Zpět na seznam prvků
 |
Oxidy uranu(VI) neboli „žlutý koláč“ jsou mezistupněm při zpracování uranových rud. |
Uran
| Atomové číslo: | 92 | Atomový poloměr: | 240 pm (Van der Waals) |
| Atomová značka: | U | Teplota tání: | 1133 °C |
| Atomová hmotnost: | 238 | Teplota varu: | 4131 °C |
| Elektronová konfigurace: | 7s25f36d1 | Oxidační stavy: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Historie
Používání uranu v jeho přírodní formě oxidu se datuje do roku 79 n. l., kdy se používal jako žluté barvivo do keramických glazur. Žluté sklo s 1% obsahem oxidu uranu bylo nalezeno ve starořímské vile poblíž Neapole v Itálii. V pozdním středověku se smolinec získával ze stříbrných dolů a používal se jako barvivo ve sklářství. Identifikace uranu jako prvku je obecně připisována Martinu H. Klaprothovi. Při pokusech se smolincem v roce 1789 dospěl k závěru, že obsahuje nový prvek, který pojmenoval podle nově objevené planety Uran (pojmenované podle řeckého boha oblohy nebo nebe). To, co Klaproth ve skutečnosti identifikoval, nebyl čistý prvek, ale oxid uranu. Čistý kov poprvé izoloval v roce 1841 Eugène-Melchior Péligot, který redukoval bezvodý tetrachlorid uranu kovovým draslíkem.
V roce 1896 Antoine H. Becquerel zjistil, že uran vykazuje neviditelné světlo nebo paprsky; šlo o radioaktivitu. V roce 1934 výzkum Enrica Fermiho a dalších nakonec vedl k využití štěpení uranu v první jaderné zbrani použité ve válce a později k mírovému využití uranu jako paliva při výrobě jaderné energie. Následné závody ve zbrojení během studené války mezi Spojenými státy a Sovětským svazem vyprodukovaly desítky tisíc jaderných zbraní, které využívaly kovový uran a plutonium-239 odvozené od uranu. Bezpečnost těchto zbraní a jejich štěpného materiálu po rozpadu Sovětského svazu v roce 1991 představuje trvalý problém.
V roce 1972 objevil francouzský fyzik Francis Perrin v ložiscích uranové rudy v dole Oklo v západoafrickém Gabonu starobylé a již neaktivní prehistorické přírodní štěpné reaktory, souhrnně nazývané fosilní reaktory Oklo. Ložisko rudy je staré 1,7 miliardy let; v té době tvořil uran-235 asi 3 % celkového uranu na Zemi (dnes 0,72 %). To je dostatečně vysoká hodnota na to, aby mohla probíhat trvalá řetězová štěpná jaderná reakce, pokud existují další podpůrné geologické podmínky.
Izotopy
Uran je slabě radioaktivní, protože všechny přirozeně se vyskytující (nebo primordiální) izotopy uranu (238U, 235U a 234U) jsou nestabilní a jejich poločasy rozpadu se pohybují mezi 159 200 lety a 4,5 miliardami let. Je známo 27 izotopů uranu o atomových hmotnostech 217-219, 222-240 a 242 s poločasem rozpadu od miliard let po několik nanosekund. Přirozeně se vyskytující uran se skládá ze tří hlavních izotopů: 238U (99,28% zastoupení), 235U (0,71 %) a 234U (0,0054 %). (Americké ministerstvo energetiky přijalo hodnotu 0,711 jako oficiální procentuální zastoupení 235U v přírodním uranu). Všechny tři izotopy jsou radioaktivní, s malou pravděpodobností podléhají spontánnímu štěpení, ale přednostně se rozpadají emisí alfa. Poločas rozpadu uranu-238 je přibližně 4,47 miliardy let a uranu-235 704 milionů let, což je činí užitečnými při datování stáří Země. To také naznačuje, že polovina uranu, který existoval od vzniku Země, se rozpadla na jiné radioaktivní prvky a nakonec na stabilní prvky. Předpokládá se, že velká část vnitřního tepla Země pochází z rozpadu radioizotopů uranu a thoria.
Uran-238 je zářičem částic α (příležitostně podléhá spontánnímu štěpení), rozpadá se prostřednictvím „uranové řady“ jaderného rozpadu, která má 18 členů, z nichž všechny se nakonec rozpadají na olovo-206, a to různými cestami rozpadu. Rozpadová řada 235U, která se nazývá aktiniová řada, má 15 členů, které se nakonec všechny rozpadají na olovo-207. Díky konstantním rychlostem rozpadu v těchto rozpadových řadách je porovnání poměrů mateřských a dceřiných prvků užitečné při radiometrickém datování. Uran-234 je členem „uranové řady“ a rozpadá se na olovo-206 prostřednictvím řady relativně krátce žijících izotopů. Uran-233 vzniká z thoria-232 bombardováním neutrony, obvykle v jaderném reaktoru, a 233U je rovněž štěpný. Jeho rozpadová řada končí thaliem-205.
