Уран (элемент)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Уран.

Уран(U)
Атомный номер	92
Внешний вид
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	238.0289 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	138 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f3 6d1 7s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	142 пм
Радиус иона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,38
Электродный потенциал	U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В
Степени окисления	6, 5, 4, 3
Термодинамические свойства
Плотность	19,05 г/см³
Удельная теплоёмкость	0,115 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	27,5 Вт/(м·K)
Температура плавления	1405,5 K
Теплота плавления	12,6 кДж/моль
Температура кипения	4018 K
Теплота испарения	417 кДж/моль
Молярный объём	12,5 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решётки	орторомбическая
Период решётки	2,850 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	n/a K

Уран — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса 238,029; обозначается символом U (лат. Uranium), относится к семейству актиноидов.

[править] История

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики.

Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом (Klaproth) при исследовании минерала настуран («урановая смолка»). Назван им в честь планеты Уран, открытой Уильямом Гершелем в 1781 году. В металлическом состоянии уран получен в 1841 французским химиком Эженом Пелиго при восстановлении UCl₄ металлическим калием. Радиоактивные свойства урана обнаружил в 1896 француз Анри Беккерель.

Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 году Д. И. Менделеев пршёл к выводу, что её надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г. Сиборг пршёл к выводу, что эти элементы (актиноиды) правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом № 89 актинием. Такое расположение связано с тем, что у актиноидов происходит достройка 5f-электронного подуровня.

[править] Нахождение в природе

Уран — характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Содержание в земной коре 2,5•10⁻⁴% по массе. В морской воде концентрация урана менее 10⁻⁹ г/л, всего в морской воде содержится от 10⁹ до 10¹⁰ тонн урана. В свободном виде уран в земной коре не встречается. Известно около 100 минералов урана, важнейшие из них настуран U₃O₈, уранинит (U, Th)O₂, урановая смоляная руда (содержит оксиды урана переменного состава) и тюямунит Ca[(UO₂)₂(VO₄)₂]•8H₂O.

[править] Изотопы

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: ²³⁸U — 99,2739 %, период полураспада T¹/₂ = 4,51×10⁹ лет, ²³⁵U — 0,7024 % (T¹/₂ = 7,13Ї10⁸ лет) и ²³⁴U — 0,0057 % (T¹/₂ = 2,48×10⁵ лет).

Известно 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240.

Наиболее долгоживущий — ²³³U (T¹/₂ = 1,62×10⁵лет) получается при облучении тория нейтронами.

Изотопы урана ²³⁸U и ²³⁵U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

[править] Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжелые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжелые минералы. Вторичные минералы элемента № 92 легче, в этом случае раньше оседает тяжелая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод элемента № 92 в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырехвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. И либо нужно прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит. Слишком много кислоты приходится тратить на их растворение, и в этих случаях лучше воспользоваться едким натром (гидроксидом натрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определенных условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов, в литре которых лишь десятые доли грамма элемента № 92.

После этих операций уран переводят в твердое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF₄. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, лития, редких земель. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Вот и приходится уже полученный технически чистый продукт ещё раз растворять — на этот раз в азотной кислоте. Уранилнитрат UO₂(NO₃)₂ при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO₄•2H₂O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трехокись урана UO₃, которую восстанавливают водородом до UO₂.

Это вещество — предпоследнее на пути от руды к металлу. При температуре от 430 до 600 °C оно реагирует с сухим фтористым водородом и превращается в тетрафторид UF₄. Именно из этого соединения обычно получают металлический уран. Получают с помощью кальция или магния обычным восстановлением.

[править] Физические свойства

Уран очень тяжелый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7 °C), бета (четырехугольная, стабильна от 667,7 до 774,8 °C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8 °C до точки плавления).

[править] Химические свойства

Химическая активность металлического урана высока. На воздухе он покрывается радужной пленкой оксида. Порошкообразный уран пирофорен, он самовозгорается при температуре 150—175 °C. При сгорании урана и термическом разложении многих его соединений на воздухе образуется оксид урана U₃O₈. Если этот оксид нагревать в атмосфере водорода при температуре выше 500 °C, образуется диоксид урана UO₂. При сплавлении оксидов урана с оксидами других металлов образуются уранаты: К₂UO₄ (уранат калия), СаUO₄ (уранат кальция), Na₂U₂O₇ (диуранат натрия).

