НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Геохимия урана - (реферат)

Геохимия урана - (реферат)

Дата добавления: март 2006г.

    1. Химические свойства четырех и шести валентного урана.

Уран -белый металл плотностью 18, 3 г/см, плавящийся при температуре 1133 градуса. Металл достаточно активен - при слабом нагревании он загорается в присутствии воздуха. Он легко соеди няется с серой и галогенами, вытесняет водород из разбавленных кислот, с образованием солей четырехвалентного урана, а в очень измельченном виде вытесняет водород из воды.

Урановый ангидрит имеет характер амфотерного окисла который при растворении в кислотах образует соли, где роль металла играет ион (UO^), а при растворении в щелочах образует кислотные остат ки в виде комплексных соединений. В химических соединениях уран может находится в четырех валентных состояниях U3+, U4+, U5+, U6+. U3+ в природных условиях не существует и может быть получен только в лаборатории. Соединения пятивалентного урана в основном не устойчивы и легко разлагаются на соединения четырех и шести валентного урана.

    2UCl5= UCl4+UCl6

В водных растворах U5+ находят в виде комплексного иона (UO2)+. В щелочной среде устой чивость иона возрастает.

Наиболее устойчивыми ионами в природных условиях являются четырех и шести валентный уран. Ионы четырехвалентного урана ус тойчивы в востановительной обстановке. Они получаются путем по тери двух электронов с s подуровня 7-го уровня d-подуровня 6-го уровня и f-подуровня 5-го уровня при этом образуется ионы с внешним восьмиэлектронным уровнем аналогичным с благородными га зами что характерно для литофильных элементов. Это объясняет их высокую химическую активность по отношению к кислороду и с абую поляризационную способность.

    Известно что кислотные или щелочные свойства элементов за

висят от отношения валентности к ионному радиусу. Оценку кислот ных свойств удобно производить по диаграмме Картледжа. Здесь же можно также оценить элементы способные производить изоморфные замещения при условии сходной электронной структуры. Из схемы видно, что в сильнощелочных растворах U4+ может проявлять ангид ридные свойства, но в нейтральных и слабокислых активно реагирует с ионами гидроксила, а гидроксил четырехвалентного урана плохо растворяется в воде. Для U(OH)4 растворимость составляет 5, 2*10-12 моль/л, что в 1000 раз ниже растворимости гидроксида алюминия.

В отличии от четырехвалентного урана шестивалентный уран принимает более активное участие в геологических процессах. Для UО2(OH)2 растворимость составляет 3. 5*10-9 моль/л. Константа диссоциации равна 2*10-22. В неитральной среде кон центрация ионов уранила равна 10-8 моль/л и только в кислых растворах рН=4 она повышается до 10-2 моль/л. Учитывая, что в растворе могут присутствовать, как продукты гидролиза, ионы UO2(OH)+, общая концентрация ионов урана в нейтральной среде не опускается ниже 10-6 моль/л.

Катион UO2+2 представляет собой линейное образование в центре которого находится U4+, а атомы кислорода расположены на одинаковых растояниях. По данным ионных радиусов было установле но, что связь атома урана с атомами кислорода носит ковалентный характер. При ковалентной связи атомы имеют общие элкектроны, которые объясняют высокую прочность соединения. Низкую прочность соединений шестивалентного урана объясняется тем что весь заряд сосредоточен вокруг урана, а не вокруг кислорда. Ионный радиус этого катиона примерно равен 3 А, такой радиус значительно зат рудняет изоморфное вхождение в кристаллическую структуру. Следо вательно самостоятельные минералы шестивалентного урана могут образовываться в основном с крупными анионами. Большие размеры катиона U+6 объясняют его накопление в мелкозернистых породах.

    2. Распространенность урана в земной коре.

Несмотря на высокий атомный номер и возможность распада ядер, содержание урана в земной коре относительно высокое. В земной коре содержится около 2. 5*10-4% урана. В коре содержание урана достигает 4*10-4%, в мантии 1. 2*10-6% и ядре 3*10-7%.

    2. 1 Магматические горные породы.
    Кларк урана сильно меняется в зависимости от состава магма

тических горных пород. Наибольшее значение КК=14 в щелочных и ультращелочных горных породах. Кларк урана прямопропорционально зависит от агпаитности горных пород. Так самые высокие содержа ния отмечаются в агпаитовых нефелиновых сиенитах Ловозерского массива. Причем уран больше концентрируется в акцессорных мине ралах инрузивных пород. При щелочно-кремнистом метасоматозе гра нитных интрузий часто происходит диффузионное перераспределение урана с извлечением его из кристаллической решетки акцессорных минералов. В эффузивных породах до 90% урана находится в стекло видной массе.

    На сегодняшний день магматические рудопроявления промышлен
    ного значения не имеют.
    2. 2 Метаморфические горные породы.

В метаморфических породах содержание урана обычно ниже кларка. Наиболее высокими содержаниями урана характеризуются уг леродисто-кремнистые сланцы и богатые калием различные гнейсы. При метаморфизме полевошпат-кварцевых пород происходит миг

    рация урана от центра к периферии толщи.

Существенное изменение содержания урана вызывают процессы ультраметаморфизма и гранитизации. Особенно значительное обога щение ураном происходит при щелочно-кремнистом метасоматозе.

    2. 3 Осадочные породы.

