Takaisin alkuaineiden luetteloon
 |
Uraani(VI)oksidit eli ”keltainen kakku” on välivaihe uraanimalmien käsittelyssä. |
Uraani
| Atominumero: | 92 | Atomisäde: | 240 pm (Van der Waals) |
| Atomimerkki: | 7s25f36d1 | Hapetustilat: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Historia
Uraanin käyttö luonnollisessa oksidimuodossaan juontaa juurensa vuoteen 79 jKr. jolloin sitä käytettiin keltaisena väriaineena keraamisissa lasitteissa. Keltaista lasia, jossa oli 1 % uraanioksidia, löydettiin muinaisesta roomalaisesta huvilasta Napolin läheltä Italiasta. Myöhäiskeskiajalla hopeakaivoksista louhittiin pikioksidia, jota käytettiin väriaineena lasiteollisuudessa. Uraanin tunnistaminen alkuaineeksi on yleensä Martin H. Klaprothin ansiota. Kun hän vuonna 1789 teki kokeita pikiromulla, hän päätteli, että se sisälsi uuden alkuaineen, jonka hän nimesi vasta löydetyn Uranus-planeetan mukaan (joka on nimetty kreikkalaisen taivaanjumalan mukaan). Klaproth ei itse asiassa tunnistanut puhdasta alkuainetta vaan uraanioksidia. Puhtaan metallin eristi ensimmäisen kerran vuonna 1841 Eugène-Melchior Péligot, joka pelkisti vedetöntä uraanitetrakloridia kaliummetallilla.
Vuonna 1896 Antoine H. Becquerel havaitsi, että uraanissa näkyi näkymätöntä valoa tai säteilyä; se oli radioaktiivisuutta. Vuonna 1934 Enrico Fermin ja muiden tekemät tutkimukset johtivat lopulta uraanin fission käyttöön ensimmäisessä sodassa käytetyssä ydinaseessa ja myöhemmin uraanin rauhanomaiseen käyttöön polttoaineena ydinvoiman tuotannossa. Sitä seurannut asevarustelukilpailu kylmän sodan aikana Yhdysvaltojen ja Neuvostoliiton välillä tuotti kymmeniä tuhansia ydinaseita, joissa käytettiin uraanimetallia ja uraanista peräisin olevaa plutonium-239:ää. Näiden aseiden ja niiden halkeamiskelpoisen materiaalin turvallisuus on jatkuva huolenaihe Neuvostoliiton hajoamisen jälkeen vuonna 1991.
Vuonna 1972 ranskalainen fyysikko Francis Perrin löysi Oklon kaivoksessa Gabonissa Länsi-Afrikassa sijaitsevista uraanimalmiesiintymistä muinaisia eikä enää aktiivisia esihistoriallisia luonnollisia ydinfissioreaktoreita, jotka tunnetaan yhteisnimellä Oklo Fossil Reactors. Malmiesiintymä on 1,7 miljardia vuotta vanha; tuolloin uraani-235:n osuus maapallon kokonaisuraanista oli noin 3 prosenttia (nykyään 0,72 prosenttia). Tämä on riittävän korkea pitoisuus, jotta kestävä ydinfissioketjureaktio voisi tapahtua, jos muut geologiset olosuhteet tukevat sitä.
Isotoopit
Uraani on heikosti radioaktiivinen, koska kaikki luonnossa esiintyvät (tai alkuaikojen) uraanin isotoopit (238U, 235U ja 234U) ovat epästabiileja, ja niiden puoliintumisajat vaihtelevat 159 200 vuoden ja 4,5 miljardin vuoden välillä. Uraania tunnetaan 27 isotooppia, joiden atomipainot vaihtelevat välillä 217-219, 222-240 ja 242. Niiden puoliintumisajat vaihtelevat miljardeista vuosista muutamaan nanosekuntiin. Luonnossa esiintyvä uraani koostuu kolmesta tärkeimmästä isotoopista: 238U (99,28 %), 235U (0,71 %) ja 234U (0,0054 %). (Yhdysvaltain energiaministeriö on hyväksynyt arvoksi 0,711 235U:n virallisena prosenttiosuutena luonnonuraanissa). Kaikki kolme isotooppia ovat radioaktiivisia, ja niillä on pieni todennäköisyys spontaaniin fissioon, mutta ne hajoavat ensisijaisesti alfaemissioiden avulla. Uraani-238:n puoliintumisaika on noin 4,47 miljardia vuotta ja uraani-235:n puoliintumisaika 704 miljoonaa vuotta, joten ne ovat käyttökelpoisia maapallon iän määrittämisessä. Se viittaa myös siihen, että puolet maapallon muodostumisen aikaisesta uraanista on hajonnut muiksi radioaktiivisiksi alkuaineiksi ja lopulta stabiileiksi alkuaineiksi. Suuren osan maapallon sisäisestä lämmöstä uskotaan johtuvan uraanin ja toriumin radioisotooppien hajoamisesta.
