Российский государственный геологоразведочный университет
им. С. Орджоникидзе
Реферат по теме:
«Радиогеоэкологические особенности урана и его изотопов и полевые радиометрические методы исследования»
-
Выполнила: ст. гр. МАГ-13
Ромашова Дарья
Проверил: проф. Верчеба А.А.
Москва 2014
Содержание
Введение…………………………………………………………………………………………3
Глава 1. Распространённость урана и его изотопов в окружающей среде……………….…5
Глава 2. Геохимические свойства урана и его изотопов………………………………….….7
Глава 3. Основные минералы урана……………………………………………………….…..9
Глава 4. Месторождения урана………………………………………………………………..12
Глава 5. Кларк урана, его изотопов и его ПДК………………………………………….……15
Глава 6. Токсичность и радиотоксичность урана……………………………………….……16
Глава 7. Использование урана и его изотопов в медицине и технике……………………..17
Глава 8. Методы радиологического исследования геологических формаций……………..18
Глава 9. Полевые радиометрические методы……………………………………………..….19
Список использованной литературы………………...…………………………………….….22
Введение
В Богемии (Чехословакия) с давних пор производилась добыча полиметаллических руд. Среди руд и минералов горняки часто обнаруживали черный тяжелый минерал, так называемую смоляную обманку (Pechblende). В XVIII в. полагали, что этот минерал содержит цинк и железо, однако точных данных о его составе не было. Первым исследованием смоляной обманки занялся в 1789 г. немецкий химик-аналитик Клапрот. Он начал со сплавления минерала с едким калием в серебряном тигле. Однако продукт сплавления минерала растворялся не полностью. Отсюда Клапрот пришел к выводу, что в минерале нет ни молибдена, ни вольфрама, есть какая-то неизвестная субстанция, содержащая новый металл. Клапрот попробовал растворить минерал в азотной кислоте и царской водке. В остатке от растворения он обнаружил кремниевую кислоту и немного серы, а из раствора через некоторое время выпали красивые светлые зеленовато-желтые кристаллы в виде шестигранных пластинок. Под действием желтой кровяной соли из раствора этих кристаллов выпадал коричнево-красный осадок, легко отличимый от подобных осадков меди и молибдена. Клапроту пришлось много потрудиться, прежде чем ему удалось выделить чистый металл. Он восстанавливал окисел бурой, углем и льняным маслом, но во всех случаях при нагревании смеси образовывался черный порошок. Только в результате вторичной обработки этого порошка (нагревание в смеси с бурой и углем) получилась спекшаяся масса с вкрапленными в нее маленькими зернами металла. Клапрот назвал новый металл ураном (Uranium) в ознаменование того, что исследование этого металла почти совпало по времени с открытием планеты Уран (1781). Слово уран происходит от греч.- небо и, таким образом, может означать "небесный металл". Смоляную обманку Клапрот переименовал в "урановую смолку". Чистый металлический уран получил впервые Пелиго в 1840 г. Долгое время химики располагали солями урана в очень небольших количествах; их использовали для получения красок и в фотографии. Исследования урана хотя и велись, но мало что прибавляли к тому, что установил Клапрот. Атомный вес урана принимали равным 120 до тех пор, пока Менделеев предложил удвоить эту величину. После 1896 г., когда Беккерель открыл явление радиоактивности, уран вызвал глубочайший интерес и химиков и физиков. Беккерель обнаружил, что двойная соль калийуранилсульфат оказывает действие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, т. е. испускает какие-то лучи. Супруги Кюри, а затем и другие ученые продолжили исследования Беккереля, в результате чего были открыты радиоактивные элементы (радий, полоний и актиний) и множество радиоактивных изотопов тяжелых элементов. В 1900 г. Крукс открыл первый изотоп урана - уран-Х, затем были открыты другие изотопы, названные уран-I и уран-II. В 1913 г. Фаянс и Геринг показали, что в результате beta-излучения, уран-Х1 превращается в новый элемент (изотоп), названный ими бревием; позже его стали именовать ураном-Х2. К нашему времени открыты все члены ураново-радиевого ряда радиоактивного распада [1].
Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7 C), бета (четырёхугольная, стабильна от 667,7°C до 774,8 C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8°C до точки плавления).
На данный момент известны 26 изотопов урана и еще 6 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе встречаются три изотопа урана: 234U (изотопная распространенность 0,0055 %), 235U (0,7200 %), 238U (99,2745 %).
