Первое, что приходит на ум при упоминании этого химического элемента, – ядерная бомба и атомные станции. Уран используют ученые, энергетики, стеклодувы.
Что представляет собой
Уран – это химический элемент, занимающий ячейку 92 в периодической системе Д.Менделеева.
Относится к металлам семейства актиноидов (сюда же причислен плутоний). Радиоактивен, блестит подобно глянцевой стали.
По составу это смесь из трех изотопов: 234, 235, 238. Доля последнего – 99,3%. Он же (вместе с U 234) создает радиоактивность.
Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (жирным выделены природные изотопы):
| Массовое число | Период полураспада | Основной тип распада |
|---|---|---|
| 233 | 1,59⋅105 лет | α |
| 234 | 2,45⋅105 лет | α |
| 235 | 7,13⋅108 лет | α |
| 236 | 2,39⋅107 лет | α |
| 237 | 6,75 сут. | β− |
| 238 | 4,47⋅109 лет | α |
| 239 | 23,54 минуты | β− |
| 240 | 14 часов | β− |
Создано 11 искусственных изотопов.
Международное обозначение – U (Uranium).
История открытия
Человек начал использовать вещество еще до новой эры. Первой продукцией стала глазурь для керамики: разновалентные соединения урана создавали желтый, бурый, зеленый, черный цвет.
18 век
Систематическое изучение характеристик элемента началось в 18 веке:
- Немецкий естествоиспытатель Генрих Клапрот исследовал золотисто-желтый концентрат, извлеченный из местной смоляной руды. Полученное вещество окрестил ураном – в честь обнаруженной незадолго до этого новой планеты Солнечной системы.
- Через полвека француз Эжен Пелиго установил, что это не моновещество, а окисел. Он получил чистый металл и «взвесил» его.
- В1874 году Дмитрий Менделеев отвел новому элементу последнюю ячейку таблицы, «вычислив» атомный вес – 240 (вдвое больше принятого тогда).
Предвидение Менделеева подтвердил экспериментально немец Циммерман.
19-20 века
История изучения вещества на новом уровне продолжилась на границе 19-20 веков:
- Французский химик Анри Беккерель открыл лучи (позже названные его именем).
- Мария Кюри назвала этот феномен радиоактивностью.
- Анри Муассан (творец ювелирных муассанитов) создал пошаговую инструкцию по получению урана в форме металла.
- Великий Эрнест Резерфорд выявил виды излучения урановых фрагментов – альфа- и бета-лучи. Поль Вийар пополнил список гамма-лучами.
- Французско-немецкая команда – Фредерик Лиза Мейтнер, Жолио-Кюри, Отто Фриш – открыла феномен и формулу ядерной реакции.
Резерфорд первым начал экспериментировать с урановым материалом, пытаясь установить возраст горных пород.
Прорыв сотворили советские физики-теоретики Юлий Харитон и Яков Зельдович. Они доказали: незначительное обогащение урана изотопом 235 делает возможным процесс ядерного синтеза.
Нахождение в природе
Уран не относится к редким элементам.
Тонна земной коры содержит 3 грамма урана.
Локации нахождения вещества в природе:
- Осадочные породы, насыщенные органикой.
- Кислые кремнистые массивы.
- Ториевые, редкоземельные минералы.
Собственные образования вещества: урановые руды (настуран, или урановая смолка; уранинит, карнотит).
| Минерал | Основной состав минерала | Содержание урана, % |
|---|---|---|
| Уранинит | UO2, UO3 + ThO2, CeO2 | 65-74 |
| Карнотит | K2(UO2)2(VO4)2·2H2O | ~50 |
| Казолит | PbO2·UO3·SiO2·H2O | ~40 |
| Самарскит | (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6 | 3,15-14 |
| Браннерит | (U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15 | 40 |
| Тюямунит | CaO·2UO3·V2O5·nH2O | 50-60 |
| Цейнерит | Cu(UO2)2(AsO4)2·nH2O | 50-53 |
| Отенит | Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O | ~50 |
| Шрекингерит | Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O | 25 |
| Уранофан | CaO·UO2·2SiO2·6H2O | ~57 |
| Фергюсонит | (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4 | 0,2-8 |
| Торбернит | Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O | ~50 |
| Коффинит | U(SiO4)(OH)4 | ~50 |
В месторождениях урану сопутствуют кварц, молибденит, галенит, кальцит, другие минералы.
Месторождения
В литосфере вещество представлено массивами четырех видов.
Они рассредоточены по планете:
- Уранинитовые жилы. Богатый, но редкий вид. Ценность вещества повышается наличием радия. Канада, Заир, Чехия,Франция.
- Фосфатные руды, железоурановые сланцы. Швеция, Марокко, США, ЦАР, Ангола.
- Осадочные породы, богатые карнотитом (с ванадием в составе). США.
- Залежи ториево-урановой руды плюс золото,серебро, другие ценные компоненты минералов. Россия, Канада, Австралия, ЮАР.
В России главный поставщик сырья – Читинская область (93%).
Остальное дают рудники Курганской области и Бурятии.
Физико-химические характеристики
Чистый уран чуть мягче стали, пластичный, ковкий. Слабый парамагнетик. Структура кристаллической решетки вещества меняется при разных температурах.
Даже в обычных условиях металл химически активен:
- Быстро окисляясь, покрывается переливчатой оксидной пленкой.
- Измельченный до порошка спонтанно воспламеняется при 151°C.
- Разъедается водой: чем выше температура и мельче фракции, тем быстрее.
- Растворяется кислотами, устойчив к щелочам.
