati Uniti sono in continuo calo: da 32,90 $/lb di U3O8 del 1981 a 12,55 $/lb nel 1990 a meno di 10 $/lb nel 2000.
Rischi associati all'estrazione
Dato che l'uranio emette radon, un gas radioattivo, nonché altri prodotti di decadimento altrettanto radioattivi, l'estrazione mineraria di uranio presenta pericoli ulteriori che si sommano a quelli già esistenti nell'attività del minatore. Le miniere di uranio che non sono "a cielo aperto" richiedono adeguati sistemi di ventilazione per disperdere il radon.
Durante gli anni '50 molti dei minatori statunitensi impiegati nelle miniere di uranio erano nativi Navajos, dato che molte delle miniere erano collocate nelle loro riserve. A lungo andare molti di essi svilupparolo forme di cancro al polmone. Alcuni di loro e dei loro discendenti sono stati beneficiari di una legge che nel 1990 ha riconosciuto il danno loro arrecato.
I nomi in codice tuballoy e oralloy
Durante il lavoro del "progetto Manhattan", esigenze di segretezza fecero adottare i nomi di tuballoy e oralloy per riferirsi rispettivamente all'uranio naturale e all'uranio arricchito. Questi nomi sono ancora occasionalmente usati oggi.
Composti
Il tetrafluoruro di uranio (UF4) è noto come "sale verde" ed è un prodotto intermedio nella produzione di esafluoruro di uranio.
L'esafluoruro di uranio (UF6) è un composto solido bianco, che sublima a temperature oltre i 56 °C. Questo composto viene usato nei due più comuni processi di arricchimento, l'arricchimento per diffusione gassosa e quello per centrifugazione del gas; nel gergo industriale viene semplicemente chiamato "hex".
Il concentrato di uranio viene detto Yellowcake. Prende questo nome dal colore e dalla scabrosità superficiale del materiale prodotto durante le prime operazioni minerarie, anche se i mulini odierni, lavorando ad alta temperatura, producono "yellowcake" di colori che vanno dal verde scuro al quasi nero. Lo yellowcake contiene in genere dal 70% al 90% in peso di ossido di uranio (U3O8). (Esistono altri ossidi, come UO2 e UO3; il più stabile di tutti è U3O8, che in realtà viene considerato essere una miscela degli altri due in proporzione molare 2:3)
Il diuranato di ammonio è un prodotto intermedio nella produzione di yellowcake ed ha un colore giallo brillante. Viene a volte confuso con lo stesso "yellowcake", ma non è solitamente la stessa cosa.
Il nitrato di uranile (UO2(NO3)2) è un sale di uranio solubile ed estremamente tossico.
Disponibilità
L'uranio è un elemento che si trova in natura, in basse concentrazioni, praticamente in tutte le rocce, in tutti i terreni e nelle acque. Viene considerato più abbondante dell'antimonio, del berillio, del cadmio, dell'oro, del mercurio, dell'argento, del tungsteno; ha circa la stessa abbondanza dell'arsenico e del molibdeno. Si trova in molti minerali, come l'uraninite (il minerale di uranio più comune), l'autunite, l'uranofano, la torbernite e la coffinite. Si possono riscontrare concentrazioni di uranio significative anche in alcune sostanze come depositi di rocce fosfatiche e minerali come la lignite e la sabbia di monazite in minerali madre ricchi di uranio (viene estratto commercialmente anche da queste fonti).
Si ipotizza che la principale fonte del calore che mantiene liquido il nucleo della Terra e il soprastante mantello provenga dal decadimento dell'uranio e dalle sue reazioni nucleari con il torio nel nucleo della terra, generando così la tettonica a zolle.
I minerali di uranio, perché l'estrazione mineraria di uranio sia remunerativa, devono contenere una concentrazione minima di ossido di uranio che va dallo 0,05% al 0,2%.
Produzione e distribuzione
L'uranio vieme prodotto industrialmente per riduzione dei suoi alogenuri con metalli alcalini o alcalino-terrosi. Può anche essere prodotto per elettrolisi di KUF5 o UF4 sciolti in CaCl2 o NaCl fuso. L'uranio metallico ad alta purezza viene ottenuto per deocmposizione termica di alugenuri di uranio su un filamento rovente.
Gli impianti elettronucleari civili statutnitensi hanno acquistato nel corso del 2001 circa 21300 tonnellate di uranio ad un prezzo medio di 26,39 $/Kg, circa il 16% in meno di quanto costava nel 1988; nello stesso anno la produzione statunitense di uranio è stata di 1018 tonnellate, da 7 miniere localizzate ad occidente del fiume Mississippi.
