Back to Elements List
 |
Tlenki uranu(VI) lub „żółte ciasto” to etap pośredni w przetwarzaniu rud uranu. |
Uran
| Liczba atomowa: | 92 | Promień atomowy: | 240 pm (Van der Waals) |
| Symbol atomowy: | U | Kolejność topnienia: | 1133 °C |
| Masa atomowa: | 238 | Punkt wrzenia: | 4131 °C |
| Konfiguracja elektronów: | 7s25f36d1 | Stany utlenienia: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Historia
Wykorzystanie uranu w jego naturalnej postaci tlenkowej sięga 79 r. n.e., kiedy to został użyty jako żółty barwnik w szkliwach ceramicznych. Żółte szkło z 1% tlenku uranu został znaleziony w starożytnej willi rzymskiej w pobliżu Neapolu, Włochy. W późnym średniowieczu, pitchblende był wydobywany z kopalni srebra i był używany jako barwnik w przemyśle szklarskim. Zidentyfikowanie uranu jako pierwiastka przypisuje się Martinowi H. Klaprothowi. Podczas eksperymentów ze smołą w 1789 r. doszedł on do wniosku, że zawiera ona nowy pierwiastek, który nazwał na cześć nowo odkrytej planety Uran (od imienia greckiego boga nieba). W rzeczywistości Klaproth zidentyfikował nie czysty pierwiastek, lecz tlenek uranu. Czysty metal został po raz pierwszy wyizolowany w 1841 roku przez Eugène-Melchior Péligot, który zredukował bezwodny czterochlorek uranu za pomocą metalu potassium.
W 1896 roku Antoine H. Becquerel odkrył, że uran wykazywał niewidzialne światło lub promienie; to była radioaktywność. W 1934 r. badania prowadzone przez Enrico Fermiego i innych doprowadziły do wykorzystania rozszczepienia uranu w pierwszej broni jądrowej użytej podczas wojny, a później do pokojowego wykorzystania uranu jako paliwa w produkcji energii jądrowej. W wyniku zimnowojennego wyścigu zbrojeń między Stanami Zjednoczonymi a Związkiem Radzieckim wyprodukowano dziesiątki tysięcy sztuk broni jądrowej, w której wykorzystano uran metaliczny i pluton-239 pochodzący z uranu. Bezpieczeństwo tej broni i jej materiałów rozszczepialnych po rozpadzie Związku Radzieckiego w 1991 roku jest przedmiotem ciągłej troski.
W 1972 roku francuski fizyk Francis Perrin odkrył starożytne i już nie aktywne prehistoryczne naturalne reaktory rozszczepienia jądrowego w złożach rudy uranu w kopalni Oklo w Gabonie, w Afryce Zachodniej, wspólnie znane jako Oklo Reaktory kopalne. Złoże rudy ma 1,7 miliarda lat; w tym czasie uran-235 stanowił około 3% całego uranu na Ziemi (obecnie 0,72%). Jest to wystarczająco wysoka zawartość, aby umożliwić wystąpienie trwałej łańcuchowej reakcji rozszczepienia jądra atomowego, pod warunkiem istnienia innych wspomagających warunków geologicznych.
Izotopy
Uran jest słabo promieniotwórczy, ponieważ wszystkie naturalnie występujące (lub pierwotne) izotopy uranu (238U, 235U i 234U) są niestabilne, a ich okresy półtrwania wahają się od 159 200 lat do 4,5 miliarda lat. Znanych jest 27 izotopów uranu o masach atomowych 217-219, 222-240 i 242, których okresy półtrwania wynoszą od miliardów lat do kilku nanosekund. Naturalnie występujący uran składa się z trzech głównych izotopów: 238U (99,28%), 235U (0,71%) i 234U (0,0054%). (US DOE przyjęło wartość 0,711 jako oficjalną zawartość procentową 235U w naturalnym uranie). Wszystkie trzy izotopy są radioaktywne, z niewielkim prawdopodobieństwem ulegają spontanicznemu rozszczepieniu, ale preferują rozpad poprzez emisję alfa. Okres połowicznego rozpadu uranu-238 wynosi około 4,47 miliarda lat, a uranu-235 – 704 miliony lat, co czyni je użytecznymi w datowaniu wieku Ziemi. Sugeruje to również, że połowa uranu, który istniał od momentu powstania Ziemi, rozpadła się na inne pierwiastki promieniotwórcze, a w końcu na pierwiastki stabilne. Uważa się, że znaczną część wewnętrznego ciepła Ziemi można przypisać rozpadowi izotopów promieniotwórczych uranu i toru.
