Радіоактивні елементи

; атомний номер 92, атомна маса 238029; метал. Природний Уран складається із суміші трьох ізотопів: 238 U - 99,2739% з періодом напіврозпаду T ½ = 4,51·10 9 років, 235 U - 0,7024% (T ½ = 7,13·10 8 років) та 234 U - 0,0057% (T? = 2,48 · 10 5 років).

З 11 штучних радіоактивних ізотопів з масовими числами від 227 до 240 довгоживучий - 233 U (T ½ = 1,62 · 10 5 років); він виходить при нейтронному опроміненні торію. 238 U та 235 U є родоначальниками двох радіоактивних рядів.

Історична довідка.Уран відкритий в 1789 німецьким хіміком М. Г. Клапротом і названий ним на честь планети Уран, відкритої В. Гершелем в 1781. У металевому стані Уран отриманий в 1841 французьким хіміком Е. Пеліго при відновленні UCl 4 металевим калієм. Спочатку Уран приписували атомну масу 120, і тільки в 1871 Д. І. Менделєєв дійшов висновку, що цю величину треба подвоїти.

Довгий час уран представляв інтерес тільки для вузького кола хіміків і знаходив обмежене застосування для виробництва фарб та скла. З відкриттям явища радіоактивності Урана в 1896 році і радію в 1898 році почалася промислова переробка уранових руд з метою вилучення та використання радію в наукових дослідженнях та медицині. З 1942, після відкриття в 1939 явища поділу ядер, Уран став основним ядерним паливом.

Поширення Урану у природі.Уран - характерний елемент для гранітного шару та осадової оболонки земної кори. Середній вміст Урану в земній корі (кларк) 2,5 · 10 -4 % за масою, у кислих вивержених породах 3,5 · 10 -4 %, у глинах та сланцях 3,2 · 10 -4 %, в основних породах 5 · 10 -5%, в ультраосновних породах мантії 3 · 10 -7%. Уран енергійно мігрує у холодних та гарячих, нейтральних та лужних водах у формі простих та комплексних іонів, особливо у формі карбонатних комплексів. Важливу роль у геохімії Урану відіграють окислювально-відновні реакції, оскільки сполуки Урану, як правило, добре розчиняються у водах з окисним середовищем і погано розчиняються у водах із відновним середовищем (наприклад, сірководневих).

Відомо близько 100 мінералів Урану; промислове значення мають 12 їх. У результаті геологічної історії зміст Урана у земної корі зменшилося з допомогою радіоактивного розпаду; з цим процесом пов'язане накопичення у земній корі атомів Рb, He. Радіоактивний розпад Урану відіграє важливу роль в енергетиці земної кори, що є суттєвим джерелом глибинного тепла.

Фізичні властивості Урану.Уран за кольором нагадує сталь, легко піддається обробці. Має три алотропічні модифікації - α, β та γ з температурами фазових перетворень: α → β 668,8 °С, β → γ 772,2 °С; α-форма має ромбічну решітку (а = 2,8538 Å, b = 5.8662 Å, с = 4.9557 Å), β-форма - тетрагональну решітку (при 720 °С а = 10,759 Å, b = 5,656 Å), γ-форма об'ємноцентровані кубічні ґрати (при 850 °С а = 3,538 Å). Щільність Урану в -формі (25 ° С) 19,05 г/см 3 ; t пл 1132 ° С; t кіп 3818 ° С; теплопровідність (100-200 °С), 28,05 вт/(м·К), (200-400 °С) 29,72 вт/(м·К); питома теплоємність (25 ° С) 27,67 кдж / (кг К); питомий електроопір при кімнатній температурі близько 3·10 -7 ом·см, при 600 °С 5,5·10 -7 ом·см; має надпровідність при 0,68 До; слабкий парамагнетик, питома магнітна сприйнятливість за кімнатної температури 1,72·10 -6 .

Механічні властивості Урану залежать від його чистоти, режимів механічної та термічної обробки. Середнє значення модуля пружності для литого Уран 20,5 10 -2 Мн/м 2 ; межа міцності при розтягуванні за кімнатної температури 372-470 Мн/м 2 ; міцність підвищується після загартування з - і -фаз; середня твердість по Брінеллю 19,6-21,6 · 10 2 Мн/м 2 .

Опромінення потоком нейтронів (яке має місце в ядерному реакторі) змінює фізико-механічні властивості Урану: розвивається повзучість та підвищується крихкість, спостерігається деформація виробів, що змушує використовувати Уран у ядерних реакторах у вигляді різних уранових сплавів.

Уран – радіоактивний елемент. Ядра 235 U і 233 U діляться спонтанно, а також при захопленні як повільних (теплових), так і швидких нейтронів з ефективним перерізом поділу 508 10 -24 см 2 (508 барн) і 533 10 -24 см 2 (533 барн) відповідно. Ядра 238 U діляться при захопленні лише швидких нейтронів з енергією щонайменше 1 Мев; при захопленні повільних нейтронів 238 U перетворюється на 239 Рu, ядерні властивості якого близькі до 235 U. Критична маса Урану (93,5% 235 U) у водних розчинах становить менше 1 кг, для відкритої кулі - близько 50 кг, для кулі з відбивачем - 15-23 кг; критична маса 233 U- приблизно 1/3 критичної маси 235 U.

Хімічні властивості Урану.Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома Урану 7s 2 6d l 5f 3 . Уран відноситься до реакційноздатних металів, в сполуках виявляє ступеня окиснення +3, +4, + 5, +6, іноді +2; найбільш стійкі сполуки U(IV) та U(VI). На повітрі повільно окислюється з утворенням поверхні плівки оксиду (IV), яка захищає метал від подальшого окислення. У порошкоподібному стані Уран пірофорний та горить яскравим полум'ям. З киснем утворює оксид (IV) UO 2 , оксид (VI) UО 3 та велику кількість проміжних оксидів, найважливіший з яких U 3 O 8 . Ці проміжні оксиди властивостями близькі до UO 2 і UO 3 . При високих температурах UO 2 має широку область гомогенності від UO 1, 60 до UO 2,27 . З фтором при 500-600 °С утворює тетрафторид UF 4 (зелені голчасті кристали, малорозчинні у воді та кислотах) і гексафторид UF 6 (біла кристалічна речовина, що виганяється без плавлення при 56,4 °С); з сіркою - ряд сполук, у тому числі найбільше значення має US (ядерне пальне). При взаємодії Урану з воднем при 220 ° С виходить гідрид UH 3; з азотом при температурі від 450 до 700 °С і атмосферному тиску - нітрид U 4 N 7 при більш високому тиску азоту і тій же температурі можна отримати UN, U 2 N 3 і UN 2 ; з вуглецем при 750-800 °С - монокарбід UC, дикарбід UC 2 , а також U 2 С 3 ; з металами утворює метали різних типів. Уран повільно реагує з киплячою водою з утворенням UO 2 н Н 2 з водяною парою - в інтервалі температур 150-250 °С; розчиняється в соляній та азотній кислотах, слабо - у концентрованій плавиковій кислоті. Для U (VI) характерна освіта іона уранила UO 2 2+; солі уранілу пофарбовані в жовтий колір і добре розчиняються у воді та мінеральних кислотах; солі U (IV) забарвлені в зелений колір і менш розчинні; іон ураніл надзвичайно здатний до комплексоутворення у водних розчинах як з неорганічних, так і з органічних речовин; Найбільш важливі для технології карбонатні, сульфатні, фторидні, фосфатні та інші комплекси. Відомо велика кількість уранатів (солей не виділеної у чистому вигляді уранової кислоти), склад яких змінюється залежно від умов одержання; всі уранати мають низьку розчинність у воді.

Уран та його сполуки радіаційно та хімічно токсичні. Гранично допустима доза (ПДР) при професійному опроміненні 5 бер на рік.

Отримання Урану.Уран отримують з уранових руд, що містять 0,05-0,5% U. Руди практично не збагачуються, за винятком обмеженого способу радіометричного сортування, заснованого на γ-випромінюванні радію, завжди супутнього урану. В основному руди вилуговують розчинами сірчаної, іноді азотної кислот або розчинами соди з перекладом Урану в кислий розчин у вигляді UО 2 SO 4 або комплексних аніонів 4-, а в содовий розчин - у вигляді 4-. Для вилучення та концентрування Урану з розчинів і пульп, а також для очищення від домішок застосовують сорбцію на іонообмінних смолах та екстракцію органічних розчинників (трибутилфосфат, алкілфосфорні кислоти, аміни). Далі з розчинів додаванням лугу беруть в облогу уранати амонію або натрію або гідрооксид U(OH) 4 . Для отримання сполук високого ступеня чистоти технічні продукти розчиняють в азотній кислоті і піддають афінажним операціям очищення, кінцевими продуктами яких є UO 3 або U 3 8 ; ці оксиди при 650-800 °С відновлюються воднем або дисоційованим аміаком до UO 2 з подальшим переведенням його в UF 4 обробкою газоподібним фтористим воднем при 500-600 °С. UF 4 може бути отриманий також при осадженні кристалогідрату UF 4 ·nН 2 Про плавиковою кислотою з розчинів з подальшим зневодненням продукту при 450 °С в струмі водню. У промисловості основні способом отримання Уран з UF 4 є його кальцієтермічним або магнієтермічним відновленням з виходом Урану у вигляді злитків масою до 1,5 т. Зливки рафінуються у вакуумних печах.