Zdroje
Uran je nejtěžší přirozeně se vyskytující prvek dostupný ve velkém množství. Těžší „transuranové“ prvky jsou buď vyrobeny člověkem, nebo se vyskytují pouze ve stopových množstvích v ložiscích uranových rud jako produkty aktivace. Uran se přirozeně vyskytuje v nízkých koncentracích několika částic na milion v půdě, horninách a vodě a komerčně se získává z uranonosných minerálů. Uran, který není tak vzácný, jak se dříve myslelo, je dnes považován za hojnější než rtuť, antimon, stříbro nebo kadmium a je přibližně stejně hojný jako molybden nebo arsen. Vyskytuje se v mnoha přírodních minerálech, jako je smolinec, uraninit, karnotit, autunit, uranofan a tobernit. Vyskytuje se také ve fosfátových horninách, lignitu, monazitových píscích a z těchto zdrojů se komerčně získává. Ministerstvo energetiky Spojených států nakupuje uran ve formě přijatelných koncentrátů U3O8. Tento motivační program výrazně zvýšil známé zásoby uranu.
Vlastnosti
Čistý uran je stříbřitě bílý, slabě radioaktivní kov, který je tvrdší než většina prvků. Je kujný, tažný, mírně paramagnetický, silně elektropozitivní a je špatným elektrickým vodičem. Kovový uran má velmi vysokou hustotu, je přibližně o 70 % hustší než olovo, ale o něco méně hustý než zlato. Kovový uran vykazuje tři krystalografické modifikace: alfa –> (688 °C) –> beta –> (776 °C) –> gama. Uran je při jemném dělení pyroforický. Je o něco měkčí než ocel a v jemně rozděleném stavu na něj působí studená voda. na vzduchu se kovový uran pokrývá vrstvou oxidu. Kyseliny rozpouštějí kov za vzniku oxidačního stavu +3, který se vodou a vzduchem rychle oxiduje za vzniku vyšších oxidačních stavů. Kovový uran není ovlivňován zásadami. Kovový uran lze připravit redukcí halogenidů uranu kovy alkalickými nebo kovy alkalických zemin nebo redukcí oxidů uranu vápníkem, hliníkem nebo uhlíkem za vysokých teplot. Kov lze také získat elektrolýzou KUF5 nebo UF4 rozpuštěného v roztavené směsi solí CaCl2 a NaCl. Vysoce čistý uran lze připravit tepelným rozkladem halogenidů uranu na horkém vlákně.
Kovový uran reaguje téměř se všemi nekovovými prvky a jejich sloučeninami, přičemž reaktivita roste s teplotou. Kyseliny chlorovodíková a dusičná rozpouštějí uran, ale neoxidující kyseliny jiné než kyselina chlorovodíková napadají prvek velmi pomalu. Při jemném rozdělení může reagovat se studenou vodou. Na vzduchu kovový uran oxiduje a pokrývá se tmavou vrstvou oxidu uraničitého. Uran tvoří řadu slitin a sloučenin, přičemž nejdůležitějšími oxidačními stavy jsou uran(IV) a uran(VI) a jejich dvěma odpovídajícími oxidy jsou oxid uraničitý, UO2, a oxid uraničitý, UO3. Kromě oxidů patří mezi další důležité sloučeniny uranu fluoridy, chloridy, bromidy, jodidy, uhličitany, hydridy, karbidy, nitridy, fosforečnany atd. Při pokojové teplotě má hexafluorid uranu, UF6, vysoký tlak par, díky čemuž je užitečný v procesu plynné difúze, který se používá k oddělení vzácného izotopu U-235 od běžného izotopu U-238. Hydridy, nitridy a karbidy uranu jsou relativně inertní polokovové sloučeniny, které jsou minimálně rozpustné v kyselinách a používají se jako stabilní palivové pelety v technologii jaderných reaktorů.
Uran se ve vodných roztocích vyskytuje v oxidačních stavech +3, +4, +5 a +6. V případě, že je uran ve vodném roztoku, je jeho oxidační stupeň +3, +4, +5 a +6 nižší. Oxidační stav +6 jako ion UO22+ (žlutá barva) je v roztoku nejstabilnější. Uran v oxidačním stavu +5 jako ion UO2+ je bezbarvý, poměrně nestabilní a disproporcionuje (reaguje sám se sebou) za vzniku stavů +6 a +4. Stav +4 (zelený) je v roztoku poměrně stabilní, ale stav +3 (tmavě zelený nebo tmavě červený v závislosti na zdroji osvětlení – denní světlo vs. zářivka) je nestabilní a snadno oxiduje na +4. Stav +4 v roztocích s téměř neutrálním pH snadno hydrolyzuje za vzniku černých oxihydroxidových sraženin.
