Уран (элемент)

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

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

Содержание

История

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

Уран был открыт в 1789 немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом (Klaproth) при исследовании минерала настуран («урановая смолка»). Назван им в честь планеты Уран, открытой Уильямом Гершелем в 1781. 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 Д. И. Менделеев пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г.Сиборг пришел 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.

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.

Изотопы

Природный Уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U - 99,2739%, период полураспада T1/2 = 4,51Ї109 лет, 235U - 0,7024% (T1/2 = 7,13Ї108 лет) и 234U - 0,0057% (T1/2 = 2,48Ї105 лет).

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

Наиболее долгоживущий - 233U (T1/2 = 1,62Ї105лет) получается при облучении тория нейтронами.

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

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 еще 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 еще 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 еще 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.

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 объемно центрированной кубической структурой, существующей от 774.8 °C до точки плавления).

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+.

Применение

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, порожденные 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.

Другие сферы применения

  • Небольшая добавка урана придаёт красивый зеленовато-жёлтый оттенок стеклу.
  • 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.

Обеднённый уран

После извлечения U-235 из природного урана, оставшийся материал носит название «обедненный уран», так как он обеднен 235-ым 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 не 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. Еще этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение урана — в качестве сердечников для американских бронебойных снарядов. При сплавлении с 2% Mo или 0.75% Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °С металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °С 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 ее 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".

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.

Добыча урана в мире

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 % объема его потребления (остальное извлекается из старых ядерных боеголовок).

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

Страна 2005 год
Канада 11410
Австралия 9044
Казахстан 4020
Россия 3570
США 1249
Украина 920
Китай 920

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.

См. также

Ссылки


Периодическая система элементов
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home