Дуже важливим процесом у технології Урану є збагачення його ізотопом 235 U вище за природний вміст у рудах або виділення цього ізотопу в чистому вигляді, оскільки саме 235 U - основні ядерне пальне; здійснюється це методами газової термодифузії, відцентровими та іншими методами, заснованими на відмінності мас 238 U та 235 U; у процесах поділу Уран використовується у вигляді летючого гексафториду UF 6 . При отриманні Урану високого ступеня збагачення чи ізотопів враховуються критичні маси; найбільш зручний спосіб у цьому випадку – відновлення оксидів Урану кальцієм; шлак СаО, що утворюється при цьому, легко відокремлюється від Урану розчиненням у кислотах. Для отримання порошкового Урану, оксиду (IV), карбідів, нітридів та інших тугоплавких сполук застосовуються методи порошкової металургії.

Застосування Урану.Металевий Уран або його сполуки використовуються в основному як ядерне паливо в ядерних реакторах. Природна або малозбагачена суміш ізотопів Урану застосовується в стаціонарних реакторах атомних електростанцій, продукт високого ступеня збагачення - в ядерних силових установках або реакторах, що працюють на швидких нейтронах. 235 U є джерелом ядерної енергії у ядерній зброї. 238 U є джерелом вторинного ядерного пального - плутонію.

Уран в організмі.У мікрокількостях (10 -5 -10 -8 %) виявляється у тканинах рослин, тварин та людини. У золі рослин (при вмісті Урану у грунті близько 10 -4 %) його концентрація становить 1,5·10 -5 %. Найбільше Уран накопичується деякими грибами і водоростями (останні беруть активну участь у біогенної міграції Урану з ланцюга вода - водні рослини - риба - людина). В організм тварин і людини Уран надходить з їжею та водою до шлунково-кишкового тракту, з повітрям у дихальні шляхи, а також через шкірні покриви та слизові оболонки. З'єднання Уран всмоктуються в шлунково-кишковому тракті - близько 1% від кількості розчинних сполук, що надходить, і не більше 0,1% важкорозчинних; у легенях всмоктуються відповідно 50% та 20%. Уран розподіляється в організмі нерівномірно. Основне депо (місця відкладення та накопичення) - селезінка, нирки, скелет, печінка і, при вдиханні важкорозчинних сполук, - легкі та бронхолегеневі лімфатичні вузли. У крові Уран (у вигляді карбонатів та комплексів з білками) довго не циркулює. Вміст Уран в органах і тканинах тварин і людини не перевищує 10 -7 г/г. Так, кров великої рогатої худоби містить 1·10 -8 г/мл, печінку 8·10 -8 г/г, м'язи 4·10 -11 г/г, селезінка 9·10 8-8 г/г. Зміст Урану в органах людини становить: у печінці 6·10 -9 г/г, у легенях 6·10 -9 -9·10 -9 г/г, у селезінці 4,7·10 -7 г/г, у крові 4-10 -10 г/мл, у нирках 5,3·10 -9 (кірковий шар) і 1,3·10 -8 г/г (мозковий шар), у кістках 1·10 -9 г/г, кістковому мозку 1-Ю -8 г/г, у волоссі 1,3 · 10 -7 г/г. Уран, що міститься в кістковій тканині, зумовлює її постійне опромінення (період напіввиведення Урану зі скелета близько 300 діб). Найменші концентрації Урану - у головному мозку та серці (10 -10 г/г). Добове надходження Урану з їжею та рідинами - 1,9 · 10 -6 г, з повітрям - 7 · 10 -9 г. г, з калом - 1,4 · 10 -6 -1,8 · 10 -6 г, з волоссям - 2 · 10 -8 г.

За даними Міжнародної комісії з радіаційного захисту, середній вміст Урану в організмі людини 9 10 -5 р. Ця величина для різних районів може варіювати. Вважають, що Уран необхідний для нормальної життєдіяльності тварин і рослин.

Токсична дія Уран обумовлена ​​його хімічними властивостями і залежить від розчинності: більш токсичні урані та інші розчинні сполуки Урану. Отруєння Ураном та його сполуками можливі на підприємствах з видобутку та переробки уранової сировини та інших промислових об'єктів, де він використовується в технологічному процесі. При попаданні в організм Уран діє на всі органи та тканини, будучи загальноклітинною отрутою. Ознаки отруєння зумовлені переважною поразкою нирок (поява білка і цукру в сечі, наступна олігурія); уражаються також печінка та шлунково-кишковий тракт. Розрізняють гострі та хронічні отруєння; останні характеризуються поступовим розвитком та меншою вираженістю симптомів. При хронічній інтоксикації можливі порушення кровотворення, нервової системи та інших. Вважають, що молекулярний механізм дії Урану пов'язані з його здатністю придушувати активність ферментів.

Уран – сьома планета в Сонячній системі та третій за рахунком газовий гігант. Планета є третьою за величиною та четвертою за масою, а свою назву отримала на честь отця римського бога Сатурна.

Саме Уранудостоївся честі бути першою планетою, відкритою у сучасній історії. Однак насправді його початкове відкриття його як планети фактично не відбувалося. У 1781 році астроном Вільям Гершельпри спостереженні зірок у сузір'ї Близнюків, помітив деяких дископодібний об'єкт, що він спочатку записав у розряд комет, що й повідомив Королівське наукове співтовариство Англії. Однак пізніше самого Гершеля спантеличив той факт, що орбіта об'єкта виявилася практично круглою, а не еліптичною, як це буває у комет. І тільки коли це спостереження було підтверджено іншими астрономами, Гершель дійшов висновку, що насправді відкрив планету, а не комету, і відкриття нарешті здобуло широке визнання.

Після підтвердження даних про те, що виявлений об'єкт є планетою, Гершель отримав незвичайний привілей – дати їй свою назву. Не довго думаючи, астроном вибрав ім'я короля Англії Георга III і назвав планету Georgium Sidus, що означає «Зірка Георга». Проте назва так і не отримала наукового визнання та вчені, здебільшого,дійшли висновку, що краще дотримуватися певної традиції у назві планет Сонячної системи, а саме називати їх на честь давньоримських богів. Так Уран отримав свою сучасну назву.

В даний час єдиною планетарною місією, якій вдалося зібрати відомості про Уран, є Voyager 2.

Ця зустріч, яка відбулася в 1986 році, дозволила вченим отримати досить велику кількість даних про планету та зробити безліч відкриттів. Космічний корабель передав тисячі фотографій Урана, його супутників та кілець. Незважаючи на те, що багато фотографій планети не відобразили практично нічого, крім синьо-зеленого кольору, який можна було спостерігати і з наземних телескопів, інші зображення показали наявність десяти раніше невідомих супутників і двох нових кілець. На найближче майбутнє жодних нових місій до Урану не заплановано.

Через темно-синій колір Урану атмосферну модель планети виявилося скласти набагато складніше, ніж моделі того ж чи навіть . На щастя, знімки, отримані з космічного телескопа «Хаббл», дозволили отримати більш широку виставу. Більш сучасні технології візуалізації телескопа дали можливість отримати більш детальні знімки, ніж у Voyager 2. Так завдяки фотографіям «Хаббл» вдалося з'ясувати, що на Урані існують широтні смуги як і на інших газових гігантах. Крім того, швидкість вітрів на планеті може досягати понад 576 км/год.

Вважається, що причиною появи одноманітної атмосфери є склад її верхнього шару. Видимі шари хмар складаються в основному з метану, який поглинає ці довжини хвиль, що спостерігаються, відповідні червоному кольору. Таким чином, відбиті хвилі представлені у вигляді синього та зеленого кольорів.

Під цим зовнішнім шаром метану, атмосфера складається з приблизно 83% водню (H2) і 15% гелію, де є певна кількість метану і ацетилену. Подібний склад аналогічний іншим газовим гігантам Сонячної системи. Проте атмосфера Урана різко відрізняється іншому плані. У той час як у атмосфери у Юпітера та Сатурна в основному газоподібні, атмосфера Урану містить набагато більше льоду. Свідченням є екстремально низькі температури на поверхні. Враховуючи той факт, що температура атмосфери Урану досягає -224 °С, її можна назвати найхолоднішою з атмосфер у Сонячній системі. Крім того, наявні дані вказують на те, що така вкрай низька температура є практично навколо всієї поверхні Урану, навіть на тій стороні, яка не освітлюється Сонцем.

Уран, на думку планетологів, складається з двох шарів: ядра та мантії. Сучасні моделі дозволяють припустити, що ядро ​​в основному складається з каменю та льоду і приблизно в 55 разів перевищує масу. Мантія планети важить 8,01 х 10 ступенем 24 кг., або близько 13,4 мас Землі. Крім того, мантія складається з води, аміаку та інших летких елементів. Основною відмінністю мантії Урана від Юпітера та Сатурна є те, що вона крижана, хай і не в традиційному значенні цього слова. Справа в тому, що крига дуже гаряча і товста, а товщина мантії становить 5,111 км.

