Terug naar lijst met elementen
 |
Uranium(VI)oxiden of “gele koek” is een tussenstap bij de verwerking van uraniumertsen. |
Uranium
| Atoomnummer: | 92 | Atomaire Straal: | 240 pm (Van der Waals) |
| Atoomsymbool: | U | Smeltpunt: | 1133 °C |
| Atoomgewicht: | 238 | Kookpunt: | 4131 °C |
| Elektronenconfiguratie: | 7s25f36d1 | Oxidatietoestanden: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Geschiedenis
Het gebruik van uranium in zijn natuurlijke oxidevorm gaat terug tot 79 na Chr. toen het werd gebruikt als gele kleurstof in keramisch glazuur. Geel glas met 1% uraniumoxide werd gevonden in een oude Romeinse villa bij Napels, Italië. In de late Middeleeuwen werd pekblende gewonnen uit de zilvermijnen en gebruikt als kleurstof in de glasindustrie. De identificatie van uranium als een element wordt over het algemeen toegeschreven aan Martin H. Klaproth. Toen hij in 1789 met pekblende experimenteerde, concludeerde hij dat het een nieuw element bevatte, dat hij vernoemde naar de pas ontdekte planeet Uranus (genoemd naar de Griekse god van de hemel of hemel). Wat Klaproth in feite identificeerde was niet het zuivere element maar uraniumoxide. Het zuivere metaal werd voor het eerst geïsoleerd in 1841 door Eugène-Melchior Péligot, die watervrij uraniumtetrachloride reduceerde met kaliummetaal.
In 1896 ontdekte Antoine H. Becquerel dat uranium onzichtbaar licht of stralen vertoonde; het was radioactiviteit. In 1934 leidde onderzoek door Enrico Fermi en anderen uiteindelijk tot het gebruik van uraniumsplitsing in het eerste kernwapen dat in een oorlog werd gebruikt en later tot het vreedzame gebruik van uranium als brandstof voor de productie van kernenergie. Een daaropvolgende wapenwedloop tijdens de Koude Oorlog tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie leverde tienduizenden kernwapens op die gebruik maakten van uraniummetaal en van uranium afgeleid plutonium-239. De veiligheid van deze wapens en hun splijtstoffen na het uiteenvallen van de Sovjet-Unie in 1991 is een voortdurende zorg.
In 1972 ontdekte de Franse natuurkundige Francis Perrin oude en niet meer actieve prehistorische natuurlijke kernsplijtingsreactoren in uraniumertsafzettingen in de Oklo-mijn in Gabon, West-Afrika, die gezamenlijk bekend staan als de Oklo Fossil Reactors. De ertsafzetting is 1,7 miljard jaar oud; in die tijd vormde uranium-235 ongeveer 3% van het totale uranium op aarde (0,72% vandaag). Dit is hoog genoeg om een aanhoudende kettingreactie van kernsplijting mogelijk te maken, mits andere ondersteunende geologische omstandigheden aanwezig zijn.
Isotopen
Uranium is zwak radioactief omdat alle natuurlijk voorkomende (of oer-) isotopen van uranium (238U, 235U en 234U) instabiel zijn, met halveringstijden die variëren tussen 159.200 jaar en 4,5 miljard jaar. Er zijn 27 isotopen van uranium bekend, variërend in atoomgewicht 217-219, 222-240 en 242, met een halveringstijd van miljarden jaren tot enkele nanoseconden. Natuurlijk voorkomend uranium bestaat uit drie belangrijke isotopen: 238U (99,28% abundantie), 235U (0,71%), en 234U (0,0054%). (Het US DOE heeft de waarde van 0,711 aangenomen als hun officiële percentage van 235U in natuurlijk uranium). Alle drie isotopen zijn radioactief, met een kleine kans op spontane splijting, maar met een voorkeur voor verval door alfa-emissie. De halveringstijd van uranium-238 is ongeveer 4,47 miljard jaar en die van uranium-235 is 704 miljoen jaar, waardoor ze nuttig zijn voor de datering van de ouderdom van de aarde. Het suggereert ook dat de helft van het uranium dat vanaf de vorming van de aarde bestond, is vervallen tot andere radioactieve elementen en uiteindelijk tot stabiele elementen. Een groot deel van de interne hitte van de aarde wordt toegeschreven aan het verval van radio-isotopen van uranium en thorium.
Uranium-238 is een α-deeltjes uitstoter (af en toe ondergaat het spontane splijting), vervalt door de “Uranium Serie” van nucleair verval, die 18 leden heeft, die uiteindelijk allemaal vervallen in lood-206, door een verscheidenheid van verschillende verval paden. De vervalreeks van 235U, die de actiniumreeks wordt genoemd, heeft 15 leden, die uiteindelijk alle in lood-207 vervallen. De constante vervalsnelheden in deze vervalreeksen maken de vergelijking van de verhoudingen tussen moeder- en dochterelementen nuttig bij radiometrische datering. Uranium-234 is een lid van de “Uranium-reeks”, en het vervalt tot lood-206 via een reeks relatief kortlevende isotopen. Uranium-233 wordt uit thorium-232 gemaakt door neutronenbeschieting, gewoonlijk in een kernreactor, en 233U is ook splijtbaar. De vervalreeks eindigt met thallium-205.
Bronnen
Uranium is het zwaarste in de natuur voorkomende element dat in grote hoeveelheden beschikbaar is. De zwaardere “transuranen” zijn ofwel door de mens vervaardigd, ofwel komen zij als activeringsprodukten slechts in sporenhoeveelheden voor in uraniumertsafzettingen. Uranium komt van nature voor in lage concentraties van enkele delen per miljoen in bodem, gesteente en water, en wordt commercieel gewonnen uit uraniumhoudende mineralen. Uranium is niet zo zeldzaam als vroeger werd gedacht, maar is nu overvloediger dan kwik, antimoon, zilver of cadmium, en ongeveer even overvloedig als molybdeen of arseen. Het komt voor in talrijke natuurlijke mineralen zoals pekblende, uraniniet, carnotiet, autuniet, uranofaan, en toberniet. Het wordt ook gevonden in fosfaatgesteenten, bruinkool, monazietzand, en wordt commercieel gewonnen uit deze bronnen. Het Ministerie van Energie van de Verenigde Staten koopt uranium aan in de vorm van aanvaardbare U3O8-concentraten. Dit stimuleringsprogramma heeft de bekende uraniumreserves sterk doen toenemen.
Eigenschappen
Puur uranium is een zilverwit, zwak radioactief metaal, dat harder is dan de meeste elementen. Het is kneedbaar, buigzaam, licht paramagnetisch, sterk elektropositief en is een slechte elektrische geleider. Uraniummetaal heeft een zeer hoge dichtheid, het is ongeveer 70% dichter dan lood, maar iets minder dicht dan goud. Uraniummetaal vertoont in drie kristallografische modificaties: alpha –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. Uranium is pyrofoor wanneer het fijn verdeeld is. Het is iets zachter dan staal en wordt in fijn verdeelde toestand door koud water aangetast. In lucht wordt uraniummetaal bedekt met een oxidelaag. Zuren lossen het metaal op en vormen de oxidatietoestand +3, die snel oxideert door water en lucht om hogere oxidatietoestanden te vormen. Uraniummetaal wordt niet aangetast door alkaliën. Uraniummetaal kan worden bereid door reductie van uraniumhalogeniden met alkali- of aardalkalimetalen of door reductie van uraniumoxiden met calcium, aluminium of koolstof bij hoge temperaturen. Het metaal kan ook worden geproduceerd door elektrolyse van KUF5 of UF4, opgelost in een gesmolten zoutmengsel van CaCl2 en NaCl. Hoogzuiver uranium kan worden bereid door de thermische ontleding van uraniumhalogeniden op een hete gloeidraad.