- Соли вещества распадаются на ярком свету либо под воздействием органики.
Энергичное встряхивание сосуда с урановой стружкой заставляет ее светиться. По этому признаку элемент легко отличить от других.
Химические свойства вещества также определяются валентностью.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Уран / Uranium (U), 92 |
| Атомная масса (молярная масса) |
238,02891(3) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Rn] 5f3 6d1 7s2 |
| Радиус атома | 138 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 142 пм |
| Радиус иона | (+6e) 80 (+4e) 97 пм |
| Электроотрицательность | 1,38 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В |
| Степени окисления | 6, 5, 4, 3 |
| Энергия ионизации (первый электрон) |
686,4(7,11) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 19,05 г/см³ |
| Температура плавления | 1405,5 K |
| Температура кипения | 4018 K |
| Уд. теплота плавления | 12,6 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 417 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 27,67 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 12,5 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | орторомбическая |
| Параметры решётки | a = 2,854 Å; b = 5,870 Å; c = 4,955 Å |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 27,5 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-61-1 |
Четырехвалентные образцы урана нестабильны, долго находясь на воздухе, становятся шестивалентными.
Главная характеристика урана – радиоактивность. Ее величина считается достоинством либо недостатком в зависимости от целей использования вещества.
Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.
| Степень окисления | Оксид | Гидроксид | Характер | Форма | Примечание |
|---|---|---|---|---|---|
| +3 | Не существует | Не существует | — | U3+, UH3 | Сильный восстановитель |
| +4 | UO2 | Не существует | Основный | UO2, галогениды | |
| +5 | Не существует | Не существует | — | Галогениды | В воде диспропорционирует |
| +6 | UO3 | UO2(OH)2 | Амфотерный | UO22+ (уранил), UO42- (уранат), U2O72- (диуранат) | Устойчив на воздухе и в воде |
Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены ниже в таблице.
| Неметалл | Условия | Продукт |
|---|---|---|
| F2 | +20 oC, бурно | UF6 |
| Cl2 | 180 oC для измельчённого 500—600 oC для компактного |
Смесь UCl4, UCl5, UCl6 |
| Br2 | 650 oC, спокойно | UBr4 |
| I2 | 350 oC, спокойно | UI3, UI4 |
| S | 250—300 oC спокойно 500 oC горит |
US2, U2S3 |
| Se | 250—300 oC спокойно 500 oC горит |
USe2, U2Se3 |
| N2 | 450—700 oC то же под давлением N 1300o |
U4N7 UN2 UN |
| P | 600—1000 oC | U3P4 |
| C | 800—1200 oC | UC, UC2 |
Технология получения
Микродозы урана в литосфере обусловили способ получения металлического вещества:
- Обогащение. Сырье измельчают, заливают водой. Тяжелые первичные минералы урана осаждаются первыми.
- Выщелачивание. На концентрат воздействуют серной кислотой либо щелочью. Из комплексных руд вещество выщелачивают продувкой при 150°C.
- Из полученного раствора выделяют уран – экстракцией либо ионообменом. Это многоступенчатая процедура.
- Для образования твердой формы вещества из него удаляют примеси. То есть технически чистое соединение вещества растворяют кислотой, кристаллизуют, прокаливают.
- На выходе образуется трехокись. Ее восстанавливают до диоксида водородом.
На него воздействуют обезвоженным фтористым водородом. Добавляют магний либо кальций, восстанавливают металлический уран.
Производство обеспечивает четыре пятых потребности – остальное достают из списанных ядерных боеприпасов.
Как используется
Сфера применения тяжелого металла зависит от его вида.
Обычный уран
Имеет специфичное и ограниченное применение:
- Главный потребитель вещества – атомная промышленность. Уран 235 – топливо в ядерных реакторах, начинка ядерных, термоядерных боеприпасов (как и плутоний).
Уран-233 исследуется как топливо будущего для ядерных ракетных двигателей.
- Мирная отрасль использования – геохимия. Вещество используют как маркер определения возраста минералов, горных пород и выяснения картины геологических процессов.
- Его применяют в нефтяной геологии при исследовании скважин.
Стекловары добавляют микродозы вещества, чтобы получить продукт с эффектом флуоресценции желто-зеленой гаммы.
Буроватый фон фотографий начала XX века – заслуга соединения урана уранилнитрата.
Обедненный уран
Гораздо популярнее обедненный уран.
«Обедненный уран» – это уран-238, из которого изъяли изотопы 234 и 235. Его радиоактивность вдвое меньше природного материала.
Ему нашлось применение в военном и гражданском сегменте:
- Сердечник бронебойных снарядов.
- Урановые сплавы – материал танковой брони, например, натовского танка «Абрамс».
- Балласт в ракетах, самолетах, яхтах.
- Компонент гироскопов, маховиков.
Вещество используют при бурении нефтяных скважин и для защиты от радиации.
Влияние на организм
Нанодозы вещества (максимум – стотысячные доли процента) зафиксированы во всех биологических организмах. У человека самые уязвимые места – почки, селезенка, кости, печень, бронхи, легкие.
Однако радиоактивный металл, его соединения (особенно в виде аэрозолей) токсичны:
- Организм поражается целиком до уровня клеток.
- Первыми страдают почки (в моче появляются белок и сахар).
- Угнетается деятельность ферментов.
Хроническая интоксикация влечет за собой сбои в нервной системе, кроветворении. Это недуг работников, занятых на добыче и переработке сырья.
Стоимость
Цена необогащенной окиси урана не превышает $100 за килограмм.
Загрузка...