Уран – хімічний елемент сімейства актиноїдів з атомним номером 92. Є найважливішим ядерним паливом. Його концентрація у земній корі становить близько 2 частин на мільйон. До важливих уранових мінералів відносяться окис урану (U 3 O 8), уранініт (UO 2), карнотит (ураніл-ванадат калію), отеніт (ураніл-фосфат калію) і торберніт (водний фосфат міді та ураніла). Ці та інші уранові руди є джерелами ядерного палива і містять у багато разів більше енергії, ніж усі відомі родовища викопного палива. 1 кг урану 92 U дає стільки енергії, скільки 3 млн кг вугілля.
Історія відкриття
Хімічний елемент уран – щільний, твердий метал сріблясто-білого кольору. Він пластичний, ковкий і піддається поліруванню. У повітрі метал окислюється та у подрібненому стані загоряється. Щодо погано проводить електрику. Електронна формула урану – 7s2 6d1 5f3.
Хоча елемент був виявлений 1789 р. німецьким хіміком Мартіном Генріхом Клапротом, який назвав його на честь нещодавно відкритої планети Уран, сам метал був ізольований у 1841 р. французьким хіміком Еженом-Мельхіором Пеліго шляхом відновлення з тетрахлориду урану (UCl 4).
Радіоактивність
Створення періодичної системи російським хіміком Дмитром Менделєєвим 1869 року зосередило увагу на урані як на найважчому з відомих елементів, яким він залишався до відкриття нептунія 1940 р. 1896-го французький фізик Анрі Беккерель виявив у ньому явище радіоактивності. Ця властивість пізніше було знайдено у багатьох інших речовинах. Тепер відомо, що радіоактивний у всіх його ізотопах уран складається з суміші 238 U (99,27 %, період напіврозпаду – 4 510 000 000 років), 235 U (0,72 %, період напіврозпаду – 713 000 000 років) та 234 U (0,006%, період напіврозпаду – 247 000 років). Це дозволяє, наприклад, визначати вік гірських порід та мінералів для вивчення геологічних процесів та віку Землі. Для цього вимірюється кількість свинцю, який є кінцевим продуктом радіоактивного розпаду урану. При цьому 238 є вихідним елементом, а 234 U - один з продуктів. 235 U породжує ряд розпаду актинію.
Відкриття ланцюгової реакції
Хімічний елемент уран став предметом широкого інтересу та інтенсивного вивчення після того, як німецькі хіміки Отто Хан та Фріц Штрассман наприкінці 1938 р. за його бомбардування повільними нейтронами виявили в ньому ядерний поділ. На початку 1939 американський фізик італійського походження Енріко Фермі припустив, що серед продуктів розщеплення атома можуть бути елементарні частинки, здатні породити ланцюгову реакцію. У 1939 р. американські фізики Лео Сціллард та Герберт Андерсон, а також французький хімік Фредерік Жоліо-Кюрі та їхні колеги підтвердили це передбачення. Наступні дослідження показали, що в середньому при розподілі атома вивільняється 2,5 нейтрони. Ці відкриття призвели до першої ланцюгової ядерної реакції, що самопідтримується (02.12.1942), першої атомної бомби (16.07.1945), першого її використання в ході військових дій (06.08.1945), першого атомного підводного човна (1955) і першого повномасштабного атомного електростанції. 1957).
Стану окислення
Хімічний елемент урану, будучи сильним електропозитивним металом, реагує з водою. Він розчиняється у кислотах, але не в лугах. Важливими станами окислення є +4 (як в оксиді UO 2 , тетрагалогеніди, таких як UCl 4 і зеленому водному іоні U 4+) і +6 (як в оксиді UO 3 , гексафториді UF 6 і іоні уранила UO 2 2+). У водному розчині уран найбільш стійкий у складі іону уранілу, що має лінійну структуру [О = U = О] 2+ . Елемент також має стани +3 та +5, але вони нестійкі. Червоний U 3+ повільно окислюється у воді, що не містить кисню. Колір іона UO 2 + невідомий, оскільки він зазнає диспропорціонування (UO 2 + одночасно зводиться до U 4+ і окислюється до UO 2 2+) навіть у дуже розбавлених розчинах.