Uraniummetaal reageert met bijna alle niet-metaalelementen en hun verbindingen, waarbij de reactiviteit toeneemt met de temperatuur. Zoutzuur en salpeterzuur lossen uranium op, maar andere niet-oxiderende zuren dan zoutzuur vallen het element zeer langzaam aan. In fijn verdeelde vorm kan het reageren met koud water. In lucht oxideert uraniummetaal en wordt het bedekt met een donkere laag uraniumoxide. Uranium vormt een verscheidenheid van legeringen en verbindingen met als belangrijkste oxidatietoestanden uranium(IV) en uranium(VI), en hun twee overeenkomstige oxiden zijn respectievelijk uraniumdioxide, UO2 en uraniumtrioxide, UO3. Naast de oxiden zijn andere belangrijke uraniumverbindingen onder meer fluoriden, chloriden, bromiden, jodiden, carbonaten, hydriden, carbiden, nitriden, fosfaten, enz. Bij kamertemperatuur heeft uraniumhexafluoride, UF6, een hoge dampdruk, waardoor het nuttig is in het gasdiffusieproces dat wordt gebruikt om het zeldzame U-235 te scheiden van het gewone U-238 isotoop. Uraniumhydriden, nitriden en carbiden zijn relatief inerte halfmetaalverbindingen die minimaal oplosbaar zijn in zuren en zijn gebruikt als stabiele brandstofpellets in kernreactortechnologie.
Uranium bestaat in waterige oplossingen in de oxidatietoestanden +3, +4, +5, en +6. Oxidatietoestand +6 als het UO22+ ion (geel van kleur) is de meest stabiele toestand in oplossing. Uranium in de +5 toestand als het UO2+ ion is kleurloos, vrij onstabiel en disproportioneert (reageert met zichzelf) om de +6 en +4 toestanden te vormen. De +4 toestand (groen) is redelijk stabiel in oplossing, maar de +3 toestand (donkergroen of donkerrood afhankelijk van de verlichtingsbron – daglicht vs. fluorescerend licht) is onstabiel en oxideert gemakkelijk tot +4. De +4 toestand in bijna neutrale pH oplossingen hydrolyseert gemakkelijk om zwarte oxy-hydroxide neerslag te vormen.
Toepassingen
Uranium werd gebruikt als kleurstof in keramische glazuren en glas in het oude Rome en in de Middeleeuwen, waarbij oranjerode tot citroengele tinten werden geproduceerd. Meer recent werd het gebruikt als een oranje glazuur in hedendaags Fiestaware© vaatwerk, maar dit werd later om gezondheidsredenen stopgezet. Veel hedendaagse toepassingen van uranium maken gebruik van zijn unieke nucleaire eigenschappen. Uranium-235 is de enige natuurlijk voorkomende splijtbare isotoop. Dit betekent dat het door thermische neutronen kan worden gesplitst in twee of drie fragmenten (splijtingsproducten). Uranium-238 is splijtbaar door snelle neutronen en is vruchtbaar, hetgeen betekent dat het in een kernreactor kan worden getransmuteerd tot splijtbaar plutonium-239. Een andere splijtbare isotoop, uranium-233, kan worden geproduceerd uit natuurlijk thorium en is ook belangrijk in de nucleaire technologie. Terwijl uranium-238 een kleine kans heeft op spontane splijting of zelfs geïnduceerde splijting met snelle neutronen, hebben uranium-235 en in mindere mate uranium-233 een veel grotere splijtingsdoorsnede voor langzame neutronen. In voldoende concentratie houden deze isotopen een aanhoudende nucleaire kettingreactie in stand. Dit genereert de warmte in kernreactoren, en produceert de splijtstof voor kernwapens. Deze nucleaire conversie kan tot stand worden gebracht in kweekreactoren waar het mogelijk is meer nieuw splijtbaar materiaal te produceren dan het splijtbaar materiaal dat wordt gebruikt om de kettingreactie in stand te houden. Verarmd uranium (238U) (verarmd van uranium-235) wordt gebruikt in balistische pantserpenetratie en als pantserbeplating.