Що найдивовижніше у складі Урану і те, що відрізняє його від інших газових гігантів нашої зіркової системи, є те, що він не випромінює більше енергії, ніж отримує від Сонця. Враховуючи той факт, що навіть , який дуже близький за розміром до Урану, виробляє приблизно в 2,6 рази більше тепла, ніж отримує від Сонця, вчені сьогодні дуже заінтриговані в такій слабкій потужності енергії, що генерується Ураном. На даний момент існує два пояснення цього явища. Перша вказує на те, що Уран зазнав впливу об'ємного космічного об'єкта в минулому, що призвело до втрати більшої частини внутрішнього тепла планети (отриманої під час формування) у космічний простір. Друга теорія стверджує, що всередині планети існує бар'єр, який не дозволяє внутрішньому теплу планети вирватися на поверхню.

Орбіта та обертання Урану

Саме відкриття Урану дозволило вченим розширити радіус відомої Сонячної системи майже вдвічі. Це означає, що в середньому орбіта Урана складає близько 2,87 х 10 у 9 км. Причиною такої відстані є тривалість проходження сонячного випромінювання від Сонця до планети. Сонячному світлу необхідно близько двох годин і сорока хвилин, щоб досягти Урана, що майже в двадцять разів довше, ніж потрібно сонячному світлу для того, щоб досягти Землі. Величезна відстань впливає і на тривалість року на Урані, він триває майже 84 земні роки.

Ексцентриситет орбіти Урана становить 0.0473, що лише трохи менше, ніж у Юпітера - 0,0484. Цей фактор робить Уран четвертим із усіх планет Сонячної системи за показником кругової орбіти. Причиною такого невеликого ексцентриситету орбіти Урана є різниця між його перигелієм 2,74 х 10 ступенем 9 км і афелієм 3,01 х 109 км становить лише 2,71 х 10 ступенем 8 км.

Найцікавішим моментом у процесі обертання Урану є положення осі. Справа в тому, що вісь обертання для кожної планети, крім Урана, приблизно перпендикулярна до їх площини орбіти, проте вісь Урана нахилена майже на 98°, що фактично означає, що Уран обертається на боці. Результатом такого становища осі планети і те, що північний полюс Урана перебуває в Сонці половину планетарного року, іншу половину посідає південний полюс планети. Іншими словами, денний час на одній півкулі Урану триває 42 земні роки, а нічний, на іншій півкулі стільки ж. Причиною, через яку Уран «повернувся на бік», вчені знову ж таки називають зіткнення з величезним космічним тілом.

Враховуючи той факт, що найпопулярнішими з кілець у нашій Сонячній системі тривалий час залишалися кільця Сатурна, кільця Урана не вдавалося виявити аж до 1977 року. Однак причина не тільки в цьому, є ще дві причини такого пізнього виявлення: відстань планети від Землі та низька відбивна здатність самих кілець. У 1986 році космічний апарат Voyager 2 зміг визначити наявність у планети ще двох кілець, крім відомих на той час. 2005 року космічний телескоп «Хаббл» помітив ще два. На сьогоднішній день планетологам відомо 13 кілець Урану, найяскравішим з яких є кільце Епсілон.

Кільця Урану відрізняються від сатурніанських практично всім - від розмірів частинок до складу. По-перше, частинки, що становлять кільця Сатурна маленькі, трохи більше, ніж кілька метрів у діаметрі, тоді як кільця Урану містять безліч тіл до двадцяти метрів у діаметрі. По-друге, частки кілець Сатурна в основному складаються з льоду. Проте кільця Урану складаються з льоду і значного пилу і сміття.

Вільям Гершель відкрив Уран тільки 1781 року, оскільки планета була занадто тьмяна для того, щоб її могли помітити представники стародавніх цивілізацій. Сам Гершель спочатку вважав, що Уран - це комета, проте пізніше переглянув свою думку і наука підтвердила планетарний статус об'єкта. Так Уран став першою планетою, відкритою у сучасній історії. Оригінальна назва запропонована Гершелем була "Зірка Георга" - на честь короля Георга III, але наукова спільнота не прийняла його. Назва «Уран» була запропонована астрономом Йоганном Боді, на честь давньоримського бога Урана.
Уран робить оберт навколо своєї осі один раз за кожні 17 годин та 14 хвилин. Подібно до того, планета обертається в ретроградному напрямку, протилежному напрямку Землі та решті шести планет.
Вважається, що незвичайний нахил осі Урана могло спричинити грандіозне зіткнення з іншим космічним тілом. Теорія полягає в тому, що планета, розміри якої були імовірно з Землю різко зіткнулася з Ураном, що зрушило його вісь на 90 градусів.
Швидкість вітру на Урані може досягати 900 км на годину.
Маса Урану становить близько 14,5 разів мас Землі, що робить його найлегшим із чотирьох газових гігантів нашої Сонячної системи.
Уран часто згадується як «крижаний гігант». Крім водню та гелію у верхньому шарі (як у інших газових гігантів), Уран також має крижану мантію, що оточує його залізне ядро. Верхні шари атмосфери складаються з аміаку та кристалів крижаного метану, що дає Урану характерний блідо-блакитний колір.
Уран є другою найменш щільною планетою в Сонячній системі після Сатурна.

Історія

Ще в найдавніші часи (І-е століття до нашої ери) природна урана використовувалася для виготовлення жовтої глазурі.

Уран було відкрито 1789 німецьким хіміком Мартіном Генріхом Клапротом (Klaproth) щодо мінералу («уранова смолка»). Названий ним на честь , відкритої в 1781. У металевому стані уран отримано в 1841 французьким хіміком Еженом Пеліго при відновленні UCl 4 металевим калієм. урану виявив у 1896 француз. Спочатку урану приписували 116, але в 1871 дійшов висновку, що її треба подвоїти. Після відкриття елементів з атомними номерами від 90 до 103 американський хімік Г.Сіборг дійшов висновку, що ці елементи () правильніше розташовувати в періодичній системі в одній клітці з елементом № 89 . Таке розташування пов'язане з тим, що актиноїди мають добудову 5f-електронного підрівня.

Знаходження у природі

Уран - характерний елемент для гранітного шару та осадової оболонки земної кори. Вміст у земній корі 2,5 10 -4 % за масою. У морській воді концентрація урану менше 10 -9 г/л, всього в морській воді міститься від 109 до 1010 тонн урану. У вільному вигляді уран у земній корі не зустрічається. Відомо близько 100 мінералів урану, найважливіші з них U 3 O 8 , уранініт (U,Th)O 2 , уранова смоляна руда (містить оксиди урану змінного складу) і тюямуніт Ca[(UO 2) 2 (VO 4) 2 ] 8H 2 O.

Ізотопи

Природний Уран складається з суміші трьох ізотопів: 238 U - 99,2739%, період напіврозпаду T 1 / 2 = 4,51 10 9 років, 235 U - 0,7024% (T 1 / 2 = 7,13 10 8 років) і 234 U - 0,0057% (T1/2 = 2,48-10 5 років).

Відомо 11 штучних радіоактивних ізотопів із масовими числами від 227 до 240.

Найбільш довгоживучий - 233 U (T 1 / 2 = 1,62-10 5 років) виходить при опроміненні торію нейтронами.

Ізотопи урану 238 U та 235 U є родоначальниками двох радіоактивних рядів.

Отримання

Найперша стадія уранового виробництва – концентрування. Породу дроблять і змішують із водою. Важкі компоненти суспензії осаджуються швидше. Якщо порода містить первинні мінерали урану, вони осідають швидко: це важкі мінерали. Вторинні мінерали елемента № 92 легше, у разі раніше осідає важка порожня порода. (Втім, далеко не завжди вона справді порожня; в ній можуть бути багато корисних елементів, у тому числі й уран).

Наступна стадія - вилуговування концентратів, переведення елемента № 92 в розчин. Застосовують кислотне та лужне вилуговування. Перше - дешевше, оскільки для вилучення урану використовують . Але якщо у вихідній сировині, як, наприклад, в урановій смолкеУран знаходиться в чотиривалентному стані, то цей спосіб не застосовується: чотиривалентний уран в сірчаній кислоті практично не розчиняється. І або потрібно вдатися до лужного вилуговування, або заздалегідь окислювати уран до шестивалентного стану.

Не застосовують кислотне вилуговування і в тих випадках, якщо урановий концентрат містить або . Занадто багато кислоти доводиться витрачати з їхньої розчинення, й у випадках краще скористатися ( ).

Проблему вилуговування урану вирішує кисневе продування. У нагріту до 150 ° C суміш уранової руди з мінералами подають потік. При цьому із сірчистих мінералів утворюється , яка і вимиває уран.

На наступному етапі отриманого розчину потрібно вибірково виділити уран. Сучасні методи – і – дозволяють вирішити цю проблему.

Розчин містить не тільки уран, а й інші. Деякі з них у певних умовах поводяться так само, як уран: екстрагуються тими ж розчинниками, осідають на тих самих іонообмінних смолах, випадають в осад за тих же умов. Тому для селективного виділення урану доводиться використовувати багато окислювально-відновних реакцій, щоб на кожній стадії позбавлятися того чи іншого небажаного попутника. На сучасних іонообмінних смолах уран виділяється дуже селективно.