Ядерне паливо
При дії повільних нейтронів розподіл атома урану відбувається в відносно рідкому ізотопі 235 U. Це єдиний природний матеріал, що розщеплюється, і він повинен бути відділений від ізотопу 238 U. Разом з тим після поглинання і негативного бета-розпаду уран-238 перетворюється на синтетичний елемент плу який розщеплюється під впливом повільних нейтронів. Тому природний уран можна використовувати в реакторах-перетворювачах та розмножувачах, в яких розподіл підтримується рідкісним 235 U і одночасно з трансмутацією 238 U виробляється плутоній. З широко поширеного в природі ізотопу торію-232 може бути синтезований 233 U, що ділиться, для використання в якості ядерного палива. Уран також важливий як первинний матеріал, з якого одержують синтетичні трансуранові елементи.
Інші застосування урану
З'єднання хімічного елемента раніше використовувалися як барвники для кераміки. Гексафторид (UF 6) являє собою тверду речовину з надзвичайно високим тиском парів (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 хімічно дуже реактивний, але, незважаючи на його корозійну природу в пароподібному стані, UF 6 широко використовується в газодифузійних та газоцентрифужних методах отримання збагаченого урану.
Металоорганічні сполуки є цікавою і важливою групою сполук, у яких зв'язки метал-вуглець з'єднують метал з органічними групами. Ураноцен є органоуранічним з'єднанням U(С 8 Н 8) 2 , в якому атом урану затиснутий між двома шарами органічних кілець, пов'язаними з циклооктатетраєном C 8 H 8 . Його відкриття 1968 р. відкрило нову галузь металоорганічної хімії.
Збіднений природний уран застосовується як засіб радіаційного захисту, баласту, в бронебійних снарядах та танковій броні.
Переробка
Хімічний елемент, хоча і дуже щільний (19,1 г/см 3), є відносно слабкою, незаймистою речовиною. Дійсно, металеві властивості урану, мабуть, позиціонують його десь між сріблом та іншими справжніми металами та неметалами, тому його не використовують як конструкційний матеріал. Основна цінність урану полягає у радіоактивних властивостях його ізотопів та їх здатності ділитися. У природі майже весь (99,27 %) метал складається з 238 U. Решту становлять 235 U (0,72 %) і 234 U (0,006 %). З цих природних ізотопів тільки 235 U безпосередньо розщеплюється нейтронним опроміненням. Однак при його поглинанні 238 U утворює 239 U, який зрештою розпадається на 239 Pu - матеріал, що ділиться, що має велике значення для атомної енергетики і ядерної зброї. Інший ізотоп, що ділиться, 233 U, може утворитися нейтронним опроміненням 232 Th.
Кристалічні форми
Характеристики урану зумовлюють його реакцію з киснем та азотом навіть у нормальних умовах. При більш високих температурах він вступає в реакцію з широким спектром металів, що легують, утворюючи інтерметалічні сполуки. Утворення твердих розчинів коїться з іншими металами рідко через особливих кристалічних структур, утворених атомами елемента. Між кімнатною температурою та температурою плавлення 1132 °C металевий уран існує у 3 кристалічних формах, відомих як альфа (α), бета (β) та гама (γ). Трансформація з - в - стан відбувається при 668 °C і від - до - при 775 °C. γ-уран має об'ємноцентровану кубічну кристалічну структуру, а β - тетрагональну. α-фаза складається з шарів атомів у високосиметричній орторомбічній структурі. Ця анізотропна спотворена структура перешкоджає атомам легуючих металів замінювати атоми урану або займати простір між ними в кристалічній решітці. Виявлено, що тверді розчини утворюють лише молібден та ніобій.