Uran-238 jest emiterem cząstek α (sporadycznie ulega spontanicznemu rozszczepieniu), rozpadając się w „serii uranowej” rozpadu jądrowego, która ma 18 członków, z których wszyscy ostatecznie rozpadają się na ołów-206, za pomocą różnych ścieżek rozpadu. Szereg rozpadu 235U, nazywany szeregiem aktynu, ma 15 członów, z których wszystkie ostatecznie rozpadają się na ołów-207. Stałe tempo rozpadu w tych seriach rozpadu sprawia, że porównanie stosunków pierwiastków macierzystych do pochodnych jest przydatne w datowaniu radiometrycznym. Uran-234 jest członkiem „serii uranowej” i rozpada się do ołowiu-206 poprzez serię stosunkowo krótko żyjących izotopów. Uran-233 jest wytwarzany z toru-232 w wyniku bombardowania neutronami, zwykle w reaktorze jądrowym, a 233U jest również rozszczepialny. Jego seria rozpadów kończy się na tal-205.
Źródła
Uran jest najcięższym naturalnie występującym pierwiastkiem dostępnym w dużych ilościach. Cięższe pierwiastki „transuranowe” są albo wytworzone przez człowieka, albo występują tylko w ilościach śladowych w złożach rud uranu jako produkty aktywacji. Uran występuje naturalnie w niskich stężeniach rzędu kilku części na milion w glebie, skałach i wodzie, a także jest komercyjnie wydobywany z minerałów uranonośnych. Uran, nie tak rzadki jak kiedyś sądzono, jest obecnie uważany za bardziej obfity niż rtęć, antymon, srebro czy kadm, a także mniej więcej tak obfity jak molibden czy arsen. Występuje w wielu naturalnych minerałów, takich jak pitchblende, uraninite, carnotite, autunite, uranophane i tobernite. Występuje również w skałach fosforanowych, węglu brunatnym, piaskach monazitowych i z tych źródeł jest pozyskiwany komercyjnie. Departament Energii Stanów Zjednoczonych kupuje uran w postaci akceptowalnych koncentratów U3O8. Ten program zachęt znacznie zwiększył znane rezerwy uranu.
Właściwości
Czysty uran jest srebrzystobiałym, słabo radioaktywnym metalem, który jest twardszy niż większość pierwiastków. Jest kowalny, ciągliwy, lekko paramagnetyczny, silnie elektropozytywny i jest słabym przewodnikiem elektrycznym. Uran metaliczny ma bardzo wysoką gęstość, jest około 70% gęstszy niż ołów, ale nieco mniej gęsty niż złoto. Uran metal wykazuje w trzech modyfikacji krystalograficznych: alfa –> (688 ° C) –> beta –> (776 ° C) –> gamma. Uran jest piroforyczny, gdy jest drobno podzielony. Jest nieco bardziej miękki niż stal i jest atakowany przez zimną wodę w stanie drobno podzielonym.W powietrzu, uran metal staje się pokryta warstwą tlenku. Kwasy rozpuszczają metal, tworząc stan utleniania +3, który utlenia się szybko przez wodę i powietrze, tworząc wyższe stany utleniania. Uran metaliczny jest niewrażliwy na alkalia. Uran metaliczny może być przygotowany przez redukcję halogenków uranu z metali alkalicznych lub metali ziem alkalicznych lub przez redukcję tlenków uranu przez wapń, aluminium lub węgla w wysokich temperaturach. Metal może być również wytwarzany przez elektrolizę KUF5 lub UF4, rozpuszczonego w stopionej mieszaninie soli CaCl2 i NaCl. Uran wysokiej czystości może być przygotowany przez rozkład termiczny halogenków uranu na gorącym żarniku.