Uraani-238 on α-hiukkassäteilijä (toisinaan se halkeaa spontaanisti), ja se hajoaa uraanin ”uraanisarjassa” (Uranium Series), jossa on 18 jäsentä, jotka kaikki hajoavat lopulta lyijy-206:ksi eri hajoamisreittejä pitkin. 235U:n hajoamissarjassa, jota kutsutaan aktiniumsarjaksi, on 15 jäsentä, jotka kaikki hajoavat lopulta lyijyksi-207. Näiden hajoamissarjojen vakiot hajoamisnopeudet tekevät emo- ja tytäralkuaineiden suhteiden vertailusta hyödyllistä radiometrisessä ajoituksessa. Uraani-234 kuuluu uraanisarjaan, ja se hajoaa lyijy-206:ksi suhteellisen lyhytikäisten isotooppien kautta. Uraani-233 valmistetaan torium-232:sta neutronipommituksella yleensä ydinreaktorissa, ja 233U on myös halkeamiskelpoinen. Sen hajoamissarja päättyy tallium-205:een.
Lähteet
Uraani on raskain luonnossa esiintyvä alkuaine, jota on saatavilla suuria määriä. Raskaammat ”transuraaniset” alkuaineet ovat joko ihmisen valmistamia tai niitä esiintyy vain pieniä määriä uraanimalmiesiintymissä aktivoitumistuotteina. Uraania esiintyy luonnossa pieninä pitoisuuksina, muutamina miljoonasosina maaperässä, kalliossa ja vedessä, ja sitä louhitaan kaupallisesti uraanipitoisista mineraaleista. Uraani ei ole niin harvinainen kuin aiemmin luultiin, vaan sitä pidetään nykyään runsaampana kuin elohopeaa, antimonia, hopeaa tai kadmiumia, ja sitä on suunnilleen yhtä paljon kuin molybdeeniä tai arseenia. Sitä esiintyy lukuisissa luonnollisissa mineraaleissa, kuten pitchblendessä, uraniniitissa, karnotiitissa, autuniitissa, uranofaanissa ja toberniitissa. Sitä esiintyy myös fosfaattikivissä, ruskohiilessä ja monasiittihiekassa, ja sitä otetaan kaupallisesti talteen näistä lähteistä. Yhdysvaltain energiaministeriö ostaa uraania hyväksyttävinä U3O8-rikasteina. Tämä kannustinohjelma on lisännyt tunnettuja uraanivarantoja huomattavasti.
Ominaisuudet
Puhdas uraani on hopeanvalkoinen, heikosti radioaktiivinen metalli, joka on useimpia alkuaineita kovempaa. Se on muokattavaa, sitkeää, lievästi paramagneettista, voimakkaasti sähköpositiivista ja huono sähkönjohdin. Uraanimetalli on erittäin tiheää, noin 70 % lyijyä tiheämpää, mutta hieman vähemmän tiheää kuin kulta. Uraanimetallilla on kolme kiteistä muunnosta: alfa –> (688 °C) –> beeta –> (776 °C) –> gamma. Uraani on hienojakoisena pyroforinen. Se on hiukan terästä pehmeämpää, ja kylmävesi hyökkää sen kimppuun hienojakoisessa tilassa. ilmassa uraanimetalli peittyy oksidikerroksella. Hapot liuottavat metallia muodostaen hapetusasteen +3, joka hapettuu nopeasti veden ja ilman vaikutuksesta korkeampiin hapetusasteisiin. Alkalit eivät vaikuta uraanimetalliin. Uraanimetallia voidaan valmistaa pelkistämällä uraanihalogenideja alkali- tai maa-alkalimetalleilla tai pelkistämällä uraanioksideja kalsiumilla, alumiinilla tai hiilellä korkeissa lämpötiloissa. Metallia voidaan valmistaa myös elektrolyysillä KUF5:stä tai UF4:stä, joka on liuotettu CaCl2:n ja NaCl:n sulaan suolaseokseen. Erittäin puhdasta uraania voidaan valmistaa hajottamalla uraanihalogenideja termisesti kuumalla hehkulangalla.