Руди
Земна кора містить близько 2 частин урану на мільйон, що говорить про його широке поширення в природі. За оцінками, океани містять 4,5×10 9 т цього хімічного елемента. Уран є важливою складовою більш ніж 150 різних мінералів і другорядним компонентом ще 50. Первинні мінерали, виявлені в магматичних гідротермальних жилах і пегматитах, включають уранініт та його різновид настуран. У цих рудах елемент зустрічається у формі діоксиду, який внаслідок окислення може змінюватись від UO 2 до UO 2,67 . Іншою економічно значущою продукцією уранових копалень є аутуніт (гідратований уранілфосфат кальцію), тоберніт (гідратований уранілфосфат міді), кофініт (чорний гідратований силікат урану) і карнотит (гідратований ураніл-ванадат калію).
За оцінками, понад 90% відомих недорогих запасів урану припадає на Австралію, Казахстан, Канаду, Росію, Південну Африку, Нігер, Намібію, Бразилію, КНР, Монголію та Узбекистан. Великі родовища знаходяться в конгломератних скельних утвореннях озера Елліот, розташованого на північ від озера Гурон в Онтаріо, Канада, та у південноафриканському золотому копальні Вітватерсранді. Піщані утворення на плато Колорадо та у Вайомінгському басейні західної частини США також містяться значні запаси урану.
Видобуток
Уранові руди зустрічаються як і приповерхневих, і глибоких (300-1200 м) відкладеннях. Під землею потужність пласта досягає 30 м. Як і у випадку з рудами інших металів, видобуток урану на поверхні провадиться великим землерийним обладнанням, а розробка глибоких відкладень - традиційними методами вертикальних та похилих шахт. Світове виробництво уранового концентрату в 2013 р. становило 70 тис. т. Найбільш продуктивні уранові копальні розташовані в Казахстані (32 % всього видобутку), Канаді, Австралії, Нігері, Намібії, Узбекистані та Росії.
Уранові руди зазвичай включають лише невелику кількість мінералів, що містять урани, і вони не піддаються плавці прямими пірометаллургическими методами. Натомість для вилучення та очищення урану повинні використовуватися гідрометалургійні процедури. Підвищення концентрації значно знижує навантаження на контури обробки, але жоден із звичайних способів збагачення, які зазвичай використовуються для переробки корисних копалин, наприклад гравітаційний, флотація, електростатичний і навіть ручне сортування, не застосовні. За небагатьма винятками, ці методи призводять до значної втрати урану.
Випалення
Гідрометалургійна обробка уранових руд часто передує високотемпературна стадія кальцинування. Випалювання зневоднює глину, видаляє вуглецеві матеріали, окислює сполуки сірки до нешкідливих сульфатів і окислює будь-які інші відновники, які можуть заважати подальшій обробці.
Вилужування
З обпалених руд уран вилучається як кислотними, і лужними водними розчинами. Для успішного функціонування всіх систем вилуговування хімічний елемент повинен або спочатку бути присутнім у більш стабільній 6-валентній формі, або окислюватися до цього стану в процесі обробки.
Кислотне вилуговування зазвичай проводять шляхом перемішування суміші руди і вилуговувача протягом 4-48 год при температурі навколишнього середовища. Крім особливих причин використовується сірчана кислота. Її подають у кількостях, достатніх для одержання кінцевого лугу при рН 1,5. Схеми вилуговування сірчаної кислоти зазвичай використовують або діоксид марганцю, або хлорат для окислення чотиривалентного U 4+ до 6-валентного ураніла (UO 2 2+). Як правило, для окислення U 4+ достатньо приблизно 5 кг двоокису марганцю або 1,5 кг натрію хлорату на тонну. У будь-якому випадку окислений уран реагує із сірчаною кислотою з утворенням уранілсульфатного комплексного аніону 4- .
