URANIO

URANIO Prerequisiti: La seguente lezione si articola in due parti: Descrivere le proprietà chimico-fisiche e la reattività dell’uranio Applicazioni di questo elemento: Energia Nucleare e Armi Nucleari I destinatari sono studenti di un secondo anno di un ITIS Prerequisiti: Linguaggio chimico: simboli, formule chimiche, peso atomico e molecolare Struttura atomica: particelle dell’atomo, numero atomico, numero di massa e isotopi. Tavola periodica: proprietà periodiche degli elementi, elementi metallici e non metallici nella tavola periodica. Numeri di ossidazione degli elementi. Composti chimici-idruri: ossidi, idrossidi e alogenuri e sali. Bilanciamento delle reazioni Legami chimici Elementi di radioattivita’ Nozioni di scienze della terra

URANIO Obiettivi: Comprensione delle proprietà chimico-fisiche dell’uranio e delle sue svariate applicazioni Comprendere la reazione di fissione nucleare dell’uranio e il suo impiego per uso civile e militare Comprendere distinzione tra uranio impoverito ed arricchito Comprendere la tossicita’ dell’uranio e dell’uranio impoverito Comprendere come a seconda delle intenzioni umane, uno stesso elemento chimico puo’ essere sfruttato o per scopi benefici o per scopi bellici!

URANIO

Gli ATTINIDI: L’URANIO Stato di ossidazione +3, come i lantanidi, non è sempre lo stato di ossidazione più stabile: per esempio U3 + si ossida facilmente favorendo gli stati di ossidazione più alti. La chimica dell’U, Np, Pu, Am è molto simile, infatti formano composti nello stato di ossidazione +6 (MF6 e diossoione MO22+ ) Gli attinidi sono metalli argentei; i loro punti di fusione sono moderatamente alti, ma più bassi di quelli degli elementi di transizione Proprietà chimiche analoghe con i lantanidi, ma hanno densità molto maggiori. Sono metalli reattivi: reagiscono con H2O e si ossidano all’aria formando uno strato di ossido Reagiscono facilmente con HCl, ma le reazioni con altri acidi sono lente

Un po’ di 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. Scoperto nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth, in un campione di pechblenda e prese nome dal pianeta Urano Il termine uranio deriva del tedesco Uran=Urano, nome scelto perché questo elemento fu individuato poco tempo dopo la scoperta del VII pianeta del sistema solare, chiamato Urano dalla divinità greca che personifica il cielo

Un po’ di storia…… Solo nel 1841 Péligot ne mutò il nome in uranium (da cui il simbolo chimico), secondo la classica consuetudine adottata per gli elementi metallici di finire con il suffisso -ium. ed è del 1850 il primo impiego industriale dell'uranio nel vetro, sviluppato dalla Lloyd & Summerfield di Birmingham, nel Regno Unito. Le proprietà radioattive dell'uranio vennero scoperte nel 1896 dal fisico francese Antoine-Henri Becquerel. Becquerel stava facendo ricerche su diversi tipi di “radiazione” usando dei sali di uranio, che erano noti per dare fenomeni di fluorescenza se esposti alla luce del sole, e aveva lasciato casualmente i sali a contatto con delle emulsioni fotografiche. Egli scoprì che le emulsioni si erano annerite, anche senza che i sali fossero stati esposti al sole e ne diede la causa a qualche strana “radiazione” emessa dall’uranio, che venne chiamata “radiazione uranica”.

Disponibilita’ In natura l'uranio non si trova allo stato libero, ma solo sotto forma di ossido o sale complesso, in minerali come la pechblenda: PECHBLENDA U3O8 ossido misto in cui l’uranio presenta sia lo stato di ossidazione +3 che +2 (il minerale più ricco di uranio, si trovano principalmente in Canada, Congo e Stati Uniti) URANITE approssimabili alla formula UO2 CARNOTITE o VANADATO DI URANIO K2(UO2)2(VO4)2·3H2O

Dove si trova? 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 del cadmio, dell’oro, del mercurio, dell’argento, del tungsteno; ha circa la stessa abbondanza dell’arsenico e del molibdeno. 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.

Proprieta’ Simbolo atomico: U Numero atomico: 92 L'uranio fonde a circa 1132 °C, bolle a 3818 °C, ha densità relativa 19,05 kg/dm3 alla temperatura di 25 °C, e peso atomico 238,029 uma. Esiste in tre diverse forme cristalline: una forma stabile a temperatura ambiente; una forma modificata, caratterizzata da densità leggermente minore e da cristalli duri e fragili; ad alta temperatura una forma facilmente lavorabile e plastica, resa stabile mediante l'aggiunta di piccole quantità di molibdeno. Simbolo atomico: U Numero atomico: 92 Massa atomica: 238.029 Numeri di ossidazione: +6 ,+5, +4, +3 L'uranio è solubile in HCl e HNO3, ma insolubile negli alcali; reagisce con le soluzioni dei sali di mercurio, argento, rame, stagno, platino e oro.

