Уран

УРАН (названием в честь открытой незадолго до него планеты Уран; лат. uranium * а. uranium; н. Uran; ф. uranium; и. uranio), U, — радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 92, атомная масса 238,0289, относится к актиноидам. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U (99,282%, Т1/2 4,468•109 лет), 235U (0,712%, Т1/2 0,704•109 лет), 234U (0,006%, Т1/2 0,244•106 лет). Известно также 11 искусственного радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 227 до 240. 238U и 235U — родоначальники двух естественные рядов распада, в результате которого они превращаются в стабильные изотопы 206Pb и 207Pb соответственно.

Уран открыт в 1789 в виде UO2 немецким химиком М. Г. Клапротом. Металлический уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго. Длительное время уран имел очень ограниченное применение, и только с открытием в 1896 радиоактивности началось его изучение и использование.

Свойства урана

В свободном состоянии уран представляет собой металл светло-серого цвета; ниже 667,7°С для него характерна ромбическая (а=0,28538 нм, b=0,58662 нм, с=0,49557 нм) кристаллическая решётка (а-модификация), в интервале температур 667,7-774°С — тетрагональная (а=1,0759 нм, с=0,5656 нм; Я-модификация), при более высокой температуре — объёмноцентрированная кубическая решётка (а=0,3538 нм, g-модификация). Плотность 18700 кг/м3, t плавления 1135°С, t кипения около 3818°С, молярная теплоёмкость 27,66 Дж/(моль•К), удельное электрическое сопротивление 29,0•10-4 (Ом•м), теплопроводность 22,5 Вт/(м•К), температурный коэффициент линейного расширения 10,7•10-6 К-1. Температура перехода урана в сверхпроводящее состояние 0,68 К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость 1,72•10-6. Ядра 235U и 233U делятся спонтанно, а также при захвате медленных и быстрых нейтронов, 238U делится только при захвате быстрых (более 1 МэВ) нейтронов. При захвате медленных нейтронов 238U превращается в 239Pu. Критическая масса урана (93,5% 235U) в водных растворах менее 1 кг, для открытого шара около 50 кг; для 233U критического Масса составляет примерно 1/3 от критической массы 235U.

Химические свойства

Для урана характерны степени окисления +3, +4, +5 и +6, иногда +2; наиболее устойчивы соединения четырёх- и шестивалентного урана. На воздухе медленно окисляется, в порошкообразном состоянии пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует диоксид UO2, триоксид и O3 и большое число промежуточных соединений, из которых наиболее важное значение имеет U3О8. Уран реагирует с водой, легко растворяется в соляной и азотной кислотах, медленно — в серной, ортофосфорной и фтористоводородной кислотах. Со щелочами не взаимодействует, при нагревании реагирует с галогенами, азотом, фосфором, образуя такие важные для технологии его производства соединения, как тетрафторид (UF4 — зелёные игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах), гексафторид (UF6 — бесцветное кристаллическое вещество, возгоняющееся при 56,4°С) и моносульфид (US, ядерное горючее). С металлами образует сплавы разных типов. Для 6-валентного урана характерно образование ионов уранила UO22+, чрезвычайно способного к комплексообразованию в водных растворах как с неорганическими, так и с органическими веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и другие комплексы. Уран и его соединения токсичны.

Образование и содержание в природе

Среднее содержание урана в земной коре 2,5•10-4% (по массе), при этом кислые (3,5•10-4%) и осадочные (3,2•10-4%) горные породы содержат значительно больше урана, чем средние (1,8•10-4%), основные (5,0•10-5%) и ультраосновные (3•10-7%) горные породы. Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, в нейтральных и щелочных водах в форме простых и главным образом комплексных ионов. Важную роль в геохимии уран играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку в окислительной среде растворимость урана значительно выше, чем в восстановительной, в связи с чем восстановительная среда способствует осаждению урана из растворов с образованием промышленных скоплений. Известно около 100 минералов, содержащих уран, из которых наиболее важное значение имеют уранинит (U, Th) O2, настуран UO2, урановые черни (смесь оксидов урана с переменным соотношением четырёх- и шестивалентного урана), урановые слюдки [карнотит К(UO2)2(VO4)2•3H2О, тюямунит Ca(UO2)2(VO4)2•nH2О, отенит Ca(UO2)2(PO4)2• •10H2О, торбернит Cu(UO2)2(PO4)2•nH2О]. Важное значение имеют также титанаты уран [браннерит (U, Ca, Ce) (Ti, Fe)2О6], силикаты [коффинит U(SiO4)1-х(OH)], танталониобаты, фосфаты, ванадаты и другие природные урансодержащие минералы.

Реклама



Способность ядер урана к самопроизвольному распаду с образованием в конечном, счёте стабильных изотопов свинца 206Pb (из 238U) и 207Pb (из 235U) широко используется в геохимии для определения возраста пород и минералов. Для определения возраста минералов, содержащих уран, применяют также методы, основанные на самопроизвольном делении 238U с образованием изотопов ксенона и криптона или на образовании следов (треков) осколков деления в минералах. Кроме того, возраст горных пород и минералов можно также измерять, определяя соотношения между начальными и промежуточными членами рядов распада — каждый из этих методов имеет свои области применения в зависимости главным образом от констант распада соответствующих нуклидов.

Получение и применение

Уран получают из руд гидрометаллургическими методами: путём выщелачивания растворами серной (реже азотной) кислоты или содовыми растворами. Применяют методы подземного выщелачивания. Активно разрабатываются также методы извлечения урана из морской воды.

Основной потребитель урана — ядерная энергетика (ядерные реакторы, ядерные силовые установки). Кроме того, уран применяется для производства ядерного оружия. Все остальные области использования урана имеют резко подчинённое значение.