Российские химики создали три новых соединения урана

Российские химики получили и описали три новых комплексных соединения урана. Все они — «родственники» тех, что сегодня применяются в ядерном топливном цикле, поэтому открытие может иметь заметное прикладное значение. Соответствующая статья опубликована в Dalton Transactions.

Уран — основное ядерное топливо, все еще играющее важную роль в снабжении человечества электричеством (лишь недавно совместная выработка возобновляемой энергетики превысила выработку АЭС). Чтоб получить уран из руды и поместить его в реактор, необходимо чем-то «прицельно» извлечь его из сравнительно бедной породы (богатых урановых руд практически нет). После отработки урана в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) реактора его также желательно выделить из сложного коктейля образовавшихся радиоактивных изотопов. А в случае если уран попадет в окружающую среду, его нужно суметь быстро локализовать и собрать из водоемов. Чтобы эффективно решить все эти задачи, необходимо изучать наиболее устойчивые соединения урана.

Тяжелые металлы вообще и уран в частности часто образуют комплексные соединения. Это значит, что в них атомы урана становятся центральными, а уже вокруг них группируются остальные частицы. В новой работе ученые получили одиночные кристаллы трех сложных комплексных соединений — гидрат изобутиратоуранилата натрия, изобутиратоуранилат цезия и изовалератоуранилат аммония.

Чтобы сделать это, химики вели испарение (при постоянной температуре) взвесей, содержащих компоненты этих соединений. Для точного описания строения кристаллов использовался рентгеноструктурный анализ. Этот метод основан на отражении и рассеивании рентгеновских лучей при прохождении через кристалл. При этом получается «рисунок», по которому можно определить расстояние между атомами и понять, из чего и как устроено вещество.

Во всех этих новых комплексных соединениях уран — центральный элемент, а остальные ионы могут заменяться. Например, в почве их место могут занять ионы гуминовых кислот, входящих в состав гумуса. А в рудах — ионы неорганических кислот. Однако во всех этих соединениях уран стоит «в центре» не один: рядом с ним находятся два атома кислорода. Втроем они формируют уранил-ион, который за счет положительного заряда может занимать место металлов в солях. В качестве второго компонента для таких солей ученые решили взять ионы карбоновых кислот. Конкретно химики работали с масляной (ее соли называются бутиратами) и валериановой (валераты) кислотами.

Многие уже существующие сочетания уранил-ионов и бутиратов или валератов имеют общее свойство. Их углеводородные цепи очень гибкие, что делает кристаллическую решетку соединений неустойчивой и позволяет легко ее деформировать. Поэтому в новой работе химики хотели синтезировать соединения с цепями той же длины (разновидности бутиратов и валератов), но с разветвленной структурой, чтобы проверить, помогут ли эти разветвления поддерживать более стабильную структуру в кристалле. В целом ряде случаев (например, при связывании урана в солях после отработки ядерного топлива) желательно иметь повышенную устойчивость соединений, исключающую высвобождение урана.

Однако выяснилось, что кристаллы новых соединений, даже несмотря на разветвленную структуру, трудно отнести к стабильным при нормальных условиях. Тем не менее в данном случае важен и отрицательный результат. Авторы исследования считают, что полученные ими новые сведения о химии урана не только продвинут вперед фундаментальную науку, но и могут иметь прикладное значение, например, в оценке стабильности соединений урана, возникающих в природе как до, так и после вовлечения этого металла в состав ядерного топлива.