Уран может проявлять степени окисления от +III до +VI. Соединения урана(III) образуют неустойчивые растворы красного цвета и являются сильными восстановителями:
4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + H2↑
Соединения урана(IV) являются наиболее устойчивыми и образуют водные растворы зелёного цвета.
Соединения урана(V) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:
2UO2Cl → UO2Cl2 + UO2
Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175°C, образуя U3O8. При 1000 C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Уран имеет четыре степени окисления — III—VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись урана (окись уранила) UO3 и хлорид уранила(уранилхлорид) UO2Cl2.Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 — примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются в присутствии яркого света или органики [3].
Глава 1. Распространённость урана и его изотопов в окружающей среде
Уран широко распространён в природе; в значительных концентрациях он обнаружен во многих горных породах, в океанах, а также в лунных породах и метеоритах. В земной коре его больше, чем серебра, висмута, кадмия или ртути (по распространенности он занимает 38-е место), но он находится главным образом в рассеянном состоянии.
Уран – характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание урана в земной коре (кларк) 2,5·10-4% по массе, в кислых изверженных породах 3,5·10-4 %, в глинах и сланцах 3,2·10-4 %, в основных породах
5·10-5 %, в ультраосновных породах мантии 3·10-7 %. Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивают в 1.3⋅1014 т. Он входит в состав всех пород, слагающих земную кору, а также присутствует в природных водах и живых организмах. Мощных месторождений не образует. Основная масса урана содержится в кислых, с высоким содержанием кремния, породах. Наименьшая концентрация урана имеет место в ультраосновных породах, максимальная – в осадочных породах (фосфоритах и углистых сланцах). В океанах содержится 1010 т урана.
В гидротермальном процессе уран активно мигрирует в виде уран-карбонатных комплексов. При понижении окислительно-восстановительного потенциала растворов, падении парциального давления углекислоты, изменении pH растворов происходит разрушение этих комплексов и выпадение урана в виде минеральных фаз. Температурные интервалы образования гидротермальных урановых минералов оцениваются в 100-220о, иногда 300-350о. Процессы метаморфизма от амфиболитовой до гранулитовой фракции обычно сопровождаются выносом урана. При ультраметаморфизме возможен его некоторый привнос. В экзогенных процессах уран способен мигрировать в кислородсодержащих водах и переходить в твердую фазу при смене окислительно-восстановительной обстановки (геохимический барьер).
Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Важную роль в геохимии урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения урана хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например, сероводородных).
Вода океанов, содержащая 3,5% солей, имеет около 2⋅10-6 гU/л (2⋅10-9 г/г). Полное содержание урана в океанах составляет 4⋅109 т, или 0,003 вес.% количества его в земной коре. В морской воде содержание урана находится в пределах 0.36⋅10-6-2,3⋅10-6 г/л. При содержании в океанической воде карбонат-иона больше чем n⋅10-6 н. (рН>7,5 при РСО2=5⋅10-4 атм). Уран находится в океанической воде в виде комплекса [UO2(CO3)3]4-. В этом состоянии он не способен в значительных количествах переходить в донные отложения. При содержании карбонатного иона в океанической воде, меньшем n⋅10-6 н. (рН<7,5 при РСО2=5⋅10-4 атм), уран находится в океанической воде в форме продуктов гидролиза, адсорбированных на кремний содержащих коллоидных частицах. При этом уран уходит на дно со скоростью, определяемой скоростью седиментации частиц, на которых он адсорбирован. В поверхностном слое Баренцева моря концентрация урана равна 1,6⋅10-6г/л, Чёрного моря - 2,9⋅10-6г/л.
Концентрация урана в водах рек европейской части России находится в пределах (0,15-3,3)⋅10-6 г/л, в реках азиатской части России (0,2-10,0)⋅10-6 г/л; в озёрах России концентрация урана находится в пределах (0,15-15,2)⋅10-6 г/л, а концентрация урана некоторых подземных водах России, не связанных с урановыми месторождениями - в пределах (0,2-120)⋅10-6 г/л.
В ходе геологической истории содержание урана в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов Рb и Не. Радиоактивный распад урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла. Из-за большого периода полураспада, урановое тепло выделяется медленно, но оно существенно подогревает Землю (в основном – её верхний слой) [6].