Руда, що містить значну кількість основних мінералів, таких як кальцит або доломіт, вилуговується 0,5-1-молярним розчином карбонату натрію. Хоча були вивчені та протестовані різні реагенти, основним окислювачем урану є кисень. Зазвичай руди вилуговуються на повітрі при атмосферному тиску і при температурі 75-80 °C протягом періоду часу, який залежить від конкретного хімічного складу. Луг реагує з ураном з утворенням легкорозчинного комплексного іона 4-.
Перед подальшою обробкою розчини, що утворюються в результаті кислотного або карбонатного вилуговування, повинні бути освітлені. Великомасштабний поділ глин та інших рудних шламів здійснюється за рахунок використання ефективних пластівні агентів, у тому числі поліакриламідів, гуарової смоли та тваринного клею.
Екстракція
Складні іони 4- і 4- можуть бути сорбовані з відповідних вилуговують розчинів іонообмінних смол. Ці спеціальні смоли, що характеризуються кінетикою їх сорбції та елюювання, розміром частинок, стабільністю та гідравлічними властивостями, можуть використовуватися в різних технологіях обробки, наприклад, у нерухомому та рухомому шарі, методом іонообмінної смоли в пульпі кошикового та безперервного типу. Зазвичай для елюювання сорбованого урану використовують розчини хлориду натрію та аміаку або нітратів.
Уран можна виділити з кислих рудних лугів шляхом екстракції розчинником. У промисловості використовуються алкілфосфорні кислоти, а також вторинні та третинні алкіламіни. Як правило, екстракція розчинником краща порівняно з іонообмінними методами кислотних фільтратів, що містять більше 1 г/л урану. Однак цей метод не застосовується при карбонатному вилуговуванні.
Потім уран очищають, розчиняючи в азотній кислоті з утворенням уранілнітрату, екстрагують, кристалізують і прожарюють з утворенням триокису UO 3 . Відновлений діоксид UO2 реагує з фтористим воднем з утворенням тетафториду UF4, з якого відновлюється металевий уран магнієм або кальцієм при температурі 1300 °C.
Тетрафторид можна фторувати при температурі 350 °C до утворення гексафториду UF 6 використовуваного для відділення збагаченого урану-235 методом газової дифузії, газового центрифугування або рідкої термодифузії.
Зміст статті
УРАН, U (uranium), металевий хімічний елемент сімейства актиноїдів, які включають Ac, Th, Pa, U та трансуранові елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран набув популярності завдяки використанню його в ядерній зброї та атомній енергетиці. Оксиди урану застосовуються також для фарбування скла та кераміки.
Знаходження у природі.
Вміст урану в земній корі становить 0,003%, він зустрічається в поверхневому шарі землі у вигляді чотирьох видів відкладень. По-перше, це жили уранініту, або уранової смолки (діоксид урану UO 2), дуже багаті на уран, але рідко зустрічаються. Їм супроводжують відкладення радію, оскільки радій є прямим продуктом ізотопного розпаду урану. Такі жили зустрічаються в Заїрі, Канаді (Велике Ведмеже озеро), Чехії та Франції. Другим джерелом урану є конгломерати торієвої та уранової руди разом із рудами інших важливих мінералів. Конгломерати зазвичай містять достатні для отримання кількості золота і срібла, а супутніми елементами стають уран і торій. Великі родовища цих руд перебувають у Канаді, ПАР, же Росії та Австралії. Третім джерелом урану є осадові породи та пісковики, багаті мінералом карнотитом (ураніл-ванадат калію), який містить, крім урану, значну кількість ванадію та інших елементів. Такі руди трапляються у західних штатах США. Залізоранові сланці та фосфатні руди становлять четверте джерело відкладень. Багаті відкладення виявлено у глинистих сланцях Швеції. Деякі фосфатні руди Марокко та США містять значні кількості урану, а фосфатні поклади в Анголі та Центральноафриканській Республіці ще багатші на уран. Більшість лігнітів і деякі вугілля зазвичай містять домішки урану. Багаті ураном відкладення лігнітів виявлені в Північній та Південній Дакоті (США) та бітумному вугіллі Іспанії та Чехії.