L'uranio è distribuito sul pianeta in maniera grossomodo uniforme; il Canada è uno dei maggiori produttori, con i suoi ricchi giacimenti in Saskatchewan, dove da tre miniere si estrae circa un quarto della produzione mondiale. Questa sovraproduzione unita al controllo governativo sulla produzione ha un forte peso nel determiare il prezzo dell'uranio sui mercati internazionali.
Anche l'Australia possiede ampi giacimenti che rappresentano circa il 30% delle riserve note di uranio del pianeta. Il più grande singolo deposito di uranio del mondo è presso la Olympic Dam Mine nello stato dell'Australia Meridionale.
Isotopi
L'uranio in natura è una miscela di tre isotopi, 238U, 235U, and 234U, di cui 238U è il più abbondante (99,3%). Questi tre isotopi sono radioattivi; il più stabile è 238U (emivita: 4,5 × 109 anni), seguono 235U (7 × 108 anni) e 234U 2,5 × 105 anni). 238U emette particelle alfa decadendo in 206Pb.
Gli isotopi dell'uranio vengono separati per aumentare la concentrazione di 235U rispetto a 238U; questo processo è chiamato arrcchimento. L'uranio si considera "arricchito" quando la frazione di 235U è considerevolmente maggiore del livello naturale (circa lo 0,7%), tipicamente su valori compresi tra il 3% ed il 7%. 235U è il tipico materiale fissile per i reattori nucleari; sia 235U che 239Pu sono usati per la produzione di armi nucleari.
Il processo di arricchimento produce enormi quantità di uranio impoverito, ossia uranio cui manca la corrispondente quantità di 235U. L'uranio si condiera imporverito quando contiene valori di 235U generalmente compresi tra lo 0,2% e lo 0,3%.
Precauzioni
50px|molto tossico
50px|vuota
50px|vuota
50px|vuota
50px|vuota
frasi R: R 26/28-33-53
frasi S: S 1/2-20/21-45-61
vanno manipolate con cautela.
Leggi il disclaimer
Tutti i composti e gli isotopi dell'uranio sono tossici e radioattivi ad un livello potenzialmente letale. A dosi non letali, la tossicità dell'uranio può produrre danni ai reni. I danni da radiazione sono permanenti; le particelle inalate possono restare nelle vie respiratorie per lungo tempo.
L'uranio non viene assorbito attraverso la pelle; le particelle alfa che emette non sono in grado di attraversare la pelle, ciò rende l'uranio esterno al corpo molto meno pericoloso di quello inalato o ingerito.
Una persona può esporsi all'uranio sia inalandone le polveri nell'aria che ingerendolo con il cibo e con l'acqua; si calcola che l'assunzione media quotidiana di uranio sia compresa tra 0,7 e 1,1 microgrammi.
Persone che vivono in aree vicine a poligoni nucleari o a miniere che ne lavorano i minerali possono essere esposte a livelli di radioattività più elevati per via della produzione di polveri sottili e radon che vengono trasportati dai venti nelle zone circostanti. Per la stessa ragione, senza un'adeguata ventilazione i lavoratori delle miniere sono esposti ad un elevato rischio di contrarre il cancro o altre malattie polmonari. Anche le acque usate dalle miniere per il trattamento del minerale possono diventare veicolo di contaminazione per le aree vicine.
Gli edifici costruiti su depositi di uranio (siano essi giacimenti o depositi di scorie) rischiano una elevata esposizione al radon che da essi si libera.
L'uranio metallico, finemente suddiviso, può incendiarsi.
Citazioni letterarie
- All'uranio è dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo Levi.
Voci correlate
- Uranio impoverito
- Combustibile nucleare
- Fisica nucleare
- Reattore nucleare
- Armi nucleari
Collegamenti eserni
in inglese
- Los Alamos National Laboratory's Chemistry Division: Periodic Table - Uranium
- U.S. EPA: Radiation Information for Uranium (some adapted public domain text)
- World Uranium Resources, by Kenneth S. Deffeyes and Ian D. MacGregor, Scientific American, January, 1980, page 66. Argues that the supply of uranium is very large.
- Depleted Uranium Human Health Fact Sheet from Summary Fact Sheets for Selected Environmental Contaminants to Support Health Risk Analyses by Argonne National Laboratory Environmental Assessment Division.
- Uranium Human Health Fact Sheet, also from Argonne.
- WebElements.com - Uranium (also used as a reference)
- EnvironmentalChemistry.com - Uranium (also used as a reference)
- It's Elemental - Uranium
- The US government provides lots of statistics and information relevant to the energy industry at
- Nuclear Power and Nuclear Weapons: Making the Connections
- The Uranium Information Centre also has lots of information on uranium
- World Uranium deposit maps
separatore
| Chimica-Fisica |
| Progetto Chimica | Portale Chimica | Portale Fisica | Progetto Fisica |
| Glossario Fisico | Glossario Chimico | Calendario degli eventi: Fisica, Chimica |