Методи іонного обміну та екстракціїхороші ще й тим, що дозволяють досить повно витягувати уран із бідних розчинів, у літрі яких лише десяті частки грама елемента № 92.

Після цих операцій уран переводять у твердий стан - один з оксидів або тетрафторид UF 4 . Але цей уран ще треба очистити від домішок із великим перерізом захоплення теплових нейтронів - , . Їх вміст у кінцевому продукті не повинен перевищувати стотисячних та мільйонних часток відсотка. Ось і доводиться вже отриманий технічно чистий продукт ще раз розчиняти - цього разу. Уранілнітрат UO 2 (NO 3) 2 при екстракції трибутилфосфатом і деякими іншими речовинами додатково очищається до потрібних кондицій. Потім цю речовину кристалізують (або беруть в облогу пероксид UO 4 ·2H 2 O) і починають обережно прожарювати. В результаті цієї операції утворюється триокис урану UO 3 відновлюють до UO 2 .

Ця речовина - передостаннє по дорозі від руди до металу. При температурі від 430 до 600 °C воно реагує із сухим фтористим воднем і перетворюється на тетрафторид UF 4 . Саме з цього з'єднання зазвичай одержують металевий уран. Отримують за допомогою або звичайним.

Фізичні властивості

Уран дуже важкий, сріблясто-білий глянсуватий метал. У чистому вигляді він трохи м'якший за стали, ковкий, гнучкий, має невеликі парамагнітні властивості. Уран має три алотропні форми: альфа (призматична, стабільна до 667.7 °C), бета (чотирикутна, стабільна від 667.7 до 774.8 °C), гама (з об'ємно центрованою кубічною структурою, що існує від 774.8 °C до точки плавлення).

Хімічні властивості

Хімічна активність металевого урану висока. На повітрі він покривається райдужною плівкою. Порошкоподібний уран він самозаймається при температурі 150-175 °C. При згорянні урану та термічному розкладанні багатьох його сполук на повітрі утворюється оксид урану U 3 O 8 . Якщо цей оксид нагрівати в атмосфері за температури вище 500 °C, утворюється UO 2 . При сплавленні оксидів урану з оксидами інших металів утворюються уранати: До 2 UO 4 (уранат калію), СаUO 4 (уранат кальцію), Na 2 U 2 O 7 (діуранат натрію).

Застосування

Ядерне паливо

Найбільше застосування має урану 235 U, в якому можлива самопідтримка. Тому цей ізотоп використовується як паливо, а також (критична маса близько 48 кг). Виділення ізотопу U 235 із природного урану - складна технологічна проблема, (див. ). Ізотоп U 238 здатний ділитися під впливом бомбардування високоенергетичними нейтронами, цю його особливість використовують збільшення потужності (використовуються нейтрони, породжені термоядерної реакцією). В результаті захоплення нейтрону з наступним β-розпадом 238 U може перетворюватися на 239 який потім використовується як ядерне паливо.

Уран-233 штучно одержуваний в реакторах (за допомогою опромінення нейтронами і перетворюється на і потім на уран-233) є ядерним паливом для атомних електростанцій і виробництва атомних бомб (критична маса близько 16 кг). Уран-233 також найбільш перспективне паливо для газофазних ядерних ракетних двигунів.

Інші сфери застосування

• Невелика добавка урану надає красивого зеленувато-жовтого відтінку склу.
• Карбід урану-235 у сплаві з карбідом ніобію та карбідом цирконію застосовується як паливо для ядерних реактивних двигунів (робоче тіло - водень+гексан).
• Сплави заліза та збідненого урану (уран-238) застосовуються як потужні магнітострикційні матеріали.
• На початку ХХ ст. уранілнітратшироко застосовувався як віруючий агент для отримання тонованих фотографічних відбитків.

Збіднений уран

Після вилучення U-235 з природного урану, матеріал, що залишився, носить назву «збіднений уран», оскільки він збіднений 235-им ізотопом. За деякими даними, у США зберігається близько 560 000 тонн збідненого гексафториду урану (UF 6). Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно з допомогою видалення з нього U-234. Через те, що основне використання урану - виробництво енергії, збіднений уран - марний продукт з низькою економічною цінністю.

В основному його використання пов'язане з великою щільністю урану і відносно низькою вартістю: використання його для радіаційного захисту (як це не дивно) і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. У кожному літаку міститься 1500 кг збідненого урану з цією метою. Ще цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах, при бурінні нафтових свердловин.

Сердечники бронебійних снарядів

Найвідоміше застосування урану - як осердя для американських. При сплавленні з 2% або 0.75% і термічній обробці (швидке загартування розігрітого до 850 ° С металу у воді або маслі, подальше витримування при 450 ° С 5 годин) металевий уран стає твердішим і міцнішим (міцність на розрив більше 1600 МПа, при тому , Що у чистого урану він дорівнює 450 МПа). У поєднанні з великою щільністю, це робить загартовану уранову болванку надзвичайно ефективним засобом для пробивання броні, аналогічним за ефективністю дорожчого. Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил уранової болванки та займанням її на повітрі з іншого боку броні. Близько 300 тонн збідненого урану залишилися на полі бою під час операції «Буря в Пустелі» (переважно це залишки снарядів 30-мм гармати GAU-8 штурмових літаків A-10, кожен снаряд містить 272 г уранового сплаву).

Такі снаряди були використані військами НАТО у бойових діях на території Югославії. Після їхнього застосування обговорювалася екологічна проблема радіаційного забруднення території країни.

Збіднений уран використовують у сучасної танкової броні, наприклад, танка .

Фізіологічна дія

У мікрокількостях (10 -5 -10 -8 %) виявляється у тканинах рослин, тварин та людини. Найбільшою мірою накопичується деякими грибами та водоростями. З'єднання урану всмоктуються у шлунково-кишковому тракті (близько 1%), у легенях – 50%. Основні депо в організмі: селезінка, та бронхо-легеневі. Вміст в органах та тканинах людини та тварин не перевищує 10 -7 р.

Уран та його сполуки токсичні. Особливо небезпечні аерозолі урану та його сполук. Для аерозолів розчинних у воді сполук урану ГДК у повітрі 0,015 мг/м 3 для нерозчинних форм урану 0,075 мг/м 3 . При попаданні в організм уран діє на всі органи, будучи загальноклітинною отрутою. Молекулярний механізм дії урану пов'язаний з його здатністю пригнічувати активність. Насамперед уражаються (з'являються білок і цукор у сечі, ). При хронічній можливі порушення кровотворення та нервової системи.

Видобуток урану у світі

Згідно з «Червоною книгою з урану», випущеною в 2005 видобуто 41250 тонн урану (у 2003 - 35492 тонни). За даними ОЕСР, у світі функціонує 440 комерційних призначень, які споживають на рік 67 тис. тонн урану. Це означає, що його виробництво забезпечує лише 60% обсягу його споживання (решта витягується зі старих ядерних боєголовок).

Видобуток країнами в тоннах за змістом U на 2005-2006 гг.

Видобуток у Росії

Інші 7% отримують методом підземного вилуговування ЗАТ «Далур» () та ВАТ «Хіагда» ().

Отримані руди та урановий концентрат переробляються на Чепецькому механічному заводі.

Див. також

Посилання

Уран (U) - елемент з атомним номером 92 та атомною вагою 238,029. Є радіоактивним хімічним елементом III групи періодичної системи Дмитра Івановича Менделєєва, що відноситься до сімейства актиноїдів. Уран - дуже важкий (в 2,5 рази важчий заліза, більш ніж в 1,5 рази важчий за свинець), сріблясто-білий глянсуватий метал. У чистому вигляді він трохи м'якший за стали, ковкий, гнучкий, має невеликі парамагнітні властивості.

Природний уран складається із суміші трьох ізотопів: 238U (99,274%) з періодом напіврозпаду 4,51∙109 років; 235U (0,702%) з періодом напіврозпаду 7,13∙108 років; 234U (0,006%) із періодом напіврозпаду 2,48∙105 років. Останній ізотоп не є первинним, а радіогенним, він входить до складу радіоактивного ряду 238U. Ізотопи урану 238U та 235U є родоначальниками двох радіоактивних рядів. Кінцевими елементами цих рядів є ізотопи свинцю 206Pb та 207Pb.

В даний час відомо 23 штучних радіоактивних ізотопів урану з масовими числами від 217 до 242. "Довгожителем" серед них є 233U з періодом напіврозпаду 1,62 105 років. Він виходить у результаті нейтронного опромінення торію, здатний до поділу під впливом теплових нейтронів.