Proprieta’:uno sguardo alla densita’ L’Uranio metallico ha un colore bianco-argento, è molto denso, duttile, malleabile, radioattivo (emivita: 4 500 000 000 anni). dU = 19 kg/dm-3 dH2O= 1 kg/dm-3 dPb = 12 kg/dm-3

Composti dell’Uranio Ossidi UO2 Biossido di Uranio (Uranite) I principali composti dell’Uranio sono gli ossidi, idruri e i fluoruri. I più stabili sono i composti dell’Uranio esavalente, meno stabili quelli dell’Uranio tetravalente. I più importanti sono elencati di seguito: Ossidi UO2 Biossido di Uranio (Uranite) UO3 Triossido di Uranio (Ossido di Uranile) U3O8 Ottaossido di Triuranio Idruri UH3 Triidruro di Uranio Fluoruri UF6 Esafluoruro di Uranio UF4 Tetrafluoruro di Uranio UO2F2 Fluoruro di Uranile

TOSSICITA’DELL’URANIO L’uranio metallico possiede proprietà piroforiche, soprattutto se finemente suddiviso; ciò significa che può incendiarsi spontaneamente a temperature intorno ai 600 - 700° E’ solido a temperatura ambiente e se esposto all’aria si ossida lentamente assumendo inizialmente una colorazione giallo oro per poi diventare sempre più scuro fino ad avere un colore nero dopo tre o quattro settimane. I composti solubili, facilmente assorbiti dalle mucose interne, vengono incorporati nel flusso sanguigno e agiscono negativamente a livello renale determinando vari effetti che regrediscono al termine dell’esposizione I composti insolubili non pongono molti problemi da un punto di vista tossicologico poiché, se ingeriti, possono essere facilmente espulsi mediante i normali processi fisiologici. Per contro, qualora venissero inalati, potrebbero rimanere negli alveoli per lunghi periodi di tempo (mesi o addirittura anni) con effetti nocivi dovuti alle proprietà radiologiche dell’ 238U.

Caratteristiche degli ossidi dell’Uranio Ottaossido di Triuranio U3O8 È un minerale dal colore verde oliva, chiamato Pechblenda. È la forma più stabile dell’Uranio ed è la forma principale con cui l’Uranio si trova in natura. Biossido di Uranio UO2 È un minerale dal colore bruno, chiamato Uranite. È la forma in cui l’Uranio è più comunemente usato come combustibile nucleare. Può essere travato in natura come minerale, ma più spesso viene prodotto per trasformazione della pechblenda. Triossido di Uranio UO3 È un minerale dal colore variabile tra l’arancione ed il giallo. È più stabile del biossido e meno dell’ottaossido. Non ha applicazioni pratiche.

I fluoruri dell’Uranio L’interesse dei fluoruri dell’Uranio consiste nel loro utilizzo al fine di produrre combustibile nucleare. Di particolare importanza è, in tale ambito, l’ Esafluoruro di Uranio (UF6) L’Esafluoruro di Uranio è prodotto industrialmente mediante il seguente sistema di reazioni : UO2 + 4HF => UF4 + 2H20 Cl2 + 3F2 => 2ClF3 3UF4 + 2ClF3 => 3UF6 + Cl2

ISOTOPI 234U 0.006% L'uranio in natura è una miscela di tre isotopi: 238U 99.282% 235U 0.712% 234U 0.006% 238U è il più abbondante! Questi tre isotopi sono RADIOATTIVI: Il più stabile è : 238U (emivita: 4,5 *109 anni) 235U (7 *108 anni) 234U (2,5*105 anni)

GRANDE QUANTITÀ DI ENERGIA FISSIONE NUCLEARE L’atomo di Uranio è fissile, cioè, può essere spaccato in altri atomi più piccoli se bombardato con neutroni. Il processo è chiamato fissione nucleare e libera una GRANDE QUANTITÀ DI ENERGIA

FISSIONE NUCLEARE La fissione nucleare procede in maniera autosostenuta (reazioni a catena) quando dalla rottura degli atomi si liberano, in media, 2-3 neutroni:

FISSIONE NUCLEARE U235 emissione di 2.5 neutroni (Pu239 3 neutroni) L’isotopo dalla cui fissione si liberano più neutroni è il 235, che perciò è detto isotopo più FISSILE, e che è presente in un campione naturale di U soltanto per circa lo 0,7 %. Per poter sfruttare la fissione nucleare è perciò necessario ARRICCHIRE l’Uranio naturale del suo isotopo più fissile, portando il contenuto di 235U ad almeno il 3%. U235 emissione di 2.5 neutroni (Pu239 3 neutroni)

ARRICCHIMENTO DELL’URANIO L’ARRICCHIMENTO DELL’URANIO È UN PROCESSO CHE SEPARA DUE DIVERSI ISOTOPI DELL’URANIO CHE SI TROVANO NELL’URANIO NATURALE L’uranio naturale, quello che viene estratto dalla miniera e purificato, contiene il 99,3% di uranio 238, ovvero uranio il cui nucleo è formato da 92 protoni e 146 neutroni, e lo 0,7% di uranio 235, il cui nucleo ha tre neutroni in meno. I due isotopi dell’uranio hanno comportamento chimico identico e massa solo lievemente diversa, ma hanno un comportamento totalmente diverso quando vengono irraggiati da neutroni.

