Страница 311 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Подумайте, как можно разделить компоненты, из которых состоит урановая руда.

Решение

Процесс разделения компонентов, из которых состоит урановая руда, представляет собой сложную многостадийную технологическую схему, которая в основном базируется на методах гидрометаллургии. Цель этого процесса — извлечь соединения урана из большого объема пустой породы и других примесей, сконцентрировав их в конечном продукте.

Основные этапы разделения компонентов урановой руды:

1. Рудоподготовка (измельчение и дробление)
На первом этапе добытую руду дробят и измельчают в мелкий порошок или пульпу. Это необходимо для того, чтобы вскрыть минералы урана и значительно увеличить площадь поверхности для последующего химического взаимодействия с реагентами.

2. Выщелачивание (Leaching)
Измельченную руду обрабатывают химическими растворами для селективного растворения урана, в то время как основная масса пустой породы (ганг) остается в твердом состоянии. Существует два основных метода выщелачивания:

• Кислотное выщелачивание: Наиболее распространенный метод, использующий серную кислоту ($H_2SO_4$). Уран, находящийся в руде в основном в виде оксидов $U(IV)$, окисляется до более растворимого состояния $U(VI)$ с помощью окислителей (например, диоксида марганца $MnO_2$ или кислорода воздуха). Затем уран образует растворимый сульфатный комплекс. Пример реакции для уранинита ($UO_2$):
  $2UO_2 + 2H_2SO_4 + O_2 \rightarrow 2UO_2SO_4 + 2H_2O$
  В растворе уран существует в виде комплексного аниона, например, $[UO_2(SO_4)_3]^{4-}$.
• Карбонатное (щелочное) выщелачивание: Применяется для руд с высоким содержанием карбонатных минералов (например, известняка), которые бы впустую расходовали кислоту. В этом процессе используется раствор соды ($Na_2CO_3$) и бикарбоната натрия ($NaHCO_3$) при доступе кислорода. Уран окисляется и образует хорошо растворимый уранил-трикарбонатный комплекс:
  $2UO_2 + O_2 + 6Na_2CO_3 + 2H_2O \rightarrow 2Na_4[UO_2(CO_3)_3] + 4NaOH$

3. Разделение твердой и жидкой фаз
После выщелачивания образуется пульпа, состоящая из продуктивного раствора, богатого ураном, и твердых отходов (хвостов). Их разделяют с помощью методов отстаивания (сгущения) и фильтрации. В результате получают осветленный урансодержащий раствор.

4. Сорбция и экстракция (очистка и концентрирование)
Продуктивный раствор содержит не только уран, но и множество других примесей. Для его очистки и концентрирования используют один из двух методов:

• Ионообменная сорбция: Раствор пропускают через колонны, заполненные ионообменной смолой. Анионы урановых комплексов ($[UO_2(SO_4)_3]^{4-}$ или $[UO_2(CO_3)_3]^{4-}$) избирательно поглощаются смолой, а большинство примесей проходит через колонну. Затем уран смывается со смолы специальным раствором (элюентом), получая чистый и концентрированный раствор.
• Жидкостная экстракция: Урансодержащий водный раствор смешивают с органическим растворителем, содержащим экстрагент (например, амины или фосфорорганические соединения). Уран избирательно переходит из водной фазы в органическую. Затем органическую фазу отделяют и обрабатывают другим водным раствором (реэкстрагентом), чтобы вернуть уран обратно в водный раствор, но уже в значительно более чистом и концентрированном виде.

5. Осаждение и получение «желтого кека»
Из очищенного и концентрированного раствора уран осаждают, добавляя различные реагенты. Например, при добавлении аммиака ($NH_3$) осаждается диуранат аммония ($(NH_4)_2U_2O_7$), который является одним из компонентов так называемого «желтого кека» (yellowcake). После осаждения продукт фильтруют, промывают и сушат.

6. Прокаливание
Полученный осадок прокаливают при высоких температурах (около $700-800$ °C) для удаления воды, аммиака и других летучих соединений. В результате образуется стабильный оксид урана, чаще всего закись-окись урана ($U_3O_8$) — конечный продукт переработки руды, представляющий собой порошок от желтого до черного цвета.

Таким образом, исходная урановая руда разделяется на два основных компонента:

1. Урановый концентрат («желтый кек», $U_3O_8$) — целевой продукт, который далее отправляется на обогащение.
2. Хвосты переработки (пустая порода и другие примеси) — отходы производства, которые подлежат безопасному захоронению.

Ответ: Компоненты урановой руды разделяют с помощью многостадийного гидрометаллургического процесса, включающего измельчение руды, химическое выщелачивание урана (кислотное или щелочное) для его перевода в раствор, отделение раствора от твердых отходов, очистку и концентрирование урана методами ионного обмена или жидкостной экстракции, и, наконец, осаждение и прокаливание для получения конечного продукта — уранового концентрата ($U_3O_8$), известного как «желтый кек». Вторым компонентом разделения являются хвосты — пустая порода и примеси, оставшиеся после извлечения урана.

Подумайте, какая сила действует на движущийся электрический заряд. Применяя правило левой руки, определите знаки зарядов (см. рис. 12.2) отклонившихся в магнитном поле частиц.

Какая сила действует на движущийся электрический заряд

На движущийся в магнитном поле электрический заряд действует сила Лоренца. Эта сила перпендикулярна как вектору скорости частицы, так и вектору магнитной индукции. Величина силы Лоренца рассчитывается по формуле:

$F_Л = |q| \cdot v \cdot B \cdot \sin\alpha$

где:

• $F_Л$ – сила Лоренца, измеряемая в ньютонах (Н),
• $|q|$ – модуль электрического заряда частицы, измеряемый в кулонах (Кл),
• $v$ – скорость движения частицы, измеряемая в метрах в секунду (м/с),
• $B$ – индукция магнитного поля, измеряемая в теслах (Тл),
• $\alpha$ – угол между вектором скорости $v$ и вектором магнитной индукции $B$.

Направление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки.

Ответ: На движущийся электрический заряд в магнитном поле действует сила Лоренца.

Определение знаков зарядов частиц

Для определения знаков зарядов частиц, отклонившихся в магнитном поле (согласно отсутствующему на изображении рис. 12.2), необходимо применить правило левой руки.

Формулировка правила:

• Расположите левую руку так, чтобы линии вектора магнитной индукции ($\vec{B}$) входили в ладонь.
• Вытянутые четыре пальца направьте по направлению вектора скорости ($\vec{v}$) положительно заряженной частицы.
• Отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на частицу силы Лоренца ($\vec{F}_Л$), а следовательно, и направление ее отклонения.

Важное замечание:

• Если заряд частицы положительный ($q > 0$), то направление силы Лоренца совпадает с направлением, указанным большим пальцем.
• Если заряд частицы отрицательный ($q < 0$), например, электрон, то четыре пальца нужно направить против вектора скорости, либо, что то же самое, направить их по скорости, но итоговое направление силы будет противоположно направлению большого пальца.

Таким образом, проанализировав направление скорости частиц и направление их отклонения в известном магнитном поле (которое также должно быть указано на рисунке 12.2), можно однозначно определить знак их заряда. Частицы, не имеющие заряда (нейтральные), или движущиеся параллельно линиям магнитной индукции, не будут отклоняться.

Ответ: Знак заряда определяется по направлению его отклонения в магнитном поле согласно правилу левой руки. Если частица отклоняется в направлении, которое указывает большой палец (при соблюдении правила для положительного заряда), ее заряд положителен. Если частица отклоняется в противоположную сторону, ее заряд отрицателен.