Уран – полезные свойства, особенности и угроза металла

Первое, что приходит на ум при упоминании этого химического элемента, – ядерная бомба и атомные станции. Уран используют ученые, энергетики, стеклодувы.

Уран

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.

Схема деления 235U
Схема деления 235U

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.
Урановая руда
Урановая руда

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:

  1. Уранинитовые жилы. Богатый, но редкий вид. Ценность вещества повышается наличием радия. Канада, Заир, Чехия,Франция.
  2. Фосфатные руды, железоурановые сланцы. Швеция, Марокко, США, ЦАР, Ангола.
  3. Осадочные породы, богатые карнотитом (с ванадием в составе). США.
  4. 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:

  1. Обогащение. Сырье измельчают, заливают водой. Тяжелые первичные минералы урана осаждаются первыми.
  2. Выщелачивание. На концентрат воздействуют серной кислотой либо щелочью. Из комплексных руд вещество выщелачивают продувкой при 150°C.
  3. Из полученного раствора выделяют уран – экстракцией либо ионообменом. Это многоступенчатая процедура.
  4. Для образования твердой формы вещества из него удаляют примеси. То есть технически чистое соединение вещества растворяют кислотой, кристаллизуют, прокаливают.
  5. 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.

Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл - уран
Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл – уран

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.

Сердечник (вкладыш) снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана
Сердечник (вкладыш) снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана

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.

Проверить совместимость мужчины и женщины по Знаку Зодиака

Знак Зодиака мужчины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы

Знак Зодиака женщины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы


Рейтинг автора
Автор статьи
Петрова Вероника Александровна
Мне 36 и я специалист в области минералогии. Сейчас я в декрете и всё свободное время посвящаю самоцветам. В этом блоге я делюсь информацией про камни и их свойства — присоединяйтесь, задавайте вопросы и пишите комментарии!
Написано статей
451
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: