Uranio: Elemento Propiedades y usos

Descripción

El uranio es un metal denso de color gris plateado; quizá sea más conocido por su radiactividad y su papel central en la energía nuclear. El uranio, uno de los elementos naturales más pesados, presenta una combinación única de reactividad química, múltiples estados de oxidación y características nucleares que lo hacen indispensable en la tecnología moderna, la producción de energía y la investigación científica.

Introducción al elemento

El gran interés de científicos, químicos e ingenieros por el uranio siempre ha estado relacionado con su posición única en la tabla periódica. Tiene el número atómico 92, lo que lo convierte en uno de los últimos elementos abundantes en la naturaleza y en un puente entre los metales pesados naturales y los elementos transuránicos sintéticos. El químico alemán Martin Heinrich Klaproth lo descubrió en 1789, pero fue reconocido simplemente como un metal pesado con propiedades peculiares hasta finales del siglo XIX, cuando el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel mostró la verdadera importancia científica del uranio.

Los principales minerales que contienen uranio son la uraninita, la carnotita y la brannerita; se extrae en muchas partes del mundo. Su alta densidad, casi dos veces más pesado que el plomo, y su capacidad de fisión nuclear lo convierten en un material importante tanto en la industria civil como en la de defensa.

Descripción de las propiedades químicas

Químicamente, el uranio es muy versátil, adoptando formas que van de +3 a +6 estados de oxidación, con una forma adicional común y estable representada por +4 y +6. Esta flexibilidad permite al elemento formar una amplia gama de compuestos, muchos de los cuales desempeñan papeles esenciales en los ciclos del combustible nuclear y en las aplicaciones industriales.

- El dióxido de uranio es la principal forma utilizada en las pastillas de combustible nuclear porque es estable, altamente refractario y compatible en las condiciones del reactor.

- Las formas intermedias comunes durante el procesamiento incluyen el trióxido de uranio (UO₃) y el octóxido de triuranio (U₃O₈).

- El hexafluoruro de uranio (UF₆) es uno de los compuestos de uranio químicamente más significativos. Su volatilidad lo hace ideal para los procesos de enriquecimiento que separan los isótopos necesarios para obtener material apto para reactores o armas.

La solubilidad del uranio en los sistemas medioambientales se ve muy afectada por el pH y por la presencia de iones carbonato o fosfato. Esta química controla cómo se mueve el uranio en las aguas subterráneas, cómo se extrae en la minería y cómo debe gestionarse en los proyectos de recuperación medioambiental.

Propiedades físicas

Propiedad.Valor.Unidad.Descripción

Número atómico 92 - Número de protones en el núcleo

Peso atómico 238,03 g/mol Masa media de los átomos de uranio

Densidad 19,1 g/cm³ Densidad extremadamente alta; casi el doble que la del plomo

Punto de fusión 1132 °C Temperatura a la que el uranio sólido se convierte en líquido

Punto de ebullición 4131 °C Temperatura a la que el uranio se vaporiza

Gravedad específica 19,1 - Densidad relativa comparada con el agua

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El uranio metálico puro es maleable y dúctil, pero se empaña cuando se expone al aire y reacciona fácilmente para formar una serie de óxidos de uranio. Aunque es radiactivo, los productos de desintegración son predominantemente partículas alfa, que no pueden penetrar en la piel, aunque la exposición interna es peligrosa y los controles de manipulación deben ser estrictos.

U-235 y U-238: Los isótopos importantes

Dos isótopos definen la importancia tecnológica del uranio: El U-238 y el U-235.

U-238

Aproximadamente el 99,3% del uranio natural consiste en U-238. Aunque no es fácilmente fisible, este isótopo es fértil, es decir, puede absorber un neutrón y convertirse en plutonio-239, un isótopo fisible utilizado tanto en reactores como en armas nucleares. Esta característica hace que el U-238 desempeñe un papel importante tanto en los combustibles de óxidos mixtos (MOX) como en las tecnologías de reactores reproductores.