Použití
Uran se používal jako barvivo v keramických glazurách a skle ve starověkém Římě a ve středověku za vzniku oranžově červených až citronově žlutých odstínů. V nedávné době se používal jako oranžová glazura v současném nádobí Fiestaware©, ale později se přestal používat ze zdravotních důvodů. Mnoho současných způsobů použití uranu využívá jeho jedinečných jaderných vlastností. Uran-235 se vyznačuje tím, že je jediným přirozeně se vyskytujícím štěpným izotopem. To znamená, že může být tepelnými neutrony rozštěpen na dva nebo tři fragmenty (štěpné produkty). Uran-238 je štěpitelný rychlými neutrony a je fertilní, což znamená, že může být v jaderném reaktoru přeměněn na štěpné plutonium-239. Další štěpný izotop, uran-233, lze vyrobit z přírodního thoria a je rovněž důležitý v jaderné technologii. Zatímco uran-238 má malou pravděpodobnost spontánního štěpení nebo dokonce indukovaného štěpení rychlými neutrony, uran-235 a v menší míře i uran-233 mají mnohem větší štěpný průřez pro pomalé neutrony. V dostatečné koncentraci tyto izotopy udržují trvalou řetězovou jadernou reakci. Ta vytváří teplo v jaderných reaktorech a produkuje štěpný materiál pro jaderné zbraně. Tuto jadernou přeměnu lze uskutečnit ve množivých reaktorech, kde je možné vyrobit více nového štěpného materiálu než štěpného materiálu použitého k udržení řetězové reakce. Ochuzený uran (238U) (ochuzený o uran-235) se používá při průbojnosti balistických pancířů a jako pancéřování.
Uran-238 není štěpný, ale je to plodný izotop, protože po aktivaci neutrony může produkovat plutonium-239, další štěpný izotop. Jádro238U totiž může absorbovat jeden neutron, čímž vznikne radioaktivní izotop uranu-239. 239U se rozpadá emisí beta na neptunium-239, rovněž zářič beta, které se zase během několika dní rozpadá na plutonium-239. 239Pu byl použit jako štěpný materiál v první atomové bombě odpálené při „testu Trinity“ 15. července 1945 v Novém Mexiku.
Uran-235 má ještě větší význam, protože je klíčem k využití uranu. 235U se sice v přírodním uranu vyskytuje v míře pouhých 0,71 %, ale je natolik štěpný pomalými neutrony, že v reaktoru zkonstruovaném pouze z přírodního uranu a vhodného moderátoru, jako je těžká voda nebo grafit, lze vytvořit samoudržující se štěpnou řetězovou reakci.
Přírodní uran 235U lze v případě potřeby koncentrovat pomocí plynné difúze a dalších fyzikálních procesů a použít jej přímo jako jaderné palivo namísto přírodního uranu nebo jej použít jako výbušninu.
Přírodní uran, mírně obohacený o 235U na malé procento, se používá jako palivo pro jaderné reaktory na výrobu elektřiny. Přírodní thorium lze ozařovat neutrony za vzniku důležitého izotopu 233U následujícím způsobem: 232Th(n, gama) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Zatímco thorium samo o sobě není štěpné, 233U štěpný je, a proto může být použit jako jaderné palivo. Jedna libra zcela štěpného uranu má palivovou hodnotu více než 1500 tun uhlí.
Využití jaderných paliv k výrobě elektrické energie, k výrobě izotopů pro mírové účely a k výrobě výbušnin je dobře známé. Uran v USA kontroluje americká Komise pro jaderný dozor. Pro ochuzený uran, tj. uran s podílem 235U sníženým na přibližně 0,2 %, se hledají nová využití. Uran se používá v inerciálních naváděcích zařízeních, v gyroskopických kompasech, jako protizávaží pro řídicí plochy letadel, jako balast pro návratové rakety a jako stínicí materiál. Kovový uran se používá na rentgenové terče pro výrobu vysokoenergetického rentgenového záření; dusičnan se kdysi používal jako fotografický toner a acetát se kdysi používal v analytické chemii. Krystaly dusičnanu uranu jsou triboluminiscenční. Soli uranu se také používaly k výrobě žlutého „vazelínového“ skla a glazur.
Nebezpečí
Uran a jeho sloučeniny jsou vysoce toxické jak z chemického, tak z radiologického hlediska. Jemně rozdělený kovový uran, který je pyroforický, představuje nebezpečí požáru. V přírodě tvoří U(VI) při alkalickém pH vysoce rozpustné uhličitanové komplexy. To vede ke zvýšení mobility a dostupnosti uranu pro podzemní vody a půdu z úložišť jaderného odpadu, což vede k ohrožení zdraví. Práce s uranem vyžaduje znalost maximálních přípustných koncentrací, které lze vdechnout nebo spolknout. V poslední době se přirozená přítomnost uranu v mnoha půdách stala předmětem obav majitelů domů kvůli vzniku radioaktivního plynu radonu a jeho dcer, zejména v uzavřených prostorách s nízkou cirkulací, jako jsou sklepy.
Aktualizováno Dr. Davidem Hobartem, 23. července 2013