Tillbaka till Elementlistan
 |
Uran(VI)oxider eller ”yellow cake” är ett mellansteg i behandlingen av uranmalm. |
Uran
| Atomnummer: | 92 | Atomradie: | 240 pm (Van der Waals) |
| Atomkods: | U | Smältpunkt: | 1133 °C |
| Atomvikt: | 238 | Skokpunkt: | 4131 °C |
| Elektronkonfiguration: | 7s25f36d1 | Oxidationstillstånd: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Historia
Användningen av uran i sin naturliga oxidform går tillbaka till år 79 e.Kr. då det användes som ett gult färgämne i keramiska glasyrer. Gult glas med 1 % uranoxid hittades i en gammal romersk villa nära Neapel i Italien. I slutet av medeltiden utvanns beckblände från silvergruvorna och användes som färgämne i glasindustrin. Identifieringen av uran som grundämne tillskrivs i allmänhet Martin H. Klaproth. När han experimenterade med beckblände 1789 kom han fram till att den innehöll ett nytt grundämne, som han uppkallade efter den nyupptäckta planeten Uranus (uppkallad efter den grekiska guden för himlen eller himmelen). Vad Klaproth i själva verket identifierade var inte det rena grundämnet utan uranoxid. Den rena metallen isolerades först 1841 av Eugène-Melchior Péligot, som reducerade vattenfri urantetraklorid med kaliummetall.
1896 upptäckte Antoine H. Becquerel att uran uppvisade osynligt ljus eller osynliga strålar; det var radioaktivitet. År 1934 ledde forskning av Enrico Fermi och andra så småningom till att uranfission användes i det första kärnvapnet som användes i krig och senare till fredlig användning av uran som bränsle i kärnkraftsproduktion. Den efterföljande kapprustningen under det kalla kriget mellan USA och Sovjetunionen resulterade i tiotusentals kärnvapen som använde uranmetall och plutonium-239 som härrörde från uran. Säkerheten för dessa vapen och deras klyvbara material efter Sovjetunionens upplösning 1991 är ett ständigt problem.
1972 upptäckte den franske fysikern Francis Perrin gamla och inte längre aktiva förhistoriska naturliga kärnklyvningsreaktorer i uranmalmsfyndigheter vid Oklo-gruvan i Gabon, Västafrika, som tillsammans kallas Oklo Fossil Reactors. Malmfyndigheten är 1,7 miljarder år gammal; vid den tiden utgjorde uran-235 cirka 3 % av det totala uranet på jorden (0,72 % idag). Detta är tillräckligt högt för att möjliggöra en ihållande kedjereaktion av kärnklyvning, förutsatt att andra stödjande geologiska förhållanden föreligger.
Isotoper
Uran är svagt radioaktivt eftersom alla naturligt förekommande (eller primordiala) isotoper av uran (238U, 235U och 234U) är instabila, med halveringstider som varierar mellan 159 200 år och 4,5 miljarder år. Det finns 27 kända isotoper av uran med atomvikter på 217-219, 222-240 och 242, med halveringstider från miljarder år till några nanosekunder. Naturligt förekommande uran består av tre huvudisotoper: 238U (99,28 %), 235U (0,71 %) och 234U (0,0054 %). (US DOE har antagit värdet 0,711 som sin officiella procentandel av 235U i naturligt uran). Alla tre isotoperna är radioaktiva, med små sannolikheter för att genomgå spontan klyvning men sönderfaller företrädesvis genom alfaemission. Halveringstiden för uran-238 är cirka 4,47 miljarder år och halveringstiden för uran-235 är 704 miljoner år, vilket gör dem användbara för att datera jordens ålder. Det tyder också på att hälften av det uran som fanns från jordens bildning har sönderfallit till andra radioaktiva grundämnen och så småningom till stabila grundämnen. En stor del av jordens inre värme tros kunna tillskrivas sönderfallet av radioisotoper av uran och torium.
Uran-238 är en α-partikelavsändare (ibland genomgår det spontan fission), som sönderfaller genom ”Uran-serien” av kärnkraftens sönderfall, som har 18 medlemmar, som alla så småningom sönderfaller till bly-206, genom en mängd olika sönderfallsvägar. Sönderfallsserien för 235U, som kallas aktiniumserien, har 15 medlemmar, som alla slutligen sönderfaller till bly-207. De konstanta sönderfallshastigheterna i dessa sönderfallsserier gör att jämförelsen av förhållandet mellan föräldraelement och dotterelement är användbar vid radiometrisk datering. Uran-234 är en medlem av ”uranserien”, och det sönderfaller till bly-206 genom en serie relativt kortlivade isotoper. Uran-233 tillverkas av torium-232 genom neutronbombning, vanligtvis i en kärnreaktor, och 233U är också klyvbart. Dess sönderfallsserie slutar med thallium-205.
