vissza az elemek listájához
 |
Az urán(VI)-oxidok vagy “sárga pite” az uránércek feldolgozásának egyik köztes lépése. |
Urán
| Atomiaszám: | 92 | Atomi sugár: | 240 pm (Van der Waals) |
| Atomjel: | 7s25f36d1 | Oxidációs állapotok: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
története
Az urán természetes oxid formájában történő felhasználása Kr. u. 79-ig nyúlik vissza, amikor kerámiamázak sárga színezőanyagaként használták. Az olaszországi Nápoly közelében egy ókori római villában találtak 1% urán-oxidot tartalmazó sárga üveget. A késő középkorban a szurokföldet ezüstbányákból nyerték ki, és színezőanyagként használták az üveggyártásban. Az urán mint elem azonosítását általában Martin H. Klaprothnak tulajdonítják. Miközben 1789-ben a szurokfölddel kísérletezett, arra a következtetésre jutott, hogy az egy új elemet tartalmaz, amelyet az újonnan felfedezett Uránusz bolygóról (az ég vagy az égbolt görög istenéről nevezték el) nevezett el. Klaproth valójában nem a tiszta elemet, hanem urán-oxidot azonosított. A tiszta fémet először 1841-ben Eugène-Melchior Péligot izolálta, aki vízmentes urán-tetrakloridot kálium-fémmel redukált.
1896-ban Antoine H. Becquerel felfedezte, hogy az urán láthatatlan fényt vagy sugarakat mutat; ez volt a radioaktivitás. 1934-ben Enrico Fermi és mások kutatásai végül az urán hasadásának felhasználásához vezettek az első, háborúban használt nukleáris fegyverben, majd később az urán békés célú felhasználásához üzemanyagként az atomenergia-termelésben. Az ezt követő hidegháborús fegyverkezési verseny az Egyesült Államok és a Szovjetunió között több tízezer olyan nukleáris fegyvert eredményezett, amelyekben uránfémet és uránból származó plutónium-239-et használtak. A Szovjetunió 1991-es felbomlását követően e fegyverek és hasadóanyaguk biztonsága folyamatos aggodalomra ad okot.
Francia fizikus, Francis Perrin 1972-ben a nyugat-afrikai Gabonban található Oklo bányában található uránérclelőhelyeken ősi, már nem aktív őskori természetes maghasadási reaktorokat fedezett fel, amelyeket együttesen Oklo fosszilis reaktoroknak neveznek. Az érclelőhely 1,7 milliárd éves; ebben az időben az urán-235 a Föld összes uránjának mintegy 3%-át tette ki (ma 0,72%). Ez elég magas ahhoz, hogy tartós maghasadási láncreakció jöjjön létre, feltéve, hogy egyéb támogató geológiai feltételek is fennállnak.
Izotópok
Az urán gyengén radioaktív, mert az urán minden természetesen előforduló (vagy őseredeti) izotópja (238U, 235U és 234U) instabil, felezési ideje 159 200 év és 4,5 milliárd év között változik. Az uránnak 27 ismert izotópja van 217-219, 222-240 és 242 atomsúlyú, felezési idejük több milliárd évtől néhány nanoszekundumig terjed. A természetben előforduló urán három fő izotópból áll: 238U (99,28%-os gyakorisággal), 235U (0,71%) és 234U (0,0054%). (Az USA DOE a 0,711-es értéket fogadta el a természetes uránban lévő 235U hivatalos százalékos arányaként). Mindhárom izotóp radioaktív, kis valószínűséggel spontán hasadáson megy keresztül, de inkább alfa-kibocsátással bomlik. Az urán-238 felezési ideje kb. 4,47 milliárd év, az urán-235-é pedig 704 millió év, így hasznosak a Föld korának meghatározásában. Ez arra is utal, hogy a Föld keletkezése óta létező urán fele más radioaktív elemekre, majd végül stabil elemekre bomlott. Úgy gondolják, hogy a Föld belső hőjének nagy része az urán és a tórium radioizotópok bomlásának tulajdonítható.
Az urán-238 α-részecske kibocsátó (alkalmanként spontán hasadáson megy keresztül), és a 18 tagból álló “urániumsorozaton” keresztül bomlik, amely különböző bomlási utakon keresztül végül mind az ólom-206-ra bomlik. A 235U bomlási sorozata, amelyet aktíniumsorozatnak neveznek, 15 tagból áll, amelyek mindegyike végül ólom-207-re bomlik. E bomlási sorozatok állandó bomlási sebessége miatt az anyaelemek és a leányelemek arányának összehasonlítása hasznos a radiometriai kormeghatározásban. Az uránium-234 az “urániumsorozat” egyik tagja, és viszonylag rövid életidejű izotópok sorozatán keresztül bomlik ólom-206-ra. Az urán-233 a tórium-232-ből készül neutronbombázással, általában atomreaktorban, és a 233U szintén hasadóanyag. Bomlási sorozata a tallium-205-tel végződik.