Uraanimetalli reagoi lähes kaikkien ei-metallisten alkuaineiden ja niiden yhdisteiden kanssa reaktiivisuuden kasvaessa lämpötilan myötä. Suolahappo ja typpihappo liuottavat uraania, mutta muut hapettomat hapot kuin suolahappo hyökkäävät alkuaineeseen hyvin hitaasti. Hienojakoisena se voi reagoida kylmän veden kanssa. Ilmassa uraanimetalli hapettuu ja sitä peittää tumma uraanioksidikerros. Uraani muodostaa erilaisia seoksia ja yhdisteitä, joista tärkeimmät hapetusasteet ovat uraani(IV) ja uraani(VI), ja niitä vastaavat oksidit ovat vastaavasti uraanidioksidi UO2 ja uraanitrioksidi UO3. Oksidien lisäksi muita tärkeitä uraaniyhdisteitä ovat fluoridit, kloridit, bromidit, jodidit, karbonaatit, hydridit, karbidit, nitridit, fosfaatit jne. Huoneenlämmössä uraaniheksafluoridilla, UF6:lla, on korkea höyrynpaine, mikä tekee siitä käyttökelpoisen kaasudiffuusioprosessissa, jota käytetään harvinaisen U-235:n erottamiseen yleisestä U-238-isotoopista. Uraanihydridit, -nitridit ja -karbidit ovat suhteellisen inerttejä puolimetalliyhdisteitä, jotka liukenevat vain vähän happoihin ja joita on käytetty vakaina polttoainepelletteinä ydinreaktoriteknologiassa.
Uraani esiintyy vesiliuoksissa hapetusasteissa +3, +4, +5 ja +6. Hapetustila +6 UO22+-ionina (väriltään keltainen) on liuoksessa vakain tila. Uraani +5-tilassa UO2+-ionina on väritön, melko epävakaa ja disproportionoituu (reagoi itsensä kanssa) muodostaen +6- ja +4-tilat. +4-tila (vihreä) on kohtuullisen stabiili liuoksessa, mutta +3-tila (tummanvihreä tai tummanpunainen riippuen valaistuslähteestä – päivänvalo vs. loisteputkivalo) on epävakaa ja hapettuu helposti +4-tilaan. Lähes neutraalin pH:n liuoksissa +4-tila hydrolysoituu helposti muodostaen mustia happihydroksidisaostumia.
Käyttökohteet
Uraania käytettiin väriaineena keraamisissa lasitteissa ja lasissa antiikin Roomassa ja keskiajalla, jolloin saatiin aikaan oranssinpunaisesta sitruunankeltaiseen vaihtelevia sävyjä. Viime aikoina sitä käytettiin oranssina lasitteena nykyaikaisissa Fiestaware©-astioissa, mutta sen käyttö lopetettiin myöhemmin terveyssyistä. Monissa uraanin nykykäytöissä hyödynnetään sen ainutlaatuisia ydinominaisuuksia. Uraani-235 on ainoa luonnossa esiintyvä halkeamiskelpoinen isotooppi. Tämä tarkoittaa, että termiset neutronit voivat jakaa sen kahteen tai kolmeen fragmenttiin (fissiotuotteisiin). Uraani-238 on halkeamiskelpoinen nopeilla neutroneilla, ja se on hedelmällinen, mikä tarkoittaa, että se voidaan muuntaa ydinreaktorissa halkeavaksi plutonium-239:ksi. Toinen halkeamiskelpoinen isotooppi, uraani-233, voidaan tuottaa luonnon toriumista, ja se on myös tärkeä ydinteknologiassa. Uraani-238:lla on pieni todennäköisyys spontaaniin fissioon tai jopa indusoituun fissioon nopeilla neutroneilla, mutta uraani-235:llä ja vähäisemmässä määrin myös uraani-233:lla on paljon suurempi fissiopoikkileikkaus hitailla neutroneilla. Riittävinä pitoisuuksina nämä isotoopit ylläpitävät jatkuvaa ydinketjureaktiota. Tämä tuottaa lämpöä ydinvoimareaktoreissa ja tuottaa halkeamiskelpoista materiaalia ydinaseita varten. Tämä ydinkonversio voidaan toteuttaa kasvatusreaktoreissa, joissa on mahdollista tuottaa enemmän uutta halkeamiskelpoista materiaalia kuin ketjureaktion ylläpitämiseen käytettyä halkeamiskelpoista materiaalia. Köyhdytettyä uraania (238U) (joka on köyhdytetty uraani-235:stä) käytetään balististen panssarivaunujen läpäisyssä ja panssaripinnoitteena.