Källor
Uran är det tyngsta naturligt förekommande grundämne som finns tillgängligt i stora mängder. De tyngre ”transuraniska” grundämnena är antingen konstgjorda eller så förekommer de endast i spårmängder i uranmalmsfyndigheter som aktiveringsprodukter. Uran förekommer naturligt i låga koncentrationer på några få miljondelar i jord, berg och vatten och utvinns kommersiellt från uranhaltiga mineraler. Uran, som inte är så sällsynt som man tidigare trodde, anses nu vara rikligare än kvicksilver, antimon, silver och kadmium och ungefär lika vanligt som molybden och arsenik. Det förekommer i många naturliga mineraler som beckblände, uraninit, carnotit, autunit, uranofan och tobernit. Det finns också i fosfatstenar, brunkol och monazitsand och utvinns kommersiellt från dessa källor. Förenta staternas energidepartement köper uran i form av godtagbara U3O8-koncentrat. Detta stimulansprogram har kraftigt ökat de kända uranreserverna.
Egenskaper
Rent uran är en silvervit, svagt radioaktiv metall som är hårdare än de flesta grundämnen. Den är formbar, duktil, svagt paramagnetisk, starkt elektropositiv och är en dålig elektrisk ledare. Uranmetall har en mycket hög densitet och är ungefär 70 % tätare än bly, men något mindre tät än guld. Uranmetall uppvisar tre kristallografiska modifieringar: alfa –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. Uran är pyroforiskt när det är finfördelat. Det är lite mjukare än stål och angrips av kallt vatten i finfördelat tillstånd. i luft blir uranmetall belagd med ett oxidskikt. Syror löser upp metallen och bildar oxidationstillstånd +3 som snabbt oxideras av vatten och luft för att bilda högre oxidationstillstånd. Uranmetall påverkas inte av alkalier. Uranmetall kan framställas genom att reducera uranhalogenider med alkali- eller jordalkalimetaller eller genom att reducera uranoxider med kalcium, aluminium eller kol vid höga temperaturer. Metallen kan också framställas genom elektrolys av KUF5 eller UF4, löst i en smält saltblandning av CaCl2 och NaCl. Högrent uran kan framställas genom termisk nedbrytning av uranhalogenider på en varm glödtråd.
Uranmetall reagerar med nästan alla icke-metalliska grundämnen och deras föreningar, och reaktiviteten ökar med temperaturen. Saltsyra och salpetersyra löser upp uran, men andra icke oxiderande syror än saltsyra angriper grundämnet mycket långsamt. När det är finfördelat kan det reagera med kallt vatten. I luft oxiderar uranmetall och blir belagd med ett mörkt lager av uranoxid. Uran bildar en mängd olika legeringar och föreningar där de viktigaste oxidationsstaterna är uran(IV) och uran(VI), och deras två motsvarande oxider är urandioxid, UO2 respektive urantrioxid, UO3. Förutom oxiderna finns andra viktiga uranföreningar som fluorider, klorider, bromider, jodider, karbonater, hydrider, karbider, nitrider, fosfater osv. Vid rumstemperatur har uranhexafluorid, UF6, ett högt ångtryck, vilket gör den användbar i den gasdiffusionsprocess som används för att separera den sällsynta isotopen U-235 från den vanliga isotopen U-238. Uranhydrider, -nitrider och -karbider är relativt inerta halvmetalliska föreningar som är minimalt lösliga i syror och har använts som stabila bränslepellets i kärnkraftsreaktorteknik.
Uran förekommer i vattenlösningar i oxidationstillstånden +3, +4, +5 och +6. Oxidationstillstånd +6 som UO22+-jonen (gul färg) är det stabilaste tillståndet i lösning. Uran i +5-tillståndet som UO2+-jonen är färglöst, ganska instabilt och disproportioneras (reagerar med sig själv) för att bilda +6- och +4-tillstånden. +4-tillståndet (grönt) är någorlunda stabilt i lösning, men +3-tillståndet (mörkgrönt eller mörkrött beroende på belysningskälla – dagsljus kontra lysrör) är instabilt och oxiderar lätt till +4. I nära neutrala pH-lösningar hydrolyseras +4-tillståndet lätt och bildar svarta oxyhydroxidutfällningar.