Források
Az urán a természetben nagy mennyiségben előforduló legnehezebb elem. A nehezebb “transzurán” elemek vagy mesterségesen előállítottak, vagy csak nyomokban fordulnak elő az uránérclelőhelyeken aktiválódási termékként. Az urán a természetben alacsony, néhány ppm-es koncentrációban fordul elő a talajban, kőzetben és vízben, és a kereskedelemben urántartalmú ásványokból nyerik ki. Az urán, amely nem olyan ritka, mint korábban gondolták, ma már nagyobb mennyiségben fordul elő, mint higany, antimon, ezüst vagy kadmium, és körülbelül olyan bőséges, mint a molibdén vagy az arzén. Számos természetes ásványban fordul elő, mint például a szurokblende, az uraninit, a karnotit, az autunit, az uranofán és a tobernit. Foszfátos kőzetekben, lignitben, monazit homokban is megtalálható, és ezekből a forrásokból kereskedelmi céllal nyerik ki. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma elfogadható U3O8 koncentrátum formájában vásárol uránt. Ez az ösztönző program jelentősen megnövelte az ismert uránkészleteket.
Tulajdonságok
A tiszta urán ezüstfehér, gyengén radioaktív fém, amely keményebb, mint a legtöbb elem. Formálható, képlékeny, alakítható, enyhén paramágneses, erősen elektro-pozitív és rossz elektromos vezető. Az uránfém nagyon nagy sűrűségű, körülbelül 70%-kal sűrűbb, mint az ólom, de valamivel kisebb sűrűségű, mint az arany. Az uránfém három kristályszerkezeti módosulást mutat: alfa —
Az uránfém szinte minden nemfémes elemmel és vegyületeikkel reakcióba lép, a reakcióképesség a hőmérséklettel növekszik. A sósav és a salétromsav feloldja az uránt, de a sósavtól eltérő, nem oxidáló savak nagyon lassan támadják meg az elemet. Finom részecskékben hideg vízzel reakcióba léphet. Levegőn az uránfém oxidálódik, és sötét uránoxid-réteggel vonja be. Az urán számos ötvözetet és vegyületet alkot, a legfontosabb oxidációs fokozatok az urán(IV) és az urán(VI), a két megfelelő oxid pedig az urán-dioxid (UO2) és az urán-trioxid (UO3). Az oxidokon kívül más fontos uránvegyületek közé tartoznak a fluoridok, kloridok, bromidok, jodidok, karbonátok, hidridek, karbidok, nitridek, foszfátok stb. is. Szobahőmérsékleten az urán-hexafluorid (UF6) gőznyomása magas, ezért hasznos a ritka U-235 és a közönséges U-238 izotóp elválasztására használt gázdiffúziós eljárásban. Az uránhidridek, -nitridek és -karbidok viszonylag inert félfémvegyületek, amelyek savakban minimálisan oldódnak, és amelyeket stabil üzemanyaggranulátumként használtak az atomerőművi reaktortechnológiában.
Az urán vizes oldatokban a +3, +4, +5 és +6 oxidációs állapotban létezik. A +6-os oxidációs állapot, mint UO22+ ion (sárga színű) a legstabilabb állapot oldatban. A +5 állapotú urán, mint UO2+ ion színtelen, meglehetősen instabil, és disproportionálódik (reagál önmagával a +6 és +4 állapotok kialakulásához). A +4 állapot (zöld) viszonylag stabil oldatban, de a +3 állapot (sötétzöld vagy sötétvörös, a megvilágítási forrástól függően – nappali fény vs. fluoreszkáló fény) instabil, és könnyen oxidálódik +4-re. A +4 állapot közel semleges pH-jú oldatokban könnyen hidrolizálódik, és fekete oxihidroxid-csapadékot képez.