Uran metaliczny reaguje z prawie wszystkimi pierwiastkami niemetalicznymi i ich związkami, przy czym reaktywność rośnie wraz z temperaturą. Kwasy chlorowodorowy i azotowy rozpuszczają uran, ale kwasy nieutleniające inne niż kwas solny atakują ten pierwiastek bardzo powoli. Kiedy jest drobno podzielony, może reagować z zimną wodą. W powietrzu uran metaliczny utlenia się i pokrywa się ciemną warstwą tlenku uranu. Uran tworzy różnorodne stopy i związki z najważniejszymi stanami utlenienia uranu (IV) i uranu (VI), a ich dwa odpowiednie tlenki są, odpowiednio, dwutlenek uranu, UO2 i trójtlenek uranu, UO3. Oprócz tlenków, inne ważne związki uranu obejmują fluorki, chlorki, bromki, jodki, węglany, wodorki, węgliki, azotki, fosforany itp. W temperaturze pokojowej sześciofluorek uranu, UF6, ma wysoką prężność par, co czyni go użytecznym w procesie dyfuzji gazowej stosowanym do oddzielania rzadkiego U-235 od zwykłego izotopu U-238. Wodorki, azotki i węgliki uranu są stosunkowo obojętnymi związkami półmetalicznymi, które są minimalnie rozpuszczalne w kwasach i były stosowane jako stabilne granulki paliwowe w technologii reaktorów jądrowych.
Uran występuje w roztworach wodnych w stanach utlenienia +3, +4, +5 i +6. Stan utleniania +6 jako jon UO22+ (żółty kolor) jest najbardziej stabilnym stanem w roztworze. Uran w stanie +5 jako jon UO2+ jest bezbarwny, dość niestabilny i ulega dysproporcjonowaniu (reaguje z samym sobą) tworząc stany +6 i +4. Stan +4 (zielony) jest dość stabilny w roztworze, ale stan +3 (ciemnozielony lub ciemnoczerwony w zależności od źródła oświetlenia – światło dzienne vs światło fluorescencyjne) jest niestabilny i łatwo utlenia się do +4. Stan +4 w roztworach o pH zbliżonym do obojętnego łatwo ulega hydrolizie, tworząc czarny osad tlenowo-wodorotlenkowy.
Usługi
Uran był stosowany jako barwnik w szkliwach ceramicznych i szkle w starożytnym Rzymie i w średniowieczu, wytwarzając pomarańczowo-czerwone do cytrynowo-żółtych odcieni. Ostatnio był używany jako pomarańczowy glazury we współczesnych Fiestaware© naczynia, ale później został przerwany z powodów zdrowotnych. Wiele współczesnych zastosowań uranu wykorzystuje jego unikalne właściwości jądrowe. Uran-235 ma tę zaletę, że jest jedynym naturalnie występującym izotopem rozszczepialnym. Oznacza to, że może on zostać rozszczepiony na dwa lub trzy fragmenty (produkty rozszczepienia) przez neutrony termiczne. Uran-238 jest rozszczepialny przez neutrony prędkie i jest płodny, co oznacza, że może zostać przekształcony w rozszczepialny pluton-239 w reaktorze jądrowym. Inny rozszczepialny izotop, uran-233, może być produkowany z naturalnego toru i jest również ważny w technologii jądrowej. Podczas gdy uran-238 ma małe prawdopodobieństwo spontanicznego rozszczepienia lub nawet rozszczepienia indukowanego neutronami prędkimi, uran-235 i w mniejszym stopniu uran-233 mają znacznie większy przekrój poprzeczny na rozszczepienie przy neutronach powolnych. W wystarczającej koncentracji izotopy te podtrzymują trwałą jądrową reakcję łańcuchową. W ten sposób powstaje ciepło w reaktorach jądrowych, a także materiał rozszczepialny do produkcji broni jądrowej. Taką konwersję jądrową można przeprowadzić w reaktorach powielających, w których możliwe jest wyprodukowanie większej ilości nowego materiału rozszczepialnego niż materiału rozszczepialnego zużytego do podtrzymania reakcji łańcuchowej. Uran zubożony (238U) (zubożony z uranu-235) jest używany do przebijania pancerzy balistycznych i jako poszycie pancerza.
