Back to Elements List
 |
Uran(VI)-oxider eller “gul kage” er et mellemliggende trin i behandlingen af uranmalm. |
Uran
| Atomnummer: | 92 | Atomradius: | 240 pm (Van der Waals) |
| Atomsymbol: | U | Smeltepunkt: | 1133 °C |
| Atomvægt: | 1133 °C | ||
| 238 | Skoldningspunkt: | 4131 °C | |
| Elektronkonfiguration: | 4131 °C | ||
| 7s25f36d1 | Oxidationstilstande: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Historie
Anvendelsen af uran i sin naturlige oxidform går tilbage til 79 e.Kr., da det blev brugt som et gult farvestof i keramiske glasurer. Gult glas med 1 % uranoxid blev fundet i en gammel romersk villa nær Napoli i Italien. I slutningen af middelalderen blev der udvundet begblende fra sølvminerne, som blev brugt som farvestof i glasindustrien. Identifikationen af uran som et grundstof tilskrives generelt Martin H. Klaproth. Under eksperimenter med begblende i 1789 konkluderede han, at den indeholdt et nyt grundstof, som han opkaldte efter den nyopdagede planet Uranus (opkaldt efter den græske gud for himlen eller himlen). Det, Klaproth faktisk identificerede, var ikke det rene grundstof, men uranoxid. Det rene metal blev først isoleret i 1841 af Eugène-Melchior Péligot, som reducerede vandfrit urantetrachlorid med kaliummetal.
I 1896 opdagede Antoine H. Becquerel, at uran udviste usynligt lys eller stråler; det var radioaktivitet. I 1934 førte forskning udført af Enrico Fermi og andre til sidst til brugen af uranfission i det første atomvåben, der blev brugt i krig, og senere til den fredelige brug af uran som brændsel i kernekraftproduktion. Det efterfølgende våbenkapløb under den kolde krig mellem USA og Sovjetunionen resulterede i titusindvis af atomvåben, der anvendte uranmetal og uranafledt plutonium-239. Sikkerheden af disse våben og deres fissile materiale efter Sovjetunionens opløsning i 1991 er et vedvarende problem.
I 1972 opdagede den franske fysiker Francis Perrin gamle og ikke længere aktive forhistoriske naturlige atomfissionsreaktorer i uranmalmforekomster i Oklo-minen i Gabon i Vestafrika, der samlet er kendt som Oklo-fossilreaktorerne. Malmaflejringen er 1,7 milliarder år gammel; på det tidspunkt udgjorde uran-235 ca. 3 % af den samlede uranmængde på Jorden (0,72 % i dag). Dette er højt nok til at muliggøre en vedvarende kernefissionskædereaktion, forudsat at der findes andre understøttende geologiske betingelser.
Isotoper
Uran er svagt radioaktivt, fordi alle naturligt forekommende (eller primordiale) isotoper af uran (238U, 235U og 234U) er ustabile med halveringstider, der varierer mellem 159.200 år og 4,5 milliarder år. Der findes 27 kendte isotoper af uran med atomvægte på 217-219, 222-240 og 242 med halveringstider på mellem milliarder af år og få nanosekunder. Naturligt forekommende uran består af tre hovedisotoper: 238U (99,28 % hyppighed), 235U (0,71 %) og 234U (0,0054 %). (US DOE har vedtaget værdien 0,711 som værende deres officielle procentdel af 235U i naturligt uran). Alle tre isotoper er radioaktive og har en lille sandsynlighed for at undergå spontan spaltning, men henfalder fortrinsvis ved alfaemission. Halveringstiden for uran-238 er ca. 4,47 milliarder år, og halveringstiden for uran-235 er 704 millioner år, hvilket gør dem nyttige i forbindelse med datering af Jordens alder. Det tyder også på, at halvdelen af det uran, der eksisterede fra Jordens dannelse, er henfaldet til andre radioaktive grundstoffer og til sidst til stabile grundstoffer. En stor del af jordens indre varme menes at kunne tilskrives henfaldet af radioisotoper af uran og thorium.
Uran-238 er en α-partikel-emitter (lejlighedsvis undergår det spontan fission), der henfalder gennem “uran-serien” af nukleart henfald, som har 18 medlemmer, der alle til sidst henfalder til bly-206 ad en række forskellige henfaldsveje. 235U’s henfaldsserie, som kaldes actiniumserien, har 15 medlemmer, som alle til sidst henfalder til bly-207. De konstante henfaldshastigheder i disse henfaldsserier gør sammenligningen af forholdet mellem moder- og datterelementer nyttig ved radiometrisk datering. Uran-234 er et medlem af “uranserien”, og det henfalder til bly-206 gennem en række forholdsvis kortlivede isotoper. Uran-233 fremstilles af thorium-232 ved neutronbombardement, normalt i en atomreaktor, og 233U er også fissilt. Dens henfaldsserie slutter med thallium-205.