Уран відкритий 1789 року німецьким хіміком Мартіном Генріхом Клапротом в результаті його дослідів з мінералом настуран — «уранова смолка». Назву новий елемент отримав на честь нещодавно відкритої (1781) Вільямом Гершелем планети - Уран. Наступні півстоліття отримана Клапротом речовина вважалася металом, проте 1841 року це спростував французький хімік Ежен Мелькіор Пеліго, який довів окисну природу урану (UO2), отриманого німецьким хіміком. Самому Пеліго вдалося отримати металевий уран при відновленні UCl4 металевим калієм, а також визначити атомну вагу нового елемента. Наступним у розвитку знань про урані та його властивості був Д. І. Менделєєв — у 1874 році, спираючись на розроблену ним теорію про періодизацію хімічних елементів, він помістив уран у найдальшій клітині своєї таблиці. Визначена раніше Пеліго атомна вага урану (120) російський хімік подвоїв, вірність таких припущень була підтверджена через дванадцять років дослідами німецького хіміка Циммермана.

Протягом багатьох десятиліть уран представляв інтерес лише для вузького кола хіміків і дослідників природи, застосування його також було обмежене - виробництво скла і фарб. Тільки з відкриттям радіоактивності цього металу (1896 року Анрі Беккерелем) почалася промислова переробка уранових руд з 1898 року. Набагато пізніше (1939) було відкрито явище поділу ядер, і з 1942 року уран став основним ядерним паливом.

Найважливіша властивість урану полягає в тому, що ядра деяких його ізотопів здатні до поділу під час захоплення нейтронів, в результаті такого процесу виділяється величезна кількість енергії. Ця властивість елемента № 92 використовується в ядерних реакторах, що є джерелами енергії, а також лежить в основі дії атомної бомби. Уран використовують у геології для визначення віку мінералів та гірських порід з метою з'ясування послідовності перебігу геологічних процесів (геохронологія). У зв'язку з тим, що гірські породи містять різні концентрації урану, вони мають різну радіоактивність. Ця властивість використовується при виділенні гірських порід геофізичними методами. Найбільш широко цей метод застосовується у нафтовій геології при геофізичних дослідженнях свердловин. Сполуки урану застосовувалися як фарби для живопису за порцеляною та для керамічних глазурів та емалей (фарбують у кольори: жовтий, бурий, зелений та чорний, залежно від ступеня окислення), наприклад, уранат натрію Na2U2O7 використовувався як жовтий пігмент у живописі.

Біологічні властивості

Уран досить поширений елемент у біологічному середовищі, концентраторами цього металу вважаються деякі види грибів та водоростей, які входять до ланцюжка біологічного круговороту урану в природі за схемою: вода – водні рослини – риба – людина. Таким чином, з їжею і водою уран потрапляє в організм людини і тварин, а точніше в шлунково-кишковий тракт, де всмоктується близько відсотка від легкорозчинних сполук, що надійшли, і не більше 0,1 % важкорозчинних. У дихальні шляхи та легені, а також у слизові оболонки та шкірні покриви цей елемент потрапляє з повітрям. У дихальних шляхах, особливо легких засвоєння відбувається набагато інтенсивніше: легкорозчинні сполуки всмоктуються на 50 %, а труднорастворимые на 20 %. Таким чином, уран виявляється в невеликих кількостях (10-5 - 10-8%) у тканинах тварин та людини. У рослинах (у сухому залишку) концентрація урану залежить від його вмісту у ґрунті, так при ґрунтовій концентрації 10-4 % у рослині міститься 1,5∙10-5 % і менше. Розподіл урану по тканинах і органах нерівномірно, основні місця скупчення - це кісткові тканини (скелет), печінка, селезінка, нирки, а також легкі та бронхо-легеневі лімфатичні вузли (при попаданні в легені з'єднань, що важко розчиняються). З крові уран (карбонати та комплекси з білками) досить швидко виводиться. У середньому вміст 92-го елемента в органах та тканинах тварин та людини становить 10-7 %. Наприклад, крові великорогатої худоби міститься 1∙10-8 г/мл урану, у людській крові 4∙10-10 г/г. Печінка ВРХ містить 8∙10-8 г/г, у людини у тому ж органі 6∙10-9 г/г; селезінка ВРХ містить 9∙10-8 г/г, у людини – 4,7∙10-7 г/г. У м'язових тканинах худоби накопичується до 4∙10-11 г/г. Крім того, в людському організмі уран міститься в легенях у межах 6∙10-9 - 9∙10-9 г/г; у нирках 5,3∙10-9 г/г (кірковий шар) та 1,3∙10-8 г/г (мозковий шар); у кістковій тканині 1∙10-9 г/г; у кістковому мозку 1∙10-8 г/г; у волоссі 1,3∙10-7 г/р. Уран, що знаходиться в кістках, зумовлює постійне опромінення кісткової тканини (період повного виведення урану зі скелета 600 діб). Найменше цього металу в головному мозку та серці (близько 10-10 г/г). Як говорилося раніше основні шляхи надходження урану в організм - вода, їжа та повітря. Добова доза металу, що надходить в організм, з їжею і рідинами становить 1,9∙10-6 г, з повітрям - 7∙10-9 г. Проте, щодобу уран виводиться з організму: із сечею від 0,5∙10-7 г до 5∙10-7 г; з калом від 1,4∙10-6 г до 1,8∙10-6 г. Втрати з волоссям, нігтями та відмерлими лусочками шкіри - 2∙10-8 г.

Вчені припускають, що уран у мізерних кількостях необхідний нормального функціонування організму людини, тварин і рослин. Однак його роль у фізіології досі не з'ясовано. Встановлено, що середній вміст 92-го елемента в організмі людини становить близько 9∙10-5 г (Міжнародна комісія з радіаційного захисту). Щоправда, ця цифра дещо коливається для різних районів та територій.

Незважаючи на свою поки що не відому, але певну біологічну роль у живих організмах, уран залишається одним із найнебезпечніших елементів. Насамперед це проявляється у токсичному дії даного металу, що з його хімічними властивостями, зокрема від розчинності сполук. Так, наприклад, більш токсичні розчинні сполуки (ураніл та інші). Найчастіше отруєння ураном та його сполуками відбуваються на збагачувальних фабриках, підприємствах з видобутку та переробки уранової сировини та інших виробничих об'єктах, де уран бере участь у технологічних процесах.

Проникаючи в організм, уран вражає всі органи та їх тканини, адже дія відбувається на рівні клітини: він пригнічує активність ферментів. Спочатку уражаються нирки, що проявляється в різкому збільшенні цукру та білка в сечі, згодом розвивається олігурія. Поразка піддається ШКТ і печінка. Отруєння ураном поділяються на гострі та хронічні, причому останні розвиваються поступово і можуть протікати безсимптомно або зі слабко вираженими проявами. Однак хронічні отруєння призводять до порушень кровотворення, нервової системи та інших серйозних порушень здоров'я.

У тонні гранітної породи міститься приблизно 25 г урану. Енергія, здатна виділитися при згорянні в реакторі цих 25 грам, можна порівняти з енергією, що виділяється при згорянні 125 тонн кам'яного вугілля в топках потужних теплових котлів! Виходячи з цих даних, можна припустити, що в недалекому майбутньому граніт вважатимуть одним із видів мінерального палива. Загалом у відносно тонкому двадцятикілометровому поверхневому шарі земної кори міститься приблизно 1014 тонн урану, при переведенні в енергетичний еквівалент виходить просто колосальна цифра — 2,36.1024 кіловат-годин. Навіть усі разом узяті розроблені, розвідані та передбачувані родовища горючих копалин не здатні дати і мільйонної частки цієї енергії!

Відомо, що уранові сплави, піддані термічній обробці, відрізняються великими межами плинності, повзучості і підвищеною стійкістю корозійної, меншою схильністю до формозміни виробів при коливаннях температури і під впливом опромінення. Виходячи з цих принципів, на початку XX століття і до тридцятих років уран у вигляді карбіду застосовували у виробництві інструментальних сталей. Крім того, він йшов на заміну вольфраму в деяких сплавах, що було дешевшим і доступнішим. У виробництві ферорурану частка U становила до 30%. Правда в другій третині XX століття таке застосування урану зійшло нанівець.

Як відомо, у надрах нашої Землі йде постійний процес розпаду ізотопів урну. Так от, вченими було підраховано, що миттєве вивільнення енергії всієї маси цього металу, укладеного в земну оболонку, розігріло б нашу планету до температури в кілька тисяч градусів! Однак таке явище, на щастя, неможливе – адже виділення тепла йде поступово – у міру того, як ядра урану та його похідних проходять низку радіоактивних тривалих перетворень. Про тривалість таких перетворень можна судити за періодами напіврозпадів природних ізотопів урану, наприклад, для 235U він дорівнює 7108 років, а для 238U - 4,51109 років. Проте уранове тепло значно підігріває Землю. Якби у всій масі Землі було б стільки ж урану, як у верхньому двадцятикілометровому шарі, то температура на планеті була б значно вищою, ніж зараз. Однак при просуванні до центру Землі концентрація урану знижується.

У ядерних реакторах відпрацьовується лише незначна частина завантаженого урану, пов'язано це із зашлаковуванням палива продуктами розподілу: 235U вигоряє, ланцюгова реакція поступово згасає. Однак ТВЕЛи, як і раніше, заповнені ядерним пальним, яке необхідно знову вжити. Для цього старі тепловиділяючі елементи демонтують і відправляють на переробку - їх розчиняють у кислотах, а уран вилучають з розчину, що вийшов, методом екстракції, уламки поділу, яких потрібно позбутися, залишаються в розчині. Таким чином, виходить, що уранова промисловість є практично безвідходним хімічним виробництвом!