U-235

Sólo el 0,72% del uranio natural es U-235, pero es el único isótopo natural capaz de mantener una reacción en cadena. Este isótopo se divide en átomos más pequeños cuando es alcanzado por un neutrón lento, liberando una gran cantidad de energía y más neutrones. Esta reacción en cadena es la base de

- La producción de energía nuclear

- La propulsión nuclear de submarinos

- Las armas atómicas

- El funcionamiento de los reactores de investigación

Debido a su rareza, el U-235 tiene que ser enriquecido en muchos casos para aumentar su concentración para su aplicación en reactores. El enriquecimiento, que normalmente se realiza por difusión gaseosa o centrifugación del UF₆, genera uranio enriquecido apto para la generación de electricidad.

Dónde se encuentra el uranio

El uranio es un elemento relativamente común en la corteza terrestre, aproximadamente con la misma abundancia que el wolframio o el molibdeno. Adopta principalmente formas minerales y se extrae mediante técnicas convencionales y lixiviación in situ. Los principales países productores de uranio son:

- Kazajstán es actualmente el mayor productor mundial de uranio, que se extrae principalmente por lixiviación in situ.

- Canadá posee algunos de los yacimientos de alta ley más ricos del mundo.

- Australia - posee vastas reservas situadas en varias grandes minas a cielo abierto y subterráneas

Namibia, Níger, Uzbekistán y Estados Unidos: importantes productores con un largo historial de extracción de uranio

El uranio también se encuentra en cantidades ínfimas en los yacimientos de fosfatos, en el agua de mar e incluso en algunas rocas graníticas. Las tecnologías de extracción de uranio del agua de mar están mejorando, lo que puede proporcionar un suministro prácticamente ilimitado de uranio en el futuro.

Usos comunes

Las características nucleares y físicas únicas del uranio dan lugar a varias aplicaciones importantes:

1. Producción de energía nuclear

El uso más importante del uranio es como combustible en reactores nucleares. Cuando el U-235 se fisiona, produce grandes cantidades de calor. Este calor genera vapor que, a su vez, acciona turbinas para producir electricidad. La energía nuclear procedente del uranio proporciona una parte importante de la electricidad mundial baja en carbono.

2. Defensa y aplicaciones militares

El uranio enriquecido se utiliza para formar el núcleo de las armas nucleares. El uranio empobrecido (DU) -principalmente U-238- se emplea en municiones perforantes y en el blindaje de vehículos acorazados, ya que su extrema densidad le permite tanto penetrar como autoafilarse tras el impacto.

3. Aplicaciones científicas y médicas

Entre los usos de los compuestos de uranio se incluyen la datación de rocas en geología, los estudios de rastreo medioambiental y los reactores de investigación que producen isótopos médicos para el tratamiento del cáncer.

Métodos de preparación

La extracción y la molienda son los pasos iniciales en la preparación comercial del uranio. Tras la extracción, el mineral se procesa mediante trituración, molienda y lixiviación química -generalmente con ácido sulfúrico o soluciones alcalinas- para separar el uranio de otros minerales.

La solución final se purifica mediante:

- Extracción con disolventes

Intercambio iónico

- Precipitación en "torta amarilla", normalmente U₃O₈.

La torta amarilla se convierte en UF₆ para su enriquecimiento, o en UO₂, para su fabricación en pastillas de combustible.

Preguntas más frecuentes

¿Qué tiene de especial el uranio?

Entre los elementos naturales, el uranio es el único que combina radiactividad, alta densidad, múltiples estados de oxidación y capacidad de fisión.

¿Cómo se extrae el uranio?

Métodos tradicionales de minería, lixiviación in situ y purificación química que separa el uranio del mineral.

¿Por qué son importantes el U-235 y el U-238?

El U-235 es fisionable y capaz de provocar una reacción en cadena, mientras que el U-238 es fértil y puede convertirse en combustible nuclear utilizable.

¿Por qué es importante el uranio para la industria?

Sus propiedades nucleares constituyen la base de la producción mundial de energía y de las tecnologías de defensa.

¿Cómo garantizan la seguridad los métodos de preparación?

Protocolos estrictos, normas de protección contra las radiaciones y procesos químicos controlados garantizan que el uranio se manipule y utilice de forma segura.