ARRICCHIMENTO DELL’URANIO Quando un nucleo di uranio 235 viene colpito da un neutrone, infatti, ha circa il 90% di probabilità di dividersi in due, emettendo un’energia di 200 milioni di volte superiore a  quella di una tipica reazione chimica.  Se un nucleo di uranio 238 viene colpito da un neutrone, invece, lo assorbe, e si trasforma dopo un po’ in plutonio 239, che, come l’uranio 235, fa fissione. AUMENTARE LA CONCENTRAZIONE DELL'ISOTOPO 235U RISPETTO AL PIÙ COMUNE E MENO RADIOATTIVO 238U È UN COMPITO ESTREMAMENTE DIFFICILE: Non è possibile separarli per via chimica, e l'unico modo è sfruttare la piccolissima (meno dell'1,5%) differenza di peso

IMPIEGHI DELL’URANIO 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. Dal Progetto Manhattan nacquero gli ordigni che vennero successivamente sganciati sulle città 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. 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 CANDU che possono essere alimentati da uranio naturale non preventivamente arricchito.

IMPIEGHI DELL’URANIO Tra gli altri usi si annoverano: Inclusione di sali di uranio nelle ceramiche e nei vetri, per colorare le prime e impartire una fluorescenza gialla o verde ai secondi 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

VANTAGGI ENERGETICI DELL’URANIO Dopo la scoperta della fissione nucleare, l'uranio divenne un metallo di importanza strategica, utilizzato principalmente per la produzione di: ENERGIA NEI REATTORI NUCLEARI NELLE ARMI NUCLEARI Durante le tre conferenze internazionali per gli usi pacifici dell'energia nucleare tenute a Ginevra nel 1955, 1958 e 1964, si discussero le applicazioni pacifiche di questa fonte energetica. Impianti tradizionali producono 60.000 kW di elettricità con 18 milioni di kg di carbone al mese, impianto nucleare usa solo 7 kg di uranio ! Tuttavia, problemi di scarsità dell'uranio, di sicurezza degli impianti e l'accumulo dei rifiuti radioattivi di uranio e plutonio pongono seri interrogativi, e hanno bloccato la conversione degli impianti tradizionali in impianti nucleari in diversi paesi europei.

ORIGINE DELL’URANIO IMPOVERITO CICLO DEL COMBUSTIBILE NUCLEARE: Processo di arricchimento dell’Uranio Uranio impoverito Uranio arricchito Punta pesante per proiettili Combustibile per Impianti nucleari

URANIO IMPOVERITO Come conseguenza del processo di arricchimento di contenuto di 235U, come prodotto di scarto, l’uranio “impoverito”, che contiene solo più una frazione di meno dello 0,2% di 235U L'UI sostanza radioattiva e tossica è principalmente costituita dall'isotopo 238U e contiene una piccola percentuale dell'isotopo fissionabile 235U. Anche se la sua radioattività è il 40% in meno dell'uranio fissile, è sempre ben 60 volte più radioattivo del materiale che si trova in natura

URANIO IMPOVERITO I danni provocati dell'UI, o meglio dalle radiazioni da questo emesso, sono di tipo cancerogeno, mutagenico-genotossico. Se bruciato, durante un incendio, si formano i diossidi di uranio, i cui effetti sulla popolazione sono evidenti in Irak, dove sono state bruciate 300 tonnellate di uranio (ammesse ufficialmente), leucemie, tumori, malformazioni genetiche, e non solo sulla popolazione locale. Durante la Guerra del Golfo del 1991, fra aerei e carri armati inglesi e americani, sono state sparate qualcosa come 340 tonnellate di UI, si tratta, tanto per usare un termine di paragone, di una quantità cento volte maggiore di quella rilasciata durante l'incidente di Cernobyl (dove la vita media è passata da 67 anni a 42).

COSA SUCCEDE QUANDO UN PENETRATORE AL DU IMPATTA SUL BERSAGLIO? DISTRUZIONE BERSAGLIO INCENDIO: OSSIDAZIONE E POLVERIZZAZIONE DISPERSIONE IN ATMOSFERA DEPOSITO AL SUOLO: ANCHE A GRANDI DISTANZE CONTAMINAZIONE