Властивості і геохімічні особливості урану, радію, торію, і калію

З точки зору поставлених вище завдань особливо цікаві наступні властивості радіоактивних елементів: період полурас-пада, валентність, іонні (чи атомні) радіуси, поляризуе-мость іонів.

Період напіврозпаду елементу (ізотопу) визначає його «вы-живаемость» на Землі. У помітних кількостях в Землі можуть бути присутніми лише елементи (ізотопи), період напіврозпаду ко-торых більше або зіставимо з віком Землі, або ж ті з них, які постійно утворюються в ядерних процесах, напри-мер, при розпаді довгоживучих ізотопів.

Ефективний іонний радіус і поляризуемость іонів (опреде-ляемая мірою деформації електронних оболонок під дією інших іонів) впливають на ізоморфізм. Ізоморфізм у хімічно близьких речовин можливий тільки тоді, коли розміри і поляри-зуемость часток, що заміщають один одного, близькі. Крім того, встановлено, що за інших рівних умов іони з великим радіусом частіше залишаються в рідкій фазі, а іони з малим радиу-сом— у твердій.

Стійкість тих або інших з'єднань елементів і последо-вательность їх випадання з магми, що охолоджується, характери-зуется енергією кристалічної решітки: чим вона вища, тим раніше за інших рівних умов кристалізуються мінерали. Відповідно для асоціації мінералів зазвичай характерна близькість енергії їх кристалічних решіток.

Уран відкритий в 1789 р. німецьким хіміком М. Клапротом в ура-новой смільній руді, здобутій в Саксонії. Щільність різних модифікацій металевого урану коливається від 18,06 до 19,04 г/см3, колір сріблясто-білий. Природний уран містить три ізотопи: ^238U (зміст в природній суміші ізотопів урану 99,2739 %); ^235U (0,7024 %); ^234U (0,0057 %) — короткоживучий ізотоп (7=2,45-105 років), дочірній продукт ^238U (див. таблицю. 1, мал. 1). Кларк урану — 3-10-4%.

У лабораторіях отримані з'єднання трьох-, четырех-, п'яти— і шестивалентного урану. У природі зустрічаються тільки чотирьох— і шестивалентні форми. Ионы U4+ і U6+ мають літофільні властивості, високою спорідненістю до кисню і зустрічаються в природі виключно у вигляді оксидів і солей кисневих кислот. Для урану характерна виняткова здатність до изо-морфизму, особливо при ендогенних процесах мінералоутворення. У ізоморфізмі бере участь U4+, що має іонний радіус 0,105 нм, що дуже близько до іонних радіусів Th4+ (0,11 нм), Zr5+ (0,089 нм), TR3+, Y3+, (0,097-0,122 нм), Са2+ (0,106 нм). Іонний радіус U6+ складає 0,079 нм.

Завдяки здатності змінювати валентність уран може бути то окисником, то відновником. У лужному середовищі він обра-зует комплексні аніони уранатов (U04) 2 - диуранатов (U207) солі, що 2-дають, слабо розчинні у воді. Шестивалентний уран в лужному середовищі енергійно окислює двовалентне залізо (Fe2+), відновлюючись до чотиривалентного U4+, що має велике значення при утворенні родовищ урану. У кислій і нейтральній середовищах уран входить до складу комплексного іона уранілу (UO2) 2+, що дає стійкі і добре розчинні у воді солі, подвійні солі і комплексні з'єднання з карбонатним, сульфатним, фосфатним аніонам), з комплексами гумінових кислот та ін.

Основна особливість урану — велика хімічна активність і сильна відновна здатність, що особливо яскраво проявляється в кислих водних розчинах, З киснем уран утворює оксиди U02, U3O8 і UO3, який в природних умовах без води зазвичай не зустрічається. З киснем він утворює солі уранілу (UO2) 2+, с. водою -гидратизированную форму уранілу [U(OH) 4]2+, з лугами — комплексний аніон (UO4) 4 — і аніон (U407) 2-. Природних сполук чотиривалентного урану має чорний, чорно-коричневий і червоно-бурий кольори і характеризують гіпогенні умови утворення мінералів або умови відновного середовища. З'єднання U6+ мають яскраві зеленуваті і жовті кольори і відносяться до області утворення вторинних уранових мінералів. У геохімії U6+, як стійкіший іон, має переважне значення. Його характерною особливістю є здатність розчинятися у присутності карбонатів амонія або лужних металів.