Användningar
Uran användes som färgämne i keramiska glasyrer och glas i det antika Rom och under medeltiden för att producera orangeröda till citrongula nyanser. På senare tid användes det som en orange glasyr i samtida Fiestaware© -serviser, men slutade senare att användas av hälsoskäl. Många moderna användningsområden för uran utnyttjar dess unika kärntekniska egenskaper. Uran-235 är den enda naturligt förekommande klyvbara isotopen. Det innebär att den kan delas i två eller tre fragment (klyvningsprodukter) av termiska neutroner. Uran-238 kan klyvas av snabba neutroner och är fertilt, vilket innebär att det kan omvandlas till klyvbart plutonium-239 i en kärnreaktor. En annan klyvbar isotop, uran-233, kan framställas från naturligt torium och är också viktig inom kärntekniken. Medan uran-238 har en liten sannolikhet för spontan klyvning eller till och med inducerad klyvning med snabba neutroner, har uran-235 och i mindre utsträckning uran-233 ett mycket högre klyvningstvärsnitt för långsamma neutroner. I tillräcklig koncentration upprätthåller dessa isotoper en ihållande nukleär kedjereaktion. Detta genererar värmen i kärnkraftsreaktorer och producerar klyvbart material för kärnvapen. Denna kärnomvandling kan åstadkommas i bridreaktorer där det är möjligt att producera mer nytt klyvbart material än det klyvbara material som används för att upprätthålla kedjereaktionen. Utarmat uran (238U) (utarmat av uran-235) används för att penetrera balistiskt pansar och som pansarplätering.
Uran-238 är inte klyvbart, men är en fruktbar isotop, eftersom det efter neutronaktivering kan producera plutonium-239, en annan klyvbar isotop. Kärnan238U kan nämligen absorbera en neutron för att producera den radioaktiva isotopen uran-239. 239U sönderfaller genom betautstrålning till neptunium-239, som också är en betautstrålare, som i sin tur inom några dagar sönderfaller till plutonium-239. 239Pu användes som klyvbart material i den första atombomben som detonerade i ”Trinity-testet” den 15 juli 1945 i New Mexico.
Uran-235 är av ännu större betydelse eftersom det är nyckeln till att utnyttja uran. 235U, som visserligen förekommer i naturligt uran till endast 0,71 %, är så klyvbart med långsamma neutroner att en självunderhållande kedjereaktion av klyvning kan åstadkommas i en reaktor konstruerad enbart av naturligt uran och en lämplig moderator, t.ex. tungt vatten eller grafit.
Uran-235 kan om så önskas koncentreras genom gasdiffusion och andra fysikaliska processer och användas direkt som kärnbränsle, i stället för naturligt uran, eller användas som sprängämne.
Naturligt uran, lätt anrikat med 235U med en liten procentsats, används som bränsle i kärnkraftsreaktorer för att generera elektricitet. Naturligt torium kan bestrålas med neutroner för att producera den viktiga isotopen 233U på följande sätt: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Torium i sig är inte klyvbart, men 233U är det, och på så sätt kan det användas som kärnbränsle. Ett pund fullständigt klyvbart uran har ett bränslevärde som motsvarar över 1500 ton kol.
Användningarna av kärnbränslen för att generera elkraft, för att framställa isotoper för fredliga ändamål och för att framställa sprängämnen är välkända. Uran i USA kontrolleras av U.S. Nuclear Regulatory Commission. Man finner nya användningsområden för utarmat uran, dvs. uran där andelen 235U har sänkts till ca 0,2 %. Uran används i tröghetsstyrningsapparater, i gyrokompasser, som motvikter för flygplanens styrytor, som ballast för missilers återinträdesfarkoster och som avskärmningsmaterial. Uranmetall används till röntgenmål för framställning av högenergiröntgenstrålar; nitratet användes en gång i tiden som fototoner och acetat användes en gång i tiden inom analytisk kemi. Kristaller av urannitrat är triboluminescerande. Uranium salter har också använts för att framställa gult ”vaselin” glas och glasyrer.
Faror
Uran och dess föreningar är mycket giftiga, både ur kemisk och radiologisk synvinkel. Finfördelad uranmetall är pyrofor och utgör därför en brandrisk. I naturen bildar U(VI) lättlösliga karbonatkomplex vid alkaliskt pH. Detta leder till ökad rörlighet och tillgänglighet för uran i grundvatten och mark från kärnavfallsförvaringsanläggningar, vilket leder till hälsorisker. Arbete med uran kräver kunskap om de högsta tillåtna koncentrationer som kan inandas eller intas. På senare tid har den naturliga förekomsten av uran i många jordar blivit ett bekymmer för husägare på grund av att radioaktiv radongas och dess döttrar bildas, särskilt i slutna utrymmen med låg cirkulation, t.ex. i källare.
Uppdaterad av Dr. David Hobart, 23 juli 2013