Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (Учебник по химии), страница 100

Они используются в приборах промышленного контроля, например для выявления дефектов в металлах н сплавах и определения уровня жидкости в закрытых емкостях. Ценным методом научного исследования стал метод меченых атомов. Метод заключается в том, что к исследуемому элементу добавляют в незначительном количестве радиоактивный изотоп, по излучению которого судят о поведении элемента в тех или иных процессах н о его содержании в объемах или на поверхности раздела веществ. В медицине радиоактивные изотопы используют для диагностики и лечения. С помощью радиоактивных изотопов определяют возраст углеродосодержащих материалов, горных пород Земли и космических тел. Например, возраст углеродосодержащих материалов определяется с помощью радиоизотопа углерода-!4, который образуется в верхних слоях атмосферы по реакции !!м -!- '!с -!-1!! Радиоактивный углерод усваивается растениями и затем животными.

Он претерпевает радиоактивный !!-распад ~!с ~!!ч + е- По содержанию радиоактивного углерода в отмерших организмах или растениях можно судить о возрасте углеродосодержащего вещества. Возраст минералов можно определить по отношению свинца-206, образующегося в результате радиоакивного распада урана -238 (см. рис. ХН.!), к урану-238.

Е хч.з. $щеРнАЕ энеРГетикА Ядерное деление. В конце 30-х годов итальянским ученым Э. Ферми и немецким ученым О. Ганом было открыто деление ядер урана при облучении нейтронами, а советскими учеными Петржаком и Г. Флеровым — самопроизвольное деление ядер урана. Реакция деления урана сопровождается выделением громадного количества энергии. Например, при делении ! кг урана по реакции 3!'г! -!- л — !!Кг + ЫгВа + Зл 4ОЗ выделяется энергия, эквивалентная энергии реакции горения 2 млн. кг угля.

Как видно из уравнения, в процессе реакции увеличивается число нейтронов, которые в свою очередь могут вызвать новые деления ядер, т. е. возникает цепная ядерная реакция — ядерный взрыв. Разветвленная ядерная реакция осуществляется в атомной бомбе. Атомные реакторы. Число нейтронов, способных к продолжению ядерной реакции, можно регулировать введением в реакционный объем стержней, замедляющих или поглощающих нейтроны. При этом ядерная реакция становится управляемой и используется в атомных реакторах для получения электрической энергии на электростанциях (АЭС), электрической и тепловой энергии на атомных теплоцентралях, электрической и механической энергии на транспортных объектах (атомоходах).

Основным ядерным топливом в атомных реакторах служит уран-235, способный к ядерному делению при облучении нейтронами, имеющими определенную скорость движения. Обычно в атомных реакторах используется диоксид урана ()О,. Кроме того, в качестве ядерного топлива могут быть использованы плутоний-239 и уран-233. В природном уране содержится 99,39' урана-238 и лишь 0,7 ~г' урана-235.

При таком соотношении изотопов цепная ядерная реакция не развивается. Для обеспечения протекания ядерной реакции природный уран обогащают ураном-235, примерно до 3 9'. Так как содержание урана-235 в природе невелико, то при ускоренном развитии атомной энергетики природные запасы его могут быстро истощиться. Однако учеными открыты ядерные реакции, в результате которых выделяется энергия и вырабатывается новое ядерное топливо, например: Вы+и мгь — и1чг ВРь (о'ть + и — (0'ть -л е'Ра -й Й ы Образующиеся в результате реакций плутоний-239 и уран-233 могут использоваться для получения атомной энергии. Процесс воспроизводства ядерного горючего осуществляется в атомных реакторах — размножителях. На пути их создания встретились многие технические трудности, при решении которых значительно расширяются ресурсы ядерного сырья.

В этом случае,атомную энергию будут применять не только для выработки электрической энергии и для теплофикации, но и для получения тепловой энергии, необходимой для технологических нужд различных производств. Атомная энергетика получает все более широкое применение, так как обеспечивает экономию органического топлива и соответственно снижает загрязнение окружающей среды, вызванное сжиганием природного органического топлива.

Вместе с тем в процессе работы ядерных реакторов накапливается значительное 404 количество радиоактивных продуктов ядерных реакций. Поэтому очень важное значение имеет биологическая защита реакторов, регенерация и утилизация ценных продуктов реакций, удаление и захоронение радиоактивных отходов атомных реакторов. Термоядерный синтез. Энергия может быть получена не только при делении тяжелых ядер, но и при слиянии легких ядер, при этом возникает дефект массы. За счет реакции слияния легких ядер выделяется энергия на Солнце.

Реакция слияния легких ядер получила название ядерного синтеза. Некоторые реакции ядерного синтеза приведены ниже: а Не = — Цб ! О" кДж/моль, вне= — 30 !Оо кДж/моль, ' ап"= — 4,8 !О" кДж/моль, ан" = — 10,3 1ОмкДж/моль. )Н + (Н вЂ” 1Не -1- л, )Н+ 'Н --'и 4- (н + ', и — 113 + 1н, (н + зш —. 2)не, (1) (2) (3) (4) 4 хч.л. химичвскив своиствл влдиолктивных элвмвнтов К радиоактивным относятся все элементы после висмута, однако наибольший интерес представляют актиноиды — уран, торий н плутоний, которые нашли применение в ядерных реакторах или автономных источниках энергии. Торий — элемент с атомным номером 90, атомной массой 232,038. Содержание в земной коре 8 !О ' масс.