Відкриття.
Уран був відкритий у 1789 році німецьким хіміком М.Клапротом, який привласнив ім'я елементу на честь відкриття за 8 років перед цим планети Уран. (Клапрот був провідним хіміком свого часу; він відкрив також інші елементи, у тому числі Ce, Ti та Zr.) Насправді речовина, отримана Клапротом, була не елементним ураном, але окисленою формою його, а елементний уран був вперше отриманий французьким хіміком Е .Пеліго в 1841. З моменту відкриття та до 20 ст. Уран не мав того значення, яке він має зараз, хоча багато його фізичних властивостей, а також атомна маса і щільність були визначені. У 1896 А.Беккерель встановив, що солі урану мають випромінювання, яке засвічує фотопластинку в темряві. Це відкриття активізувало хіміків до досліджень в галузі радіоактивності і в 1898 французькі фізики дружини П.Кюрі та М.Склодовська-Кюрі виділили солі радіоактивних елементів полонію та радію, а Е.Резерфорд, Ф.Содді, К.Фаянс та інші вчені розробили теорію радіо розпаду, що заклало основи сучасної ядерної хімії та атомної енергетики.
Перші застосування урану.
Хоча радіоактивність солей урану була відома, його руди у першій третині нинішнього століття використовувалися лише для отримання супутнього радію, а уран вважався небажаним побічним продуктом. Його використання було зосереджено в основному в технології кераміки та в металургії; оксиди урану широко застосовували для фарбування скла кольору від блідо-жовтого до темнозеленого, що сприяло розвитку недорогих скляних виробництв. Сьогодні вироби цих виробництв ідентифікують як флуоресцентні під ультрафіолетовими променями. Під час Першої світової війни та невдовзі після неї уран у вигляді карбіду застосовували у виробництві інструментальних сталей, аналогічно Mo та W; 4–8% урану замінювали на вольфрам, виробництво якого на той час було обмежене. Для отримання інструментальних сталей у 1914–1926 щорічно виробляли по кілька тонн ферорурану, що містить до 30% (мас.) U. Однак таке застосування урану тривало недовго.
Сучасне застосування урану.
Промисловість урану почала складатися в 1939, коли було здійснено поділ ізотопу урану 235 U, що призвело до технічної реалізації контрольованих ланцюгових реакцій поділу урану в грудні 1942. Це було народження ери атома, коли уран з незначного елемента перетворився на один з найважливіших елементів товариства. Військове значення урану для виробництва атомної бомби та використання як паливо в ядерних реакторах викликали попит на уран, який зріс в астрономічних розмірах. Цікава хронологія зростання потреби в урані з історії відкладень у Великому Ведмежому озері (Канада). У 1930 році в цьому озері була виявлена смоляна обманка - суміш оксидів урану, а в 1932 році на цій ділянці була налагоджена технологія очищення радію. З кожної тонни руди (смоляної обманки) отримували 1 г радію та близько половини тонни побічного продукту – уранового концентрату. Однак радію було мало і його видобуток було припинено. З 1940 по 1942 р. розробку відновили і почали відправку уранової руди до США. У 1949 аналогічне очищення урану з деякими удосконаленнями було застосовано для виробництва чистого UO 2 . Це виробництво зростало, і в даний час воно є одним із найбільших виробництв урану.
Властивості.
Уран – одне із найважчих елементів, які у природі. Чистий метал дуже щільний, пластичний, електропозитивний з малою електропровідністю та високореакційний.
Уран має три алотропні модифікації: a-Уран (орторомбічні кристалічні грати), існує в інтервалі від кімнатної температури до 668 ° С; b-уран (складні кристалічні грати тетрагонального типу), стійкий в інтервалі 668-774 ° С; g-Уран (об'ємноцентровані кубічні кристалічні грати), стійкий від 774 ° С аж до температури плавлення (1132 ° С). Оскільки всі ізотопи урану нестабільні, всі його сполуки виявляють радіоактивність.