Uran-238 nie jest rozszczepialny, ale jest izotopem płodnym, ponieważ po aktywacji neutronami może wytworzyć pluton-239, inny izotop rozszczepialny. Istotnie, jądro238U może zaabsorbować jeden neutron i wytworzyć radioaktywny izotop uran-239. 239U rozpada się poprzez emisję beta na neptun-239, również emitujący beta, który z kolei w ciągu kilku dni rozpada się na pluton-239. 239Pu został użyty jako materiał rozszczepialny w pierwszej bombie atomowej zdetonowanej w „teście Trinity” 15 lipca 1945 roku w Nowym Meksyku.
Uran-235 ma jeszcze większe znaczenie, ponieważ jest kluczem do wykorzystania uranu. 235U, choć występuje w naturalnym uranie w ilości zaledwie 0,71%, jest tak rozszczepialny przy pomocy powolnych neutronów, że w reaktorze zbudowanym z naturalnego uranu i odpowiedniego moderatora, takiego jak ciężka woda lub grafit, można przeprowadzić samopodtrzymującą się łańcuchową reakcję rozszczepienia.
Uran-235 może być skoncentrowany przez dyfuzję gazową i inne procesy fizyczne, jeśli jest to pożądane, i użyty bezpośrednio jako paliwo jądrowe, zamiast naturalnego uranu, lub użyty jako materiał wybuchowy.
Naturalny uran, nieznacznie wzbogacony w 235U o niewielki procent, jest używany do zasilania jądrowych reaktorów energetycznych w celu wytwarzania energii elektrycznej. Naturalny tor może być napromieniowany neutronami w celu wytworzenia ważnego izotopu 233U w następujący sposób: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. O ile sam tor nie jest rozszczepialny, o tyle 233U jest i w ten sposób może być wykorzystany jako paliwo jądrowe. Jeden funt całkowicie rozszczepionego uranu ma wartość paliwową ponad 1500 ton węgla.
Zastosowanie paliw jądrowych do wytwarzania energii elektrycznej, do produkcji izotopów do celów pokojowych i do produkcji materiałów wybuchowych są dobrze znane. Uran w USA jest kontrolowany przez Amerykańską Komisję Nadzoru Jądrowego (U.S. Nuclear Regulatory Commission). Nowe zastosowania znajduje uran zubożony, tj. uran o zawartości procentowej 235U obniżonej do około 0,2%. Uran jest stosowany w inercyjnych urządzeniach naprowadzających, w kompasach żyroskopowych, jako przeciwwaga dla powierzchni sterujących samolotów, jako balast dla rakietowych pojazdów zdolnych do powrotu do atmosfery oraz jako materiał osłonowy. Uran metaliczny jest używany w celach rentgenowskich do produkcji wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego; azotan był kiedyś używany jako toner fotograficzny, a octan był kiedyś używany w chemii analitycznej. Kryształy azotanu uranu są triboluminescencyjne. Sole uranu były również używane do produkcji żółtego szkła „wazelinowego” i glazury.
Zagrożenia
Uran i jego związki są bardzo toksyczne, zarówno z chemicznego, jak i radiologicznego punktu widzenia. Drobno podzielony uran metaliczny, jako piroforyczny, stanowi zagrożenie pożarowe. W przyrodzie U(VI) tworzy bardzo dobrze rozpuszczalne kompleksy węglanowe przy alkalicznym pH. Prowadzi to do zwiększenia mobilności i dostępności uranu dla wód gruntowych i gleby ze składowisk odpadów promieniotwórczych, co prowadzi do zagrożeń dla zdrowia. Praca z uranem wymaga znajomości maksymalnych dopuszczalnych stężeń, które mogą być wdychane lub połykane. Ostatnio naturalna obecność uranu w wielu glebach stała się przedmiotem troski właścicieli domów ze względu na wytwarzanie radioaktywnego gazu radonu i jego córek, szczególnie w zamkniętych przestrzeniach o niskiej cyrkulacji, takich jak piwnice.
Uaktualnione przez Dr. David Hobart, 23 lipca 2013
.