доли в о/~ в основном в виде изотопа "'Тп (/по= 1,39 1О" лет). Электронная структура бе(275'7р', степень окисления +2, +3 и .+4, последняя наиболее характерна. Хотя стандартный электродный потенциал ТЬ; ТЬ' + 4е Е1)ь = — ! 90 В имеет отрицательное значение, однако на воздухе торий устойчив вследствие образования пассивных слоев. Порошкообразный торий пирофорен. Торий пассивируется под действием сильных 405 Как видно, при протекании ядерного синтеза выделяется громадное количество энергии, которое в миллиарды и десятки миллиардов раз превышает количество энергии, выделяемое прн горении органического топлива.

Особенно энергетически выгодны реакции (1) и (4). Следует также отметить, что продукты ядерного синтеза, как правило, не радиоактивны. Однако такие реакции могут осуществляться при очень высоиих температурах, составляюгцнх миллионы градусов, поэтому они называются термоядерными. Например, для реакции (1) необходима температура 40 млн. градусов. Для достижения таких высоких начальных температур требуется специальный источник энергии, например энергия мощных лазеров. Очень трудной является также задача ограничения реакции в пространстве. Если удастся преодолеть эти трудности, человечество получит практически неограниченный источник энергии. окислителей, таких, как концентрированная НМОд.

Медленно растворяется в разбавленных растворах НГ, НХОз и Н»50» и концентрированных растворах НС! и Н»РО». Реагирует с фтором и при нагревании с Нь С!д, Вгд, Б, Р, Ыд и НдЬ. Для получения тория и его соединений выщелачивают (кислотой или щелочью) торийсодержащие руды, отделяют сопутствующие металлы экстракционными методами. В результате переработки выделяют Т)»04, Т)»Г» или Т!»С!». Металлический торий получают восстановлением Т!»Од кальцием или электролизом расплава Т)»Г» и других галогенидов. Торий является перспективным ядерным топливом для получения урана-233 по реакции 11»ть + + 1Уть д»!»р д 11»»» Уран — актиноид с атомным номером 92, атомной массой 238,029.

Содержание в земной коре 2,5 10 ' масс. доли в д»д в основном в виде изотопа ддд() (1и, — — 4,51 104 лет). Электронная структура 5!'6д'7эд. В соответствии с электронной структурой имеет степень окисления от +2 до +6, наиболее характерная степень окисления +4. Равновесный электродный потенциал урана имеет отрицательное значение Н + 2Н»0 = 1!О» + 4Н4 + 4е Е1»» = — 1,4 В. На воздухе покрывается тонкой пленкой, не защищающей от коррозии. Порошкообразный уран пирофорен. Уран активно растворяется в растворах НС! и НХО,, медленно — п растворах Н»РО», НГ и Н450», устойчив в щелочах. На воздухе уран окисляется.

Скорость окисления резко возрастает при температуре выше !50'С. При окислении образуются оксиды БО, ()Од, ()»Од, ()зОь Пз04 и ()Оз Наиболее устойчивы оксиды 004 н ПОз, причем 1!Од имеет основный, а 1.!Од — амфотерный характер. При растворении ()Од в кислотах образуются соли уранила 00~+ К настоящему времени имеется несколько методов получения урана и его соединений.

Ураносодержащие руды вскрывают растворами Н450» или МадСОд, получая соли уранила, например ()0450», которые экстрагируют или удаляют методом ионного обмена. Полученные продукты'превращаются в 1АОд, который восстанавливается до 1304, последний с помощью НГ может быть переведен в ()Г». Металлический уран получают восстановлением ()Г» с помощью кальция или магния. Плутоний — искусственный радиоактивный элемент. Известны !5 изотопов плутония от 'ддРц до '»4Рц.

Наиболее важен для практики изотоп "'Рц (1„4 = 2,4 !О" лет). Электронная структура 5146»14764. В соответствии с электронной структурой следует ожидать степеней окисления от +2 до +8, однако соединения со степенью окисления +8 неизвестны. Наиболее характерна степень окисления +4. Компактный плутоний медленно окисляется на воздухе, порошкообразный металл пирофорен.

Медленно 406 взаимодействует с водой, растворяется в растворах НС1, НС10„и НзРОЧ пассивируется концентрированными кислотами-окислителями: Н)ЫОз н Нт80о При нагревании взаимодействует с гало- генами, водородом, азотом и серой. Плутоний получают в ядерных реакторах. Выделяют и очищают изотопы плутония в основном методами адсорбции и экстракции. Металлический плутоний можно получить восстановлением Рцрч и РцС1, кальцием.

Плутоний-239 служит топливом в атомных реакторах, а также для изготовления атомного оружия. Плутоний-238 (7 эт = 86,4 года) применяют для изготовления автономных ядерных источников электрического тока. Плутоний сильно токсичен. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Расскажите о сходстве и различии свойств изотопов одного н того же злемеита. Назовите области применения нескольких изотопов. 2. Как классифицируются естественные процессы радиоактивного расиада. Поясните в чем заключается различие в процессах разных видов радиоактивного распада 3.

Рассчитайте период полураспада, если через 1О лет осталось 40 Я от первоначального количества ядер. Ответ; 7,5 лет. 4. Рассчитайте период полураспада, если через 5 лет осталось 50 Я~ от первоначального количества ядер. Ответ: 3,75 года. 5. Напишите уравнения электродных реакций, протекающих при электро. лизе расплава ТЬР,. 6. Напишите уравнении реакций,получения металлического урана. 7. Приведите уравнения реакций получения металлического урана из 17эОэ.