Kilder
Uran er det tungeste naturligt forekommende grundstof, der er tilgængeligt i store mængder. De tungere “transuraniske” grundstoffer er enten menneskeskabte, eller de findes kun som spormængder i uranmalmforekomster som aktiveringsprodukter. Uran forekommer naturligt i lave koncentrationer på nogle få dele pr. million i jord, sten og vand og udvindes kommercielt fra uranholdige mineraler. Uran, der ikke er så sjældent som tidligere antaget, anses nu for at være mere almindeligt forekommende end kviksølv, antimon, sølv og cadmium og er omtrent lige så almindeligt forekommende som molybdæn og arsenik. Det forekommer i talrige naturlige mineraler såsom pitchblende, uraninit, carnotite, autunit, uranophan og tobernit. Det findes også i fosfatbjergarter, lignit og monazitsand og udvindes kommercielt fra disse kilder. Det amerikanske energiministerium køber uran i form af acceptable U3O8-koncentrater. Dette tilskyndelsesprogram har i høj grad øget de kendte uranreserver.
Egenskaber
Rent uran er et sølvhvidt, svagt radioaktivt metal, som er hårdere end de fleste grundstoffer. Det er formbart, duktilt, svagt paramagnetisk, stærkt elektropositivt og er en dårlig elektrisk leder. Uranmetal har en meget høj massefylde, idet det er ca. 70 % tættere end bly, men lidt mindre tæt end guld. Uranmetal udviser tre krystallografiske modifikationer: alfa –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. Uran er pyrophorisk, når det er fint fordelt. Det er lidt blødere end stål og angribes af koldt vand i fintdelt tilstand. i luft bliver uranmetallet belagt med et lag af oxid. Syrer opløser metallet og danner oxidationstilstanden +3, som hurtigt oxideres af vand og luft til højere oxidationstilstande. Uranmetal er upåvirket af alkalier. Uranmetal kan fremstilles ved at reducere uranhalogenider med alkali- eller jordalkalimetaller eller ved at reducere uranoxider med calcium, aluminium eller kulstof ved høje temperaturer. Metallet kan også fremstilles ved elektrolyse af KUF5 eller UF4, der er opløst i en smeltet saltblanding af CaCl2 og NaCl. Uran af høj renhed kan fremstilles ved termisk nedbrydning af uranhalogenider på en varm glødetråd.
Uranmetal reagerer med næsten alle ikke-metalliske grundstoffer og deres forbindelser, idet reaktiviteten stiger med temperaturen. Saltsyre og salpetersyre opløser uran, men andre ikke-oxiderende syrer end saltsyre angriber grundstoffet meget langsomt. Når det er fint fordelt, kan det reagere med koldt vand. I luft oxideres uranmetal og bliver belagt med et mørkt lag uranoxid. Uran danner en række legeringer og forbindelser, hvor de vigtigste oxidationstrin er uran(IV) og uran(VI), og deres to tilsvarende oxider er henholdsvis urandioxid, UO2, og urantrioxid, UO3. Ud over oxiderne omfatter andre vigtige uranforbindelser fluorider, chlorider, bromider, jodider, carbonater, hydrider, carbider, nitrider, fosfater osv. Ved stuetemperatur har uranhexafluorid, UF6, et højt damptryk, hvilket gør det nyttigt i den gasdiffusionsproces, der anvendes til at adskille den sjældne isotop U-235 fra den almindelige isotop U-238. Uranhydrider, -nitrider og -karbider er relativt inaktive halvmetalliske forbindelser, der er minimalt opløselige i syrer, og som har været anvendt som stabile brændselspiller i kernekraftreaktorteknologi.
Uran findes i vandige opløsninger i oxidationstallene +3, +4, +5 og +6. Oxidationstilstand +6 som UO22+-ionen (gul i farven) er den mest stabile tilstand i opløsning. Uran i +5-tilstand som UO2+-ionen er farveløs, ret ustabil og disproportionerer (reagerer med sig selv) for at danne +6- og +4-tilstandene. +4-tilstanden (grøn) er rimeligt stabil i opløsning, men +3-tilstanden (mørkegrøn eller mørkerød afhængig af belysningskilden – dagslys vs. fluorescerende lys) er ustabil og oxiderer let til +4. I nærmest neutrale pH-opløsninger hydrolyseres +4-tilstanden let og danner sorte oxyhydroxidudfældninger.