Заводи з розподілу ізотопів урану займають територію в кілька десятків гектарів, приблизно такого ж порядку і площа пористих перегородок у каскадах заводу. Це пов'язано зі складністю дифузійного методу поділу ізотопів урану - адже для того, щоб підвищити концентрацію 235U від 0,72 до 99 % необхідно кілька тисяч дифузійних щаблів!

Ураново-свинцевим методом геологам вдалося дізнатися про вік найдавніших мінералів, при дослідженні метеоритних порід вдалося визначити приблизну дату зародження нашої планети. Завдяки «урановому годиннику» визначили вік місячного ґрунту. Що цікаво, виявилося, що вже протягом 3 млрд років на Місяці немає вулканічної діяльності та природний супутник Землі залишається пасивним тілом. Адже навіть наймолодші шматки місячної речовини прожили термін більший за вік найдавніших земних мінералів.

Історія

Використання урану почалося дуже давно - ще в I столітті до нашої ери природний окис урану використовувався для виготовлення жовтої глазурі, що використовується при фарбуванні кераміки.

У час вивчення урану відбувалося поступово - кількома етапами, з безперервним наростанням. Початком послужило відкриття цього елемента в 1789 німецьким натурфілософом і хіміком Мартіном Генріхом Клапротом, який відновив видобуту з саксонської смоляної руди («уранова смолка») золотисто-жовту «землю» до чорної металоподібної речовини (оксид ура). Назва була дана на честь найдальшої з відомих на той час планет - Урана, яку у свою чергу відкрив у 1781 році Вільям Гершель. На цьому перший етап у вивченні нового елемента (Клапрот був упевнений у тому, що він відкрив новий метал) закінчується, настає перерва на понад п'ятдесят років.

1840 можна вважати початком нової віхи в історії вивчення урану. Саме з цього року проблемою отримання металевого урану зайнявся молодий хімік із Франції Ежен Мелькіор Пеліго (1811-1890), незабаром (1841) йому це вдалося – металевий уран був отриманий за відновлення UCl4 металевим калієм. Крім того, він довів, що відкритий Клапротом уран насправді лише його оксид. Також француз визначив ймовірну атомну вагу нового елемента - 120. Потім знову настає тривала перерва у вивченні властивостей урану.

Лише у 1874 році з'являються нові припущення про природу урану: Дмитро Іванович Менделєєв, слідуючи розробленій ним теорії про періодизацію хімічних елементів, знаходить місце новому металу у своїй таблиці, розміщуючи уран в останній клітці. Крім того, Менделєєв збільшує раніше передбачувану атомну вагу урану в двоє, не помилившись і в тому, що підтвердили досліди німецького хіміка Циммермана через 12 років.

З 1896 року відкриття в галузі вивчення властивостей урану «посипалися» одна за одною: у згаданому вище році зовсім випадково (при дослідженні фосфоресценції кристалів уранілсульфату калію) 43-річний професор фізики Антуан Анрі Беккерель відкриває «Промені Беккереля», згодом . У тому ж році Анрі Муассан (знову хімік із Франції) розробляє спосіб отримання чистого металевого урану.

У 1899 році Ернестом Резерфордом було виявлено неоднорідність випромінювання уранових препаратів. З'ясувалося, що є два види випромінювання - альфа-і бета-промені, різні за своїми властивостями: вони несуть різний електричний заряд, мають різну довжину пробігу в речовині та їх іонізуюча здатність також різна. Роком пізніше було виявлено і гамма-промені Полем Війаром.

Ернест Резерфорд та Фредерік Содді спільно розробили теорію радіоактивності урану. На основі цієї теорії в 1907 році Резерфорд зробив перші досліди щодо визначення віку мінералів при вивченні радіоактивних урану і торію. У 1913 році Ф. Содді ввів поняття про ізотопи (від давньо-грецької з - «рівний», «однаковий», і топос - «місце»). У 1920 році цей учений припустив, що ізотопи можна використовувати для визначення геологічного віку гірських порід. Його припущення виявилися вірними: в 1939 р. Альфред Oтто Карл Нір створив перші рівняння для розрахунку віку і застосував мас-спектрометр для поділу ізотопів.

В 1934 Енріко Фермі провів ряд дослідів з бомбардування хімічних елементів нейтронами - частинками, відкритими Дж. Чедвіком в 1932 році. В результаті цієї операції в урані з'являлися невідомі раніше радіоактивні речовини. Фермі та інші вчені, які брали участь у його дослідах, припустили, що їм удалося відкрити трансуранові елементи. Протягом чотирьох років були спроби виявлення трансуранових елементів серед продуктів нейтронного обстрілу. Закінчилося все в 1938 році, коли німецькі хіміки Отто Ган і Фріц Штрассман встановили, що, захоплюючи вільний нейтрон, ядро ​​ізотопу урану 235U ділиться, при цьому виділяється (в розрахунку на одне ядро ​​урану) досить велика енергія, в основному, за рахунок уламків та випромінювання. Просунуться далі, німецьким хімікам не вдалося. Обґрунтувати їхню теорію змогли Ліза Мейтнер та Отто Фріш. Це відкриття було початком використання внутрішньоатомної енергії, як у мирних, і у військових цілях.

Знаходження у природі

Середній вміст урану в земній корі (кларк) 3∙10-4 % по масі, це, що його більше надрах землі, ніж срібла, ртуті, вісмуту. Уран характерний елемент для гранітного шару та осадової оболонки земної кори. Так, у тонні граніту — близько 25 грамів елемента № 92. Загалом у відносно тонкому, двадцятикілометровому верхньому шарі Землі укладено понад 1000 тонн урану. У кислих вивержених породах 3,5 10-4 %, в глинах і сланцях 3,2 10-4 %, особливо збагачених органікою, в основних породах 5 10-5 %, в ультраосновних породах мантії 3 10-7 % .

Уран енергійно мігрує у холодних та гарячих, нейтральних та лужних водах у вигляді простих та комплексних іонів, особливо у формі карбонатних комплексів. Важливу роль у геохімії урану відіграють окислювально-відновні реакції, все тому, що сполуки урану, як правило, добре розчиняються у водах з окисним середовищем і погано розчиняються у водах із відновним середовищем (сірководнях).

Відомо більше сотні мінеральних руд урану, вони різні за хімічним складом, походженням, концентрацією урану, з усього різноманіття лише дюжина становить практичний інтерес. Основними представниками урану, що мають найбільше промислове значення, в природі можна вважати оксиди - уранініт та його різновиди (настуран та уранова чернь), а також силікати - кофініт, титанати - давидит та браннерит; водні фосфати та арсенати уранила - уранові слюдки.

Уранініт - UO2 присутній переважно у стародавніх - докембрійських породах у вигляді чітких кристалічних форм. Уранініт утворює ізоморфні ряди з торіанітом ThO2 та іттро-церіанітом (Y,Ce)O2. Крім того, всі уранініти містять продукти радіогенного розпаду урану та торію: K, Po, He, Ac, Pb, а також Ca та Zn. Власне уранініт - високотемпературний мінерал, характерний для гранітних та сенієтових пегматитів в асоціації зі складними ніобо-тантало-титанатами урану (колумбіт, пірохлор, самарскіт та інші), цирконом, монацитом. Крім того, уранініт зустрічається в гідротермальних, скарнових та осадових породах. Великі родовища уранініту відомі у Канаді, Африці, Сполучених Штатах Америки, Франції та Австралії.

Настуран (U3O8), він же уранова смолка або смоляна обманка, що утворює крихокристалічні коломорфні агрегати - вулканогенний і гідротермальний мінерал, представлений в палеозойських і молодших високо-і середньотемпературних утвореннях. Постійні супутники настурану - сульфіди, арсеніди, самородні вісмут, миш'як та срібло, карбонати та деякі інші елементи. Ці руди дуже багаті на уран, але вкрай рідко зустрічаються, найчастіше у супроводі радію, це легко зрозуміло: радій є прямим продуктом ізотопного розпаду урану.

Уранові черні (пухкі землісті агрегати) представлені в основному в молодих - кайнозойських і молодших утвореннях, характерні для гідротермальних сульфідно-уранових та осадових родовищ.

Також уран вилучається у вигляді побічного продукту з руд, що містять менше 0,1%, наприклад золотоносних конгломератів.

Основні родовища уранових руд розташовані в США (Колорадо, Північна та Південна Дакота), Канаді (провінції Онтаріо та Саскачеван), ПАР (Вітватерсранд), Франції (Центральний масив), Австралії (Північна територія) та багатьох інших країнах. У Росії її основним урановорудным регіоном є Забайкалля. На родовищі Читинської області (біля міста Краснокаменськ) видобувається близько 93 % російського урану.