Накопление урана в осадочных породах безусловно происходит очень не равномерно, из-за чего выделяют ряд геохимических комп лексов.

Для грубых терригенных осадков кларки концентрации близки к единице. В мелкозернистых породах кларки урана значительно повы шаются. Сильно влияет на содержание урана в осадочных породах органическое вещество, однако четкой связи не наблюдается. Низ кое содержание урана характерно для известняков и мергелей, иск лючение составляют битуминозные разновидности этих пород. Самые низкие содержания урана отмечены в ангидритах и каменных солях. Изучение геохимии живого вещества показывает, что организмы не концентрируют уран. Однако отжившие свой срок организмы на различных стадиях диагенеза способны накапливать радиоактивный элемент до промышленных концентраций. Что они и делают при нали чии вод с окислительной обстановкой, которая способствует мигра ции урана. В данных породах накопление урана связано с наложен ными процессами.

    Вместе с тем распространены предположительно первично ура

ноносные углеродисто-кремнистые и углеродо-глинистые сланцы. Максимальные содержания урана достигают 0. 03%. Обогащенные прос лои сложены углеродистыми сланцами обогащенные пиритом и фосфо ритами. В не метаморфизованых углистых сланцах первичных урано вых минералов не обнаружено. В качестве обогащаемых ураном выде ляют фосфориты, в которых содержание урана возрастает с повыше нием содержания фосфора. Фосфаты часто представлены франколитом (Са5(PO4, CO3)3F. Предположительно четырехвалентный уран изоморф но замещает в нем кальций. Однако имеются экспериментальные дан ные говорящее о значительной сорбции, видимо уранила, фосфатным веществом.

    3. Изоморфизм.

Изоморфизм -процесс при котором один ион замещает другой. Это возможно когда:

    1 колебание ионных радиусов не превышает более
    15% при нормальных температурах.
    2 Поляризация этих ионов должна быть одинаковой.

В изоморфизме с ураном уличены Th4+, Ce4+, Zr4+, Hf4+, TR3+, Y3+, Sc3+, Ca2+. Причем UO2-ThO2-Ceo2 способны замещать друг друга в неограниченных колличествах. В изоморфизме по видемому может участвовать только четырехвалентный уран, так как у ионов шестивалентного урана слишком большой ионный радиус, а из-за высокой активности металлического урана в природе не об наружено.

    Уран в различных геологических процессах.
    Не смотря на сравнительно высокое содержание урана в магма

тических горных породах он практически не образует промышленных концентраций. Как уже отмечалось повышенные концентрации этого элемента отмечены в щелочных породах. В Ловозерском массиве ус тановлена следующая примерная схема кристаллизации магмы: поле вые шпаты, нефелин, эгирин, лампрофиллит, эвдиалит, ферсманит, лопарит. По приведенной последовательности можно предположить, что в щелочных расплавах первыми кристаллизуются минералы содер жащие ионы с меньшими валентностями. Причем чем выше концентра ция щелочей относительно концентрации высоковалентных катионов, тем сильнее влияние этих щелочей на роль высоковалентных кватио нов в минералообразовании. Так появление титанн-цирконий-нио бий-силикатов определяет начало вовлечение урана в магматическое минералообразование. На этом этапе повышаются содержания урана в породообразующих минералах. При повышеной щелочности относитель но концентрации Al3+, Fe3+, Ti4+, циркон и торит оразоватся не мо гут, в результате проявляются ангидридные свойства циркония и кристаллизуется эвдиалит (Na, Ca)6Zr[Si6O18](Cl, OH), это также справедливо и для урана. По силе основности был составлен ряд определяющий вовлечение указаных элементов в состав породообра зующих минералов.

На основе изученных данных уран уличен в корреляционной связи с относительным содержанием щелочей . Эта корреляция не имеет прямой зависимости , а подчиняется пропорциональной связи со степенью агпаитности пород, отражающей соотношения в магмати ческом расплаве оснований с кислотными остатками.

    В ураноносных пегматитах концентрация редкоземельных эле

ментов превышает в 50-80 раз соответствующие кларки . Для пегма титов характерно разделение этих элементов на две группы - церия и иттрия. Уран чаще связан с группой иттрия. До 98% урана сосре доточено в акцессорных и собственных минералах. Концентрации урана достигают десятых долей процента от массы пегматитовой жи лы.

    Геохимия урана в экзогенных процессах.

Химическое выветривание оказывает наибольшее влияние на распределение урана в осадочных породах. Эти процессы связаны с изменением валентного состояния урана под воздействием кислоро досодержащих вод. Так как эти воды могут иметь потенциал до 600 мВ, они легко переводят четырехвалентный уран в легко раст воримый шестивалентный.

Для урана и других элементов выделен ряд геохимических барьеров - участков резкого изменения миграционной способности, окислительный, восстановительный сероводородный, восстановитель ный гелеевый, щелочной, кислый, испарительный, сорбционный. Как установлено в поверхностных водах уран переходит из-за наличия кислорода в шестивалентную форму которая легко перено сится водными потоками. Для осаждения урана необходима востано вительная среда которая характерна для придонных частей океанов или достаточно больших глубин. На границе где окислительная обс тановка сменяется восстановительной получается геохимический барьер вдоль которого начинается осаждение четырехвалентного урана.

Существенную роль в накоплении урана играют процессы адсорб ции которыесвязывают ион UO2+2