Ізотопи урану
238 U, 235 U, 234 U зустрічаються у природі у співвідношенні 99,3:0,7:0,0058, а 236 U – у слідових кількостях. Всі інші ізотопи урану від 226 до 242 U отримують штучно. Ізотоп 235 U має особливо важливе значення. Під впливом повільних (теплових) нейтронів він ділиться зі звільненням величезної енергії. Повне розподіл 235 U призводить до виділення «теплового енергетичного еквівалента» 2Ч 107 кВтЧ год/кг. Поділ 235 U можна використовувати не тільки для отримання більших кількостей енергії, але також для синтезу інших важливих актиноїдних елементів. Уран природного ізотопного складу можна використовувати в ядерних реакторах для виробництва нейтронів, що утворюються при розподілі 235 U, в той же час надлишкові нейтрони, які не потрібні ланцюговою реакцією, можуть захоплюватися іншим природним ізотопом, що призводить до отримання плутонію:
При бомбардуванні 238 U швидкими нейтронами протікають наступні реакції:
Згідно з цією схемою, найбільш поширений ізотоп 238 U може перетворюватися на плутоній-239, який, подібно до 235 U, також здатний ділитися під дією повільних нейтронів.
В даний час отримано велику кількість штучних ізотопів урану. Серед них 233 U особливо примітний тим, що він ділиться при взаємодії з повільними нейтронами.
Деякі інші штучні ізотопи урану часто застосовують як радіоактивні мітки (індикатори) в хімічних і фізичних дослідженнях; це перш за все b-випромінювач 237 U та a-випромінювач 232 U.
З'єднання.
Уран - високореакційний метал - має ступеня окислення від +3 до +6, близький берилію в ряду активності, взаємодіє з усіма неметалами і утворює інтерметалічні з'єднання з Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn та Zn. Тонкороздроблений уран особливо реакційноздатний і при температурах вище 500° часто входить у реакції, характерні для гідриду урану. Шматковий уран або стружка яскраво згоряє при 700-1000 ° С, а пари урану горять вже при 150-250 ° С, HF уран реагує при 200-400 ° С, утворюючи UF 4 і H 2 . Уран повільно розчиняється в концентрованій HF або H 2 SO 4 і 85%-ної H 3 PO 4 навіть при 90 ° С, але легко реагує з конц. HCl і менш активно з HBr або HI. Найбільш активно і швидко протікають реакції урану з розбавленою та концентрованою HNO 3 з утворенням нітрату уранілу ( див. нижче). У присутності HCl уран швидко розчиняється в органічних кислотах, утворюючи органічні солі U4+. Залежно від ступеня окислення уран утворює кілька типів солей (найважливіші серед них з U 4+ , одна з них UCl 4 – сіль зеленого кольору, що легко окислюється); солі уранілу (радикалу UO 2 2+) типу UO 2 (NO 3) 2 мають жовте забарвлення і флуоресціюють зеленим кольором. Солі уранілу утворюються при розчиненні амфотерного оксиду UO 3 (жовте забарвлення) у кислому середовищі. У лужному середовищі UO 3 утворює уранати типу Na 2 UO 4 або Na 2 U 2 O 7 . Останнє з'єднання («жовтий ураніл») застосовують для виготовлення порцелянових глазурів та у виробництві флуоресцентного скла.
Галогеніди урану широко вивчалися в 1940-1950, оскільки на їх основі були розроблені методи поділу ізотопів урану для атомної бомби або ядерного реактора. Трифторид урану UF 3 був отриманий відновленням UF 4 воднем, а тетрафторид урану UF 4 отримують різними способами реакцій HF з оксидами типу UO 3 або U 3 O 8 або електролітичним відновленням сполук уранила. Гексафторид урану UF 6 одержують фторуванням U або UF 4 елементним фтором або дією кисню на UF 4 . Гексафторид утворює прозорі кристали з високим коефіцієнтом заломлення при 64 ° С (1137 мм рт. Ст.); з'єднання летюче (в умовах нормального тиску виганяється при 56,54 ° С). Оксогалогеніди урану, наприклад, оксофториди, мають склад UO 2 F 2 (фторид уранілу), UOF 2 (оксид-дифторид урану).