Uranium-238 is niet splijtbaar, maar is wel een vruchtbare isotoop, omdat het na neutronenactivering plutonium-239 kan produceren, een andere splijtbare isotoop. De kern238U kan namelijk één neutron absorberen om de radioactieve isotoop uranium-239 te produceren. 239U vervalt door bèta-emissie tot neptunium-239, eveneens een bèta-emitter, dat op zijn beurt binnen enkele dagen vervalt tot plutonium-239. 239Pu werd gebruikt als splijtstof in de eerste atoombom die tot ontploffing werd gebracht in de “Trinity test” op 15 juli 1945 in New Mexico.
Uranium-235 is van nog groter belang omdat het de sleutel is tot het gebruik van uranium. 235U, hoewel slechts voor 0,71% voorkomend in natuurlijk uranium, is zo splijtbaar met langzame neutronen dat een zichzelf onderhoudende splijtingskettingreactie kan worden gemaakt in een reactor die is opgebouwd uit natuurlijk uranium en een geschikte moderator, zoals zwaar water of grafiet, alleen.
Uranium-235 kan desgewenst door gasdiffusie en andere fysische processen worden geconcentreerd en direct als splijtstof worden gebruikt, in plaats van natuurlijk uranium, of als explosief worden gebruikt.
Natuurlijk uranium, licht verrijkt met 235U met een klein percentage, wordt gebruikt om kernreactoren van brandstof te voorzien voor het opwekken van elektriciteit. Natuurlijk thorium kan als volgt met neutronen worden bestraald om de belangrijke isotoop 233U te produceren: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Hoewel thorium zelf niet splijtbaar is, is 233U dat wel, en kan het op deze wijze als splijtstof worden gebruikt. Een pond volledig splijtbaar uranium heeft de brandstofwaarde van meer dan 1500 ton steenkool.
Het gebruik van splijtstoffen voor het opwekken van elektrische energie, voor het maken van isotopen voor vreedzame doeleinden, en voor het maken van explosieven is welbekend. Uranium in de U.S.A. wordt gecontroleerd door de U.S. Nuclear Regulatory Commission. Er worden nieuwe toepassingen gevonden voor verarmd uranium, d.w.z. uranium waarvan het percentage 235U tot ongeveer 0,2% is verlaagd. Uranium wordt gebruikt in traagheidsgeleiders, in gyrokompassen, als tegengewicht voor stuurvlakken van vliegtuigen, als ballast voor terugkeervoertuigen van raketten en als afschermingsmateriaal. Uraniummetaal wordt gebruikt voor röntgendoelwitten voor de productie van hoogenergetische röntgenstralen; het nitraat werd ooit gebruikt als fotografische toner, en het acetaat werd ooit gebruikt in de analytische chemie. Kristallen van uraniumnitraat zijn triboluminescent. Uraniumzouten zijn ook gebruikt voor de productie van geel “vaseline” glas en glazuren.
Gevaren
Uranium en zijn verbindingen zijn zeer giftig, zowel uit chemisch als uit radiologisch oogpunt. Fijn verdeeld uraniummetaal is pyrofoor en vormt een brandgevaar. In de natuur vormt U(VI) goed oplosbare carbonaatcomplexen bij alkalische pH. Dit leidt tot een verhoogde mobiliteit en beschikbaarheid van uranium in het grondwater en de bodem van opslagplaatsen voor kernafval, wat gezondheidsrisico’s inhoudt. Werken met uranium vereist kennis van de maximaal toelaatbare concentraties die mogen worden ingeademd of ingeslikt. Onlangs is de natuurlijke aanwezigheid van uranium in veel bodems een bron van zorg geworden voor huiseigenaren vanwege het ontstaan van radioactief radongas en zijn dochters, vooral in besloten ruimten met een geringe circulatie zoals kelders.
Geactualiseerd door Dr. David Hobart, 23 juli 2013