Застосування

Сучасна атомна енергетика просто немислима без елемента № 92 та його властивостей. Хоча ще нещодавно — до пуску першого ядерного реактора уранові руди видобувалися переважно для вилучення з них радію. Невеликі кількості уранових сполук використовували в деяких барвниках та каталізаторах. По суті, уран вважався елементом, який не має майже жодного промислового значення, і як кардинально змінилася ситуація після відкриття здатності ізотопів урану до поділу! Цей метал миттєво набув статусу стратегічної сировини № 1.

В наш час основна сфера застосування металевого урану, як і його сполук - паливо для ядерних реакторів. Так у стаціонарних реакторах АЕС застосовується малозбагачена (природна) суміш ізотопів урану, а в силових ядерних установках та в реакторах на швидких нейтронах використовується уран високого ступеня збагачення.

Найбільше застосування має ізотоп урану 235U, адже в ньому можлива ланцюгова ядерна реакція, що самопідтримується, що не характерно для інших ізотопів урану. Завдяки цій властивості 235U використовується як паливо в ядерних реакторах, а також в ядерній зброї. Однак виділення ізотопу 235U з природного урану - складна та дорога технологічна проблема.

Найпоширеніший у природі ізотоп урану 238U може ділитися, якщо його бомбардують високоенергетичними нейтронами. Таку властивість даного ізотопу використовують для збільшення потужності термоядерної зброї – використовуються нейтрони, породжені термоядерною реакцією. Крім того, з ізотопу 238U отримують ізотоп плутонію 239Pu, який також може використовуватися в ядерних реакторах і в атомній бомбі.

Останнім часом велике застосування знаходить штучно одержуваний в реакторах ізотоп торію урану 233U, його отримують, опромінюючи в нейтронному потоці ядерного реактора торій:

23290Th + 10n → 23390Th -(β–)→ 23391Pa –(β–)→ 23392U

233U ділиться тепловими нейтронами, крім того, в реакторах з 233U може відбуватися розширене відтворення ядерного палива. Так при вигорінні в торієвому реакторі кілограма 233U в ньому ж має накопичитися 1,1 кг нового 233U (внаслідок захоплення нейтронів ядрами торію). У найближчому майбутньому уран-торієвий цикл у реакторах на теплових нейтронах - головний конкурент уран-плутонієвого циклу відтворення ядерного пального в реакторах на швидких нейтронах. Вже зараз існують і працюють реактори, які використовують цей нуклід як паливо (KAMINI в Індії). 233U також є найперспективнішим паливом для газофазних ядерних ракетних двигунів.

Інші штучні ізотопи урану не відіграють помітної ролі.

Після того, як з природного урану витягують «потрібні» ізотопи 234U і 235U, сировина (238U), що залишилася, носить назву «збіднений уран», він вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, в основному за рахунок видалення з нього 234U. Так як основне використання урану - виробництво енергії, тому збіднений уран - малокорисний продукт з низькою економічною цінністю. Однак через свою низьку ціну, а також велику щільність і надзвичайно високий переріз захоплення він використовується для радіаційного захисту, і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. Крім того, збіднений уран застосовується як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах; у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках при бурінні нафтових свердловин.

Однак найвідоміше застосування збідненого урану - це використання його у військових цілях - як осердя для бронебійних снарядів та сучасної танкової броні, наприклад, танка M-1 «Абрамс».

Менш відомі області застосування урану переважно пов'язані з його сполуками. Так мала добавка урану надає красиву жовто-зелену флуоресценцію склу, деякі сполуки урану світлочутливі, тому уранілнітрат широко застосовувався для посилення негативів та фарбування (тонування) позитивів (фотографічних відбитків) у бурий колір.

Карбід 235U у сплаві з карбідом ніобію та карбідом цирконію застосовується як паливо для ядерних реактивних двигунів. Сплави заліза та збідненого урану (238U) застосовуються як потужні магнітострикційні матеріали. Уранат натрію Na2U2O7 використовувався як жовтий пігмент у живописі, раніше сполуки урану застосовувалися як фарби для живопису за порцеляною та для керамічних глазурів та емалей (фарбують у кольори: жовтий, бурий, зелений та чорний, залежно від ступеня окислення).

Виробництво

Уран одержують із уранових руд, які значно різняться за низкою ознак (за умовами освіти, за «контрастністю», за вмістом корисних домішок та ін.), основною з яких є процентний вміст урану. Відповідно до цієї ознаки розрізняють п'ять сортів руд: дуже багаті (містять понад 1% урану); багаті (1-0,5%); середні (0,5-0,25%); рядові (0,25-0,1%) та бідні (менше 0,1%). Однак навіть з руд, що містять 0,01-0,015% урану, цей метал витягується як побічний продукт.

За роки освоєння уранової сировини розроблено чимало способів виділення урану із руд. Це пов'язано і зі стратегічним значенням урану в деяких сферах, і з різноманітністю його природних проявів. Однак, незважаючи на всю різноманітність методів і сировинної бази, будь-яке уранове виробництво складається з трьох стадій: попереднє концентрування уранової руди; вилуговування урану та отримання досить чистих сполук урану осадженням, екстракцією або іонним обміном. Далі залежно від призначення одержуваного урану, слід збагачення продукту ізотопом 235U або відразу відновлення елементарного урану.

Отже, спочатку відбувається концентрування руди – порода подрібнюється та заливається водою. При цьому важчі елементи суміші осаджуються швидше. У породах, що містять первинні мінерали урану, відбувається їхнє швидке осадження, оскільки вони дуже важкі. При концентруванні руд, що містять вторинні мінерали урану, відбувається осадження порожньої породи, яка набагато важча вторинних мінералів, але може містити дуже корисні елементи.

Уранові руди майже не збагачуються, винятком є ​​органічний спосіб радіометричного сортування, заснованого на γ-випромінюванні радію, завжди супутнього урану.

Наступна стадія в урановому виробництві - це вилуговування, таким чином відбувається перехід урану в розчин. В основному руди вилуговують розчинами сірчаної, іноді азотної кислот або розчинами соди з переведенням урану в кислий розчин у вигляді UO2SO4 або комплексних аніонів, а в содовий розчин - у вигляді 4-комплексного аніону. Метод, при якому застосовується сірчана кислота - дешевше, проте, він не завжди застосовується - якщо сировина містить чотиривалентний уран (уранова смолка), який не розчиняється у сірчаній кислоті. У таких випадках використовують лужне вилуговування або окислюють чотиривалентний уран до шестивалентного стану. Використання каустичної соди (їдкого натру) доцільно при вилуговуванні руди, що містить магнезит або доломіт, на розчинення яких потрібно занадто багато кислоти.

Після стадії вилуговування розчин містить не тільки уран, але й інші елементи, які так само, як і уран екстрагуються тими ж органічними розчинниками, осідають на тих же іонообмінних смолах, випадають в осад за тих же умов. У такій ситуації для селективного виділення урану доводиться використовувати багато окислювально-відновних реакцій, щоб на різних стадіях виключати небажаний елемент. Одна з переваг методів іонного обміну та екстракції – досить повно витягується уран із бідних розчинів.

Після всіх перерахованих операцій уран переводять у твердий стан - в один із оксидів або в тетрафторид UF4. Такий уран містить домішки з великим перерізом захоплення теплових нейтронів – літій, бор, кадмій, рідкісноземельні метали. У кінцевому продукті їх вміст не повинен перевищувати стотисячних та мільйонних часток відсотка! Для цього знову уран розчиняється цього разу вже в азотній кислоті. Уранілнітрат UO2(NO3)2 при екстракції трибутилфосфатом і деякими іншими речовинами додатково очищається до потрібних кондицій. Потім цю речовину кристалізують (або беруть в облогу) і починають обережно прожарювати. В результаті цієї операції утворюється триокис урану UO3, який відновлюють воднем до UO2. При температурі від 430 до 600° C окис урану реагує із сухим фтористим воднем і перетворюється на тетрафторид UF4. Вже з цієї сполуки зазвичай одержують металевий уран за допомогою кальцію або магнію звичайним відновленням.

Фізичні властивості

Металевий уран дуже важкий, він важчий заліза в два з половиною рази, а свинцю - у півтора! Це один із найважчих елементів, які зберігаються в надрах Землі. Своїм сріблясто-білим кольором та блиском уран нагадує сталь. Чистий метал пластичний, м'який, має високу щільність, але водночас легко піддається обробці. Уран електропозитивний, має незначні парамагнітні властивості - питома магнітна сприйнятливість при кімнатній температурі 1,72·10 -6 , має малу електропровідність, але високу реакційну здатність. Цей елемент має три алотропічні модифікації: α, β та γ. α-форма має ромбічну кристалічну решітку з наступними параметрами: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, с = 4б9557 Å. Ця форма стабільна в температурному коридорі від кімнатних температур до 667,7 ° C. Щільність урану в -формі при температурі 25 ° C становить 19,05 ±0,2 г/см 3 . β-форма має тетрагональну кристалічну решітку, стабільна в інтервалі температур від 667,7 ° C до 774,8 ° C. Параметри чотирикутної решітки: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-форма з об'ємно-центрованою кубічною структурою, стабільна від 774,8 ° C до точки плавлення (1132 ° C).