УРАН (назвою на честь відкритої незадовго до нього планети Уран; лат. uranium * а. uranium; н. Uran; ф. uranium; і. uranio), U, — радіоактивний хімічний елемент III групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 92, атомна маса 238,0289, відноситься до актиноїдів. Природний уран складається з суміші трьох ізотопів: 238 U (99,282%, Т 1/2 4,468.10 9 років), 235 U (0,712%, Т 1/2 0,704.10 9 років), 234 U (0,006%, 1 років). Відомо також 11 штучних радіоактивних ізотопів урану з масовими числами від 227 до 240. 238 U і 235 U - родоначальники двох природних рядів розпаду, в результаті якого вони перетворюються на стабільні ізотопи 206 Pb і 207 Pb відповідно.
Уран відкритий у 1789 у вигляді UO 2 німецьким хіміком М. Г. Клапротом. Металевий уран отриманий у 1841 р. французьким хіміком Е. Пеліго. Тривалий час уран мав дуже обмежене застосування, і лише з відкриттям у 1896 р. радіоактивності почалося його вивчення та використання.
Властивості урану
У вільному стані уран є метал світло-сірого кольору; нижче 667,7°С для нього характерна ромбічна (а=0,28538 нм, b=0,58662 нм, с=0,49557 нм) кристалічні грати (а-модифікація), в інтервалі температур 667,7-774°С - Тетрагональна (а = 1,0759 нм, с = 0,5656 нм; Я-модифікація), при вищій температурі - об'ємноцентровані кубічні грати (а = 0,3538 нм, g-модифікація). Щільність 18700 кг/м 3 , t плавлення 1135°С, t кипіння близько 3818°С, молярна теплоємність 27,66 Дж/(моль.К), питомий електричний опір 29,0.10 -4 (Ом.м), теплопровідність 22, 5 Вт/(м.К), температурний коефіцієнт лінійного розширення 10,7.10 -6 -1 . Температура переходу урану в надпровідний стан 0,68 К; слабкий парамагнетик, питома магнітна сприйнятливість 1,72.10-6. Ядра 235 U і 233 U діляться спонтанно, а також при захопленні повільних та швидких нейтронів, 238 U ділиться тільки при захопленні швидких (більше 1 МеВ) нейтронів. При захопленні повільних нейтронів 238 U перетворюється на 239 Pu. Критична маса урану (93,5% 235U) у водних розчинах менше 1 кг для відкритої кулі близько 50 кг; для 233 U критичного Маса становить приблизно 1/3 від критичної маси 235 U.
Освіта та зміст у природі
Основний споживач урану – ядерна енергетика (ядерні реактори, ядерні силові установки). Крім того, уран застосовується для ядерної зброї. Всі інші сфери використання урану мають різко підпорядковане значення.
У статті розповідається про те, коли було відкрито такий хімічний елемент, як уран, та в яких галузях виробництва в наш час застосовується ця речовина.
Уран - хімічний елемент енергетичної та військової промисловості
У всі часи люди намагалися знайти високоефективні джерела енергії, а в ідеалі - створити так званий На жаль, неможливість його існування теоретично довели і обґрунтували ще в XIX столітті, але вчені все одно ніколи не втрачали надії втілити в життя мрію про такий собі пристрій, який було б здатне видавати велику кількість чистої енергії протягом дуже довгого часу.