Uraani-238 ei ole halkeamiskelpoinen, mutta se on hedelmällinen isotooppi, koska se voi neutroniaktivoinnin jälkeen tuottaa plutonium-239:ää, toista halkeamiskelpoista isotooppia. Itse asiassa 238U:n ydin voi absorboida yhden neutronin tuottaakseen radioaktiivisen isotoopin uraani-239. 239U hajoaa beetasäteilyn avulla neptunium-239:ksi, joka on myös beetasäteilijä ja joka puolestaan hajoaa muutaman päivän kuluessa plutonium-239:ksi. 239Pu:ta käytettiin halkeamiskelpoisena aineena ensimmäisessä atomipommissa, joka räjäytettiin Trinity-kokeessa 15. heinäkuuta 1945 New Mexicossa.
Uraani-235 on vielä tärkeämpi, koska se on avain uraanin hyödyntämiseen. Vaikka 235U:ta esiintyy luonnonuraanissa vain 0,71 %, se on niin fissiokelpoinen hitaiden neutronien kanssa, että itseään ylläpitävä fissioketjureaktio voidaan tehdä reaktorissa, joka on rakennettu pelkästään luonnonuraanista ja sopivasta moderaattorista, kuten raskaasta vedestä tai grafiitista.
Uraani-235 voidaan haluttaessa konsentroida kaasudiffuusiolla ja muilla fysikaalisilla prosesseilla ja käyttää suoraan ydinpolttoaineena luonnonuraanin sijasta tai räjähdysaineena.
Luonnonuraania, jota on rikastettu hieman 235U:lla pienellä prosenttiosuudella, käytetään polttoaineena ydinvoimareaktoreissa sähkön tuottamiseksi. Luonnon toriumia voidaan säteilyttää neutroneilla, jolloin saadaan tärkeä isotooppi 233U seuraavasti: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Torium itsessään ei ole halkeamiskelpoinen, mutta 233U on, ja siten sitä voidaan käyttää ydinpolttoaineena. Yksi kilo täysin fissioitunutta uraania vastaa polttoainearvoltaan yli 1500 tonnia hiiltä.
Ydinpolttoaineiden käyttö sähköenergian tuottamiseen, isotooppien valmistamiseen rauhanomaisiin tarkoituksiin ja räjähdysaineiden valmistamiseen tunnetaan hyvin. Uraania Yhdysvalloissa valvoo Yhdysvaltain ydinalan sääntelykomissio (U.S. Nuclear Regulatory Commission). Uusia käyttötarkoituksia on löydetty köyhdytetylle uraanille eli uraanille, jonka 235U-pitoisuus on laskenut noin 0,2 prosenttiin. Uraania käytetään inertiaohjauslaitteissa, hyrräkompasseissa, lentokoneiden ohjauspintojen vastapainoina, ohjusten painolastina ja suojamateriaalina. Uraanimetallia käytetään röntgensäteilykohteisiin suurienergisen röntgensäteilyn tuottamiseksi; nitraattia käytettiin aikoinaan valokuvauksen väriaineena, ja asetaattia käytettiin aikoinaan analyyttisessä kemiassa. Uraaninitraatin kiteet ovat triboluminesenssia. Uraanisuoloja on käytetty myös keltaisen ”vaseliinilasin” ja lasitteiden valmistukseen.
Vaarat
Uraani ja sen yhdisteet ovat erittäin myrkyllisiä sekä kemiallisesta että radiologisesta näkökulmasta. Hienojakoinen uraanimetalli on pyroforinen ja aiheuttaa palovaaran. Luonnossa U(VI) muodostaa erittäin liukoisia karbonaattikomplekseja emäksisessä pH:ssa. Tämä lisää uraanin liikkuvuutta ja saatavuutta pohjaveteen ja maaperään ydinjätevarastoista, mikä aiheuttaa terveysriskejä. Uraanin kanssa työskentely edellyttää tietoa suurimmista sallituista pitoisuuksista, joita voidaan hengittää tai niellä. Viime aikoina uraanin luonnollinen esiintyminen monissa maaperissä on aiheuttanut huolta asunnonomistajille, koska radioaktiivista radonkaasua ja sen tyttäriä muodostuu erityisesti suljetuissa tiloissa, joissa on vähäinen ilmankierto, kuten kellareissa.
Päivitetty tohtori David Hobartin toimesta 23. heinäkuuta 2013
.