Взаимодействуя с галогенами, уран дает галогениды урана. Известны фториды и хлориды, отвечающие степеням окисления урана +3, +4, +5 и +6. Получены бромиды урана UBr₃, UBr₄ и UBr₅, а также иодиды урана UI₃ и UI₄. Синтезированы оксигалогениды урана, такие, как UO₂Cl₂, UOCl₂ и другие.

При взаимодействии урана с водородом образуется гидрид урана UH₃, обладающий высокой химической активностью. При нагревании гидрид разлагается, образуя водород и порошкообразный уран.

При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана.

При спекании урана с бором возникают, в зависимости от молярного отношения реагентов и условий проведения процесса, бориды UB₂, UB₄ и UB₁₂.

С углеродом уран образует три карбида UC, U₂C₃ и UC₂.

Взаимодействием урана с кремнием получены силициды U₃Si, U₃Si₂, USi, U₃Si₅, USi₂ и U₃Si₂. Получены нитриды (UN, UN₂, U₂N₃) и фосфиды урана (UP, U₃P₄, UP₂). С серой уран образует ряд сульфидов: U₃S₅, US, US₂, US₃ и U₂S₃.

Металлический уран растворяется в HCl и HNO₃, медленно реагирует с H₂SO₄ и H₃PO₄. Возникают соли, содержащие катион уранила UO₂²⁺.

В водных растворах существуют соединения урана в степенях окисления от +3 до +6. Ион U³⁺ в растворе неустойчив, ион U⁴⁺ стабилен в отсутствие воздуха. Катион UO²⁺ нестабилен и в растворе диспропорционирует на U⁴⁺ и UO₂²⁺. Ионы U³⁺ имеют характерную красную окраску, ионы U⁴⁺ — зеленую, ионы UO₂²⁺ — желтую.

В растворах наиболее устойчивы соединения урана в степени окисления +6. Все соединения урана в растворах склонны к гидролизу и комплексообразованию, наиболее сильно — катионы U⁴⁺ и UO₂²⁺.

[править] Применение

[править] Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (критическая масса около 48 кг). Выделение изотопа U²³⁵ из природного урана — сложная технологическая проблема, (см. разделение изотопов). Изотоп U²³⁸ способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией). В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом ²³⁸U может превращаться в ²³⁹Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233 искуственно получаемый в реакторах (посредством облучения тория-232 нейтронами и превращающегося в протактиний-233 и затем в уран-233) является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг). Уран-233 так же наиболее перспективное топливо для газофазных ядерных ракетных двигателей.

[править] Другие сферы применения

• Небольшая добавка урана придаёт красивый зеленовато-жёлтый оттенок стеклу[1].
• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).
• Сплавы железа и обедненного урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
• В начале ХХ века уранилнитрат широко применялся в качестве вирирующего агента для получения тонированных фотографических отпечатков.

[править] Обеднённый уран

После извлечения U-235 из природного урана, оставшийся материал носит название «обедненный уран», так как он обеднен 235-м изотопом. По некоторым данным в США хранится около 560 000 тонн обедненного гексафторида урана (UF₆). Обедненный уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счет удаления из него U-234. Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обедненный уран бесполезный продукт с низкой экономическое ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью: использование его для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолете «Боинг-747» содержится 1500 кг обедненного урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

[править] Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится тверже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана он равен 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закаленную урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони. Около 300 тонн обедненного урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолетов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Обедненный уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

[править] Физиологическое действие

В микроколичествах (10⁻⁵—10⁻⁸ %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезенка, почки, скелет, печень, легкие и бронхо-легочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10⁻⁷г.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

[править] Добыча урана в мире

10 стран ответственных за 94 % мировой добычи урана

Согласно «Красной книге по урану», выпущенной ОЭСР, в 2005 добыто 41250 тонн урана (в 2003 — 35492 тонны). Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения, которые потребляют в год 67 тыс. тонн урана. Это означает, что его производство обеспечивает лишь 60 % объёма его потребления (остальное извлекается из старых ядерных боеголовок).

Добыча по странам в тоннах по содержанию U на 2005—2006 гг.

[править] Добыча в России

На месторождении в Читинской области (около города Краснокаменск) добывается около 93 % российского урана. Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав корпорации «ТВЭЛ».

Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская область) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).

Полученные руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

[править] См. также

• Разделение изотопов
• Ядерное топливо

[править] Ссылки

• Уран на Webelements
• Уран в Популярной библиотеке химических элементов

На Викискладе есть раздел по теме
Уран (элемент)