Частково це вдалося втілити у життя з відкриттям такої речовини, як уран. Хімічний елемент із цією назвою ліг в основу розробки атомних реакторів, які в наш час забезпечують енергією цілі міста, підводні човни, полярні судна та інше. Щоправда, «чистою» їхню енергію назвати не можна, але в останні роки безліч фірм розробляють для широкого продажу компактні «атомні батарейки» на основі тритію – в них немає рухомих частин і вони безпечні для здоров'я.
Однак у цій статті докладно розберемо історію відкриття хімічного елемента під назвою уран і реакцію поділу його ядер.
Визначення
Уран – хімічний елемент, який має атомний номер 92 у періодичній таблиці Менделєєва. Атомна маса його становить 238,029. Позначається символом U. У нормальних умовах є щільним, важким металом сріблястого кольору. Якщо говорити про його радіоактивність, то сам по собі уран - елемент, що має слабку радіоактивність. Також він не має у своєму складі повністю стабільних ізотопів. А найстабільнішим із існуючих ізотопів вважається уран-338.
З тим, що являє собою цей елемент, ми розібралися, а тепер розглянемо історію його відкриття.
Історія
Така речовина, як природний окис урану, відома людям з давнини, а використовували її древні майстри для виготовлення глазурі, якою покривали різну кераміку для водонепроникності судин та інших виробів, а також їх прикраси.
Важливою датою історії відкриття цього хімічного елемента став 1789 рік. Саме тоді хімік та німець за походженням Мартін Клапрот зміг отримати перший металоподібний уран. А свою назву новий елемент отримав на честь відкритої восьми років раніше планети.
Майже 50 років отриманий тоді уран вважали чистим металом, проте, в 1840 хімік з Франції Ежен-Мелькьор Пеліго зміг довести, що матеріал, отриманий Клапротом, незважаючи на відповідні зовнішні ознаки, зовсім не метал, а оксид урану. Трохи пізніше той самий Пеліго отримав справжній уран - дуже важкий метал сірого кольору. Саме тоді вперше і було визначено атомну вагу такої речовини, як уран. Хімічний елемент в 1874 був поміщений Дмитром Менделєєвим в його знамениту періодичну систему елементів, причому Менделєєв подвоїв атомну вагу речовини в два рази. І лише через 12 років досвідченим шляхом було доведено, що не помилявся у своїх розрахунках.
Радіоактивність
Але по-справжньому широка зацікавленість цим елементом у наукових колах почалася в 1896 році, коли Беккерель відкрив той факт, що уран випромінює промені, які були названі на честь дослідника - промені Беккереля. Пізніше одна з найвідоміших вчених у цій галузі – Марія Кюрі, назвала це явище радіоактивністю.
Наступною важливою датою у вивченні урану прийнято вважати 1899: саме тоді Резерфорд виявив, що випромінювання урану є неоднорідним і ділиться на два типи - альфа-і бета-промені. А через рік Поль Віллар (Війяр) відкрив і третій, останній відомий нам на сьогоднішній день тип радіоактивного випромінювання - так звані гамма-промені.
Через сім років, у 1906 році, Резерфорд на основі своєї теорії радіоактивності провів перші досліди, які мали на меті визначити вік різних мінералів. Ці дослідження започаткували в тому числі формування теорії та практики
Розподіл ядер урану
Але, мабуть, найважливіше відкриття, завдяки якому почався широкий видобуток і збагачення урану як у мирних, і військових цілях, - це процес розподілу ядер урану. Сталося це у 1938 році, відкриття було здійснено силами німецьких фізиків Отто Гана та Фріца Штрассмана. Пізніше ця теорія отримала наукові підтвердження у роботах ще кількох німецьких фізиків.
Суть відкритого ними механізму полягала в наступному: якщо опромінювати ядро ізотопу урану-235 нейтроном, то, захоплюючи вільний нейтрон, воно починає ділитися. І, як ми всі тепер знаємо, цей процес супроводжується виділенням колосальної кількості енергії. Відбувається це в основному завдяки кінетичній енергії самого випромінювання та уламків ядра. Тож тепер ми знаємо, як відбувається розподіл ядер урану.