Anvendelser
Uran blev brugt som farvestof i keramiske glasurer og glas i det gamle Rom og i middelalderen, hvor det gav orangerøde til citrongule nuancer. For nylig blev det brugt som en orange glasur i moderne Fiestaware© -service, men blev senere indstillet af sundhedsmæssige årsager. Mange moderne anvendelser af uran udnytter dets unikke nukleare egenskaber. Uran-235 har den ære at være den eneste naturligt forekommende fissile isotop. Det betyder, at den kan spaltes i to eller tre fragmenter (fissionsprodukter) ved hjælp af termiske neutroner. Uran-238 kan spaltes af hurtige neutroner og er fertilt, hvilket betyder, at det kan omdannes til fissilt plutonium-239 i en atomreaktor. En anden fissil isotop, uran-233, kan fremstilles af naturligt thorium og er også vigtig inden for atomteknologi. Mens uran-238 har en lille sandsynlighed for spontan spaltning eller endog induceret spaltning med hurtige neutroner, har uran-235 og i mindre grad uran-233 et meget højere spaltningstværsnit for langsomme neutroner. I tilstrækkelig koncentration opretholder disse isotoper en vedvarende nuklear kædereaktion. Dette genererer varmen i atomkraftreaktorer og producerer det fissile materiale til kernevåben. Denne nukleare omdannelse kan ske i avlsreaktorer, hvor det er muligt at producere mere nyt spaltbart materiale end det spaltbare materiale, der anvendes til at opretholde kædereaktionen. Forarmet uran (238U) (forarmet af uran-235) anvendes til balistisk pansergennemtrængning og som panserplader.
Uran-238 er ikke fissilt, men er en frugtbar isotop, fordi det efter neutronaktivering kan producere plutonium-239, en anden fissil isotop. Faktisk kan238U-kernen absorbere en neutron for at producere den radioaktive isotop uran-239. 239U henfalder ved beta-emission til neptunium-239, som også er en beta-emitter, der på sin side i løbet af få dage henfalder til plutonium-239. 239Pu blev anvendt som fissilt materiale i den første atombombe, der blev sprængt ved “Trinity-testen” den 15. juli 1945 i New Mexico.
Uran-235 er af endnu større betydning, fordi det er nøglen til udnyttelse af uran. 235U, der ganske vist kun forekommer i naturligt uran i et omfang på 0,71%, er så spaltbart med langsomme neutroner, at der kan laves en selvbærende spaltningskædereaktion i en reaktor, der udelukkende er konstrueret af naturligt uran og en egnet moderator, som f.eks. tungt vand eller grafit, alene.
Uran-235 kan om ønsket koncentreres ved gasdiffusion og andre fysiske processer og anvendes direkte som nukleart brændsel i stedet for naturligt uran eller anvendes som sprængstof.
Naturligt uran, let beriget med 235U med en lille procentdel, anvendes som brændsel til kernekraftreaktorer til produktion af elektricitet. Naturligt thorium kan bestråles med neutroner for at fremstille den vigtige isotop 233U på følgende måde: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Mens thorium i sig selv ikke er spaltbart, er 233U det, og på denne måde kan det anvendes som nukleart brændsel. Et pund fuldstændigt spaltet uran har en brændselsværdi svarende til over 1500 tons kul.
Anvendelsen af nukleart brændsel til produktion af elektrisk energi, til fremstilling af isotoper til fredelige formål og til fremstilling af sprængstoffer er velkendt. Uran i USA kontrolleres af U.S.A. Nuclear Regulatory Commission. Der er ved at blive fundet nye anvendelsesmuligheder for udarmet uran, dvs. uran med en procentdel 235U reduceret til ca. 0,2%. Uran anvendes i inertialstyringsanordninger, i gyrokompasser, som modvægte til flystyringsflader, som ballast til missilindflyvningsfartøjer og som afskærmningsmateriale. Uranmetal anvendes til røntgenmål til produktion af højenergirøntgenstråler; nitratet blev engang brugt som fotografisk toner, og acetatet blev engang brugt i analytisk kemi. Krystaller af urannitrat er triboluminescerende. Uranium salte er også blevet brugt til fremstilling af gult “vaseline”-glas og glasurer.
Fare
Uran og dets forbindelser er meget giftige, både fra et kemisk og radiologisk synspunkt. Finopdelt uranmetal er pyrofor og udgør derfor en brandfare. I naturen danner U(VI) meget opløselige karbonatkomplekser ved alkaliske pH-værdier. Dette fører til en øget mobilitet og tilgængelighed af uran i grundvand og jord fra atomaffaldsdepoter, hvilket medfører sundhedsrisici. Arbejde med uran kræver kendskab til de maksimalt tilladte koncentrationer, der kan indåndes eller indtages. På det seneste er den naturlige tilstedeværelse af uran i mange jordtyper blevet et problem for husejere på grund af dannelsen af radioaktiv radongas og dens døtre, især i lukkede rum med lav cirkulation, som f.eks. kælderrum.
Opdateret af Dr. David Hobart, 23. juli 2013