Побачити всі три фази можна у процесі відновлення урану. Для цього використовується спеціальний апарат, який є сталевою безшовною трубою, яка футерується оксидом кальцію, це необхідно, щоб сталь труби не взаємодіяла з ураном. В апарат завантажують суміш тетрафториду урану і магнію (або кальцію), після чого нагрівають до 600° C. При досягненні цієї температури включають електричний запал, миттєво протікає екзотермічна реакція відновлення, причому завантажена суміш повністю плавиться. Рідкий уран (температура 1132 ° C) за рахунок своєї ваги повністю опускається на дно. Після повного осадження урану на дно апарата починається охолодження, уран кристалізується, його атоми вишиковуються в строгому порядку, утворюючи кубічні грати - це і є γ-фаза. Наступний перехід відбувається при 774° C - кристалічна решітка остигаючого металу стає тетрагональною, що відповідає β-фазі. Коли температура зливка падає до 668 ° C, атоми знову перебудовують свої ряди, розташовуючи хвилі в паралельних шарах - α-фаза. Далі жодних змін не відбувається.

Основні параметри урану завжди відносяться до α-фази. Температура плавлення (tпл) 1132° С, температура кипіння урану (tкіп) 3818° С. Питома теплоємність при кімнатній температурі 27,67 кдж/(кгК) або 6,612 кал/(г°С). Питомий електричний опір при температурі 25° приблизно 3·10 -7 ом·см, а вже при 600° С 5,5·10 -7 ом·см. Теплопровідність урану також змінюється в залежності від температури: так в інтервалі 100-200 ° С вона дорівнює 28,05 вт / (м · К) або 0,067 кал / (см · сек · ° С), а при підвищенні до 400 ° С збільшується до 29,72 вт/(м·К) 0,071 кал/(см·сек·° С). Уран має надпровідність при 0,68 К. Середня твердість по Брінеллю 19,6 - 21,6·10 2 Мн/м 2 або 200-220 кгс/мм 2 .

Багато механічних властивостей 92-го елемента залежать від його чистоти, від режимів термічної та механічної обробки. Так для литого урану межа міцності при розтягуванні при кімнатній температурі 372-470 Мн/м 2 або 38-48 кгс/мм 2 середнє значення модуля пружності 20,5·10 -2 Мн/м2 або 20,9·10 -3 кгс/мм 2 . Міцність урану підвищується після загартування з - і -фаз.

Опромінення урану потоком нейтронів, взаємодія з водою, що охолоджує паливні елементи з металевого урану, інші фактори роботи в потужних реакторах на теплових нейтронах - все це призводить до змін фізико-механічних властивостей урану: метал стає крихким, розвивається повзучість, відбувається деформація виробів з металевого урану . З цієї причини в ядерних реакторах використовуються уранові сплави, наприклад, з молібденом, такий сплав стійкий до дії води, зміцнює метал, зберігаючи високотемпературні кубічні грати.

Хімічні властивості

У хімічному плані уран дуже активний метал. На повітрі він окислюється з утворенням на поверхні плівки райдужної двоокису UO2, яка не оберігає метал від подальшого окислення, як це відбувається з титаном, цирконієм і рядом інших металів. З киснем уран утворює двоокис UO2, триокис UO3 і велику кількість проміжних оксидів, найважливішим з яких є U3O8, за властивостями ці оксиди подібні до UO2 і UO3. У порошкоподібному стані уран пірофорен і може спалахнути при незначному нагріванні (150 ° C і вище), горіння супроводжується яскравим полум'ям, у результаті утворюється U3O8. При температурі 500-600 °C уран взаємодіє з фтором з утворенням малорозчинних у воді та кислотах голчастої форми кристалів зеленого кольору - тетрафториду урану UF4, а також UF6 - гексафториду (білі кристали, що виганяються без плавлення при температурі 56,4 °C). UF4, UF6 – приклади взаємодії урану з галогенами з утворенням галогенідів урану. Уран легко з'єднується з сіркою, утворюючи ряд сполук, у тому числі найбільше значення має US - ядерне пальне. З воднем уран взаємодіє при 220 °C з утворенням гідриду UH3, який дуже хімічно активний. При подальшому нагріванні UH3 розкладається на водень та порошкоподібний уран. Взаємодія з азотом відбувається при вищих температурах - від 450 до 700 ° C і атмосферному тиску виходить нітрид U4N7, з підвищенням тиску азоту при тих же температурах можна отримати UN, U2N3 та UN2. За більш високих температур (750-800 °C) уран взаємодіє з вуглецем з утворенням монокарбіду UC, дикарбіду UC2, а також U2C3. Уран взаємодіє з водою з утворенням UO2 та H2, причому з холодною водою повільніше, а з гарячою активніше. Крім того, реакція протікає з водяною парою при температурах від 150 до 250 °C. Цей метал розчиняється в соляній HCl та азотній HNO3 кислотах, менш активно у сильно концентрованій плавиковій кислоті, повільно реагує із сірчаною H2SO4 та ортофосфорною H3PO4 кислотами. Продуктами реакцій із кислотами є чотиривалентні солі урану. З неорганічних кислот та солей деяких металів (золото, платина, мідь, срібло, олово та ртуть) уран здатний витісняти водень. З лугами уран не взаємодіє.

У сполуках уран здатний виявляти такі ступеня окиснення: +3, +4, +5, +6, іноді +2. U3+ у природних умовах не існує і може бути отриманий лише у лабораторії. Сполуки пятивалентного урану здебільшого не стійкі і досить легко розкладаються на з'єднання чотирьох і шестивалентного урану, які є найбільш стійкими. Для шестивалентного урану характерно утворення іону уранила UO22+, солі якого забарвлені у жовтий колір і добре розчиняються у воді та мінеральних кислотах. Прикладом сполук шестивалентного урану може бути триоксид урану або урановий ангідрид UO3 (помаранчевий порошок), що має характер амфотерного оксиду. При розчиненні якого у кислотах утворюються солі, наприклад, уранілхлорид урану UO2Cl2. При дії лугів на розчини солей уранілу виходять солі уранової кислоти H2UO4 - уранати та двоуранової кислоти H2U2O7 - діуранати, наприклад, уранат натрію Na2UO4 та діуранат натрію Na2U2O7. Солі чотиривалентного урану (тетрахлорид урану UCl4) пофарбовані в зелений колір і менш розчинні. При тривалому знаходженні на повітрі сполуки, що містять чотиривалентний уран, зазвичай нестабільні і звертаються в шестивалентні. Уранілові солі, такі як уранілхлорид, розпадаються в присутності яскравого світла або органіки.

УРАН (назвою на честь відкритої незадовго до нього планети Уран; лат. uranium * а. uranium; н. Uran; ф. uranium; і. uranio), U, — радіоактивний хімічний елемент III групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 92, атомна маса 238,0289, відноситься до актиноїдів. Природний уран складається з суміші трьох ізотопів: 238 U (99,282%, Т 1/2 4,468.10 9 років), 235 U (0,712%, Т 1/2 0,704.10 9 років), 234 U (0,006%, 1 років). Відомо також 11 штучних радіоактивних ізотопів урану з масовими числами від 227 до 240. 238 U і 235 U - родоначальники двох природних рядів розпаду, в результаті якого вони перетворюються на стабільні ізотопи 206 Pb і 207 Pb відповідно.

Уран відкритий у 1789 у вигляді UO 2 німецьким хіміком М. Г. Клапротом. Металевий уран отримано 1841 французьким хіміком Еге. Пеліго. Тривалий час уран мав дуже обмежене застосування, і лише з відкриттям у 1896 р. радіоактивності почалося його вивчення та використання.

Властивості урану

У вільному стані уран є метал світло-сірого кольору; нижче 667,7°С для нього характерна ромбічна (а=0,28538 нм, b=0,58662 нм, с=0,49557 нм) кристалічні грати (а-модифікація), в інтервалі температур 667,7-774°С - Тетрагональна (а = 1,0759 нм, с = 0,5656 нм; Я-модифікація), при вищій температурі - об'ємноцентровані кубічні грати (а = 0,3538 нм, g-модифікація). Щільність 18700 кг/м 3 , t плавлення 1135°С, t кипіння близько 3818°С, молярна теплоємність 27,66 Дж/(моль.К), питомий електричний опір 29,0.10 -4 (Ом.м), теплопровідність 22, 5 Вт/(м.К), температурний коефіцієнт лінійного розширення 10,7.10 -6 -1 . Температура переходу урану в надпровідний стан 0,68 К; слабкий парамагнетик, питома магнітна сприйнятливість 1,72.10-6. Ядра 235 U і 233 U діляться спонтанно, а також при захопленні повільних та швидких нейтронів, 238 U ділиться тільки при захопленні швидких (більше 1 МеВ) нейтронів. При захопленні повільних нейтронів 238 U перетворюється на 239 Pu. Критична маса урану (93,5% 235U) у водних розчинах менше 1 кг для відкритої кулі близько 50 кг; для 233 U критичного Маса становить приблизно 1/3 від критичної маси 235 U.

Освіта та зміст у природі

Основний споживач урану – ядерна енергетика (ядерні реактори, ядерні силові установки). Крім того, уран застосовується для ядерної зброї. Всі інші сфери використання урану мають різко підпорядковане значення.