Радій відкритий в 1898 р. М. Склодовской-кюрі, в чистому вигляді виділений нею ж в 1910 р. Радій — дочірній продукт в сімействі ^23SU, м'який метал сріблястого кольору з щільністю 5 г/см3. Хімічні властивості радію близькі до властивостей барії, разом з якою він часто зустрічається в смільній руді, завжди двовалентний. При взаємодії з кислотами оксиди і гідрати оксидів радію і барії легко. утворюють відповідні солі, причому солі з аніонами CI -, Br -, J — і N03 — легкорозчинні, а солі з аніонами F -, SО42 -, CO3 — 2 і РО4-2 важкорозчинні у воді. Це обмежує міграційні можливості радію в поверхневих умовах, де часто панують сульфатні води. За наявності кислої реакції уран такими водами легко виноситься, а радій накопичується у вигляді сульфатів.

У природних умовах радій зустрічається переважно в розсіяному стані і із-за надзвичайно низького кларка (по А. П. Виноградову 10%) самостійних мінералів, як правило, не утворює. Відома лише невелика група неуранових мінералів з декілька підвищеної радіоактивністю, обумовленою радієм: радіокальцит (Ca, Ra) CО3, радіофлюорит (Ca, Ra) F3, радіобарит (Ba, Ra) S04, гокутолит (Ba, Pb, Ra) SО4 і деякі інші.

Торій відкритий в 1829 р. І. Берцелиусом в сиенитах Норвегії, в мінералі, названому пізніше торитом (ThSi04). Металевий торій виділений в 1898 р., в тому ж році встановлена його радіоактивність. Торій — м'який, сріблясто-білий метал щільністю 11,7 г/см3. Він в природі представлений практично єдиним ізотопом 232Th. Його кларк в 2,7 разу вище, ніж для урану (8-10-4 %). По величинах іонного радіусу (0,11 нм) і енергетичного коефіцієнта (ЭК=6,8) торій схожий з чотиривалентним ураном. Він завжди четырехвалентен, у поєднанні з іншими іонами дає один аніон (ThO4) 4-, тому з'єднання торія стійкі по відношенню до окислення, що різко відрізняє торій від урану, сприяє їх відокремленню при міграції. У магматичному процесі в умовах браку кисню Th4+ і U4+ мігрують разом, дають ряд уран-ториевых мінералів. У гідротермальних процесах уран частково переходить в шестивалентну форму, утворює власне уранові з'єднання і мігрує далі, ніж торій.

У природних умовах торій зустрічається у вигляді оксидів, на приклад, торіаніт (Th, U) O2, силікатів з іонами Th4+ (торує ThSiO4), силікатів з комплексами [ThO4]SiO4 і в інших формах, наприклад монацит GeLaTh(SiO4). Основна особливість природних з'єднань торія — дуже слабка їх розчинність. Завдяки високій здатності торія до ізоморфізму у більшості його мінералів є присутніми U, TR, Ti, Nb і інші елементи.

Калій, Фізико-хімічні властивості калію різко відмінні від властивостей інших радіоактивних елементів. Передусім калій поширений в природі в незрівнянно великих кількостях. Він відноситься до групи лужних металів, має порядковий номер 19, атомну масу 39,1 і питома вага 0,86 г/см3.

З найбільш поширених калійвмісних мінералів, що обумовлюють підвищену радіоактивність гірських порід, слід зазначити сильвин КСl, карналіт (КС1, MgCl2) 6Н2 O, калієву селітру KNO3, мікроклін і ортоклаз (К2ОА12 O3)[SiO2]6, біотит, мусковіт, глауконіт та ін. В глинистих мінералах значна частина калію є присутньою не у вигляді вільного іона, а поміщена в грати мінералів, де розташовується між її базальними площинами і фіксується завдяки її стискуванню. Інша частина калію адсорбована поглинаючим комплексом глин і міцно пов'язана з ним. Найсильніше калій фіксується в гідрослюді, особливо насичених Са2+ і Na2+. При вилуговуванні багато гідрослюди втрачають іони До+, проте процес де гідратації гідрослюди обернемо і при додаванні в розчини калію глинисті мінерали знову захоплюють його.