Hasznosítások
Az uránt az ókori Rómában és a középkorban kerámiamázak és üvegek színezőanyagaként használták, narancsvöröstől a citromsárga árnyalatokig. A közelmúltban narancssárga mázként használták a korabeli Fiestaware© edényekben, de később egészségügyi okokból megszüntették a használatát. Az urán számos kortárs felhasználási módja kihasználja az urán egyedi nukleáris tulajdonságait. Az urán-235 az egyetlen természetesen előforduló hasadó izotóp. Ez azt jelenti, hogy termikus neutronok hatására két vagy három darabra (hasadási termékre) hasadhat. Az urán-238 gyors neutronokkal hasadható, és termékeny, ami azt jelenti, hogy egy atomreaktorban hasadó plutónium-239-é alakítható át. Egy másik hasadó izotóp, az urán-233 természetes tóriumból is előállítható, és szintén fontos a nukleáris technológiában. Míg az urán-238 spontán hasadásának vagy akár a gyors neutronokkal indukált hasadásnak kicsi a valószínűsége, addig az urán-235-nek és kisebb mértékben az urán-233-nak sokkal nagyobb a hasadási keresztmetszete a lassú neutronokra. Megfelelő koncentrációban ezek az izotópok tartós nukleáris láncreakciót tartanak fenn. Ez termeli a hőt az atomerőművi reaktorokban, és állítja elő a nukleáris fegyverek hasadóanyagát. Ezt a nukleáris átalakítást olyan tenyésztőreaktorokban lehet megvalósítani, ahol több új hasadóanyagot lehet előállítani, mint amennyi hasadóanyagot a láncreakció fenntartásához felhasználtak. A szegényített uránt (238U) (szegényített urán-235) balisztikus páncélok áthatolásában és páncéllemezként használják.
Az urán-238 nem hasadó, de termékeny izotóp, mert neutronaktiválás után plutónium-239-et, egy másik hasadó izotópot tud előállítani. Valóban, a238U atommag képes egy neutront elnyelni, hogy az urán-239 radioaktív izotópot hozzon létre. A 239U béta-kibocsátással bomlik neptúnium-239-re, amely szintén béta-kibocsátó, és amely viszont néhány napon belül plutónium-239-re bomlik. A 239Pu-t hasadóanyagként használták az első atombombában, amelyet az 1945. július 15-én Új-Mexikóban végrehajtott “Trinity-kísérlet” során robbantottak fel.
Az urán-235 még nagyobb jelentőségű, mert ez a kulcsa az urán hasznosításának. A 235U, bár a természetes uránban csak 0,71%-ban fordul elő, lassú neutronokkal annyira hasadó, hogy egy természetes uránból és egy megfelelő moderátorból, például nehézvízből vagy grafitból épített reaktorban önmagát fenntartó hasadási láncreakciót lehet létrehozni.
Az urán-235-öt gázdiffúzióval és más fizikai folyamatokkal, ha kívánatos, koncentrálni lehet, és közvetlenül nukleáris üzemanyagként, a természetes urán helyett, vagy robbanóanyagként lehet felhasználni.
A 235U-val kis százalékkal enyhén dúsított természetes uránt az atomerőművi reaktorok üzemanyagaként használják áramtermelésre. A természetes tóriumot neutronokkal besugározva a fontos 233U izotópot lehet előállítani az alábbiak szerint: 232Th(n, gamma) –> 233Th(béta) –> 233Pa(béta) –> 233U. Míg maga a tórium nem hasadható, a 233U igen, és így felhasználható nukleáris üzemanyagként. Egy font teljesen hasadt urán több mint 1500 tonna szén üzemanyagértékével rendelkezik.
A nukleáris üzemanyagok felhasználása elektromos energia előállítására, békés célú izotópok előállítására és robbanóanyagok előállítására jól ismert. Az uránt az USA-ban az Egyesült Államok Nukleáris Szabályozó Bizottsága ellenőrzi. Új felhasználási módokat találnak a szegényített urán, azaz a 235U-t körülbelül 0,2%-ra csökkentett arányú urán felhasználására. Az uránt inerciavezérlő eszközökben, giroszkópos iránytűkben, repülőgépek vezérlőfelületeinek ellensúlyaként, rakéták visszatérő járműveinek ballasztjaként és árnyékoló anyagként használják. Az uránfémet röntgentárcsákhoz használják a nagyenergiájú röntgensugarak előállításához; a nitrátot egykor fényképészeti tonerként, az acetátot pedig az analitikai kémiában használták. Az urán-nitrát kristályai tribolumineszcensek. Az uránsókat sárga “vazelin” üveg és mázak előállítására is használták.
Veszélyek
Az urán és vegyületei mind kémiai, mind radiológiai szempontból rendkívül mérgezőek. A finomra osztott uránfém, mivel piroforos, tűzveszélyes. A természetben az U(VI) lúgos pH-nál jól oldódó karbonátkomplexeket képez. Ez az urán mobilitásának és hozzáférhetőségének növekedéséhez vezet a felszín alatti vizekben és a nukleáris hulladéktárolókból származó talajban, ami egészségügyi veszélyeket okoz. Az uránnal való munkavégzéshez ismerni kell a belélegezhető vagy lenyelhető maximálisan megengedett koncentrációkat. A közelmúltban az urán természetes jelenléte számos talajban aggodalomra ad okot a lakástulajdonosok számára, mivel radioaktív radongáz és leányai keletkeznek, különösen az olyan zárt, alacsony légáramlású helyiségekben, mint például a pincék.
Frissítette: Dr. David Hobart, 2013. július 23.