Heksafluorek uranu – ważny związek dla energetyki jądrowej
Posiadając zestaw do budowy nieorganicznych związków kompleksowych możemy ułożyć bardzo ważny związek – heksafluorek uranu (UF6). Bez tego związku i jego ciekawych właściwości nie byłoby współczesnej energetyki jądrowej.
Wzbogacanie uranu
Uran występujący w przyrodzie składa się z trzech izotopów: 238U (99,275%), 235U (0,72%) oraz 234U (ilości śladowe). Zastosowanie znajduje przede wszystkim izotop uranu-235. Jest to jedyny izotop tego metalu, który ulega rozszczepieniu pod wpływem tzw. neutronów termicznych (czyli neutronów poruszających się z energią kinetyczną porównywalną do energii ruchu cieplnego w temperaturze pokojowej). Jest on zatem wykorzystywany w reaktorach jądrowych.
Niestety naturalna zawartość 235U (przypominam: zaledwie 0,72%) w rudach uranu jest zbyt mała. Istnieją wprawdzie reaktory mogące pracować na naturalnym uranie, ale mają one wiele wad i stanowcza większość reaktorów potrzebuje tzw. uranu wzbogaconego – czyli uranu ze zwiększoną zawartością 235U (minimum 3%).
I tu na scenę wchodzi heksafluorek uranu.
Dlaczego fluorek uranu(VI) jest ważny?
Heksafluorek uranu to białe ciało stałe sublimujące pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze zaledwie 56,5 °C. I tę właśnie własność wykorzystujemy do rozdzielania izotopów uranu w tzw. wirówkach.
Wirówka to wysoki i wytrzymały cylinder osadzony na łożyskach i podłączony do silnika elektrycznego. Może on wirować z prędkością kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę. Do środka cylindra wprowadza się gazowy heksafluorek uranu o naturalnym składzie izotopowym. Pod wpływem siły odśrodkowej cięższe cząsteczki 238UF6 gromadzą się bliżej korpusu cylindra, a lżejsze 235UF6 – bliżej środka. Jest to doskonale znany chemikom proces wirowania frakcjonującego.
Ponieważ względna różnica mas cząsteczek 238UF6 i 235UF6 wynosi zaledwie 0,85%, to rozdzielenie nie jest doskonałe, ale na potrzeby cywilnych reaktorów jądrowych całkowicie wystarczające.
Jak widzimy, heksafluorek uranu ma dwie cechy, bez których współczesna energetyka jądrowa byłaby dużo bardziej skomplikowana. Po pierwsze, niska temperatura sublimacji powoduje, że wirówki mogą pracować w łatwej do osiągnięcia i utrzymania temperaturze kilkudziesięciu stopni Celsjusza. A po drugie, stosunkowo niska masa atomowa fluoru nie wpływa znacząco na masy cząsteczek heksafluorku uranu, przez co względna różnica mas nie spada poniżej wartości, gdy rozdzielenie byłoby już bardzo trudne.
Kształt
Obliczając liczbę przestrzenną metodą VSEPR uczniowie często mają problem z nazwaniem powstałych kształtów. Jest tak, bo często stosowane są zamiennie dwa systemy nazywania kształtów tworzących związki z liczbą przestrzenną większą niż cztery.
Jeden system nazywa bryłę. W tym systemie nasza cząsteczka to ośmiościan foremny (inaczej: oktaedr). Drugi system zauważa, że powstała bryła, są to dwie sklejone piramidy i odnosi się do kształtu podstaw tych piramid (tutaj: kwadrat, czyli tetragon). Dlatego w tym systemie nasza cząsteczka to bipiramida tetragonalna.
Jak ułożyć?
Aby ułożyć cząsteczkę heksafluorku uranu musisz posiadać zestaw do budowy nieorganicznych związków kompleksowych. Pamiętaj, że pary elektronowe podłączane są zawsze krótkimi rurkami (1,5 cm).
Możesz też użyć atomów fluoru z uproszczonych rozszerzonych zestawów organicznych. Wtedy nie pokazujemy par elektronowych i skupiamy się tylko na kształcie cząsteczki. Możliwość łączenia różnych zestawów to ważna cecha „Atomków”.
Łukasz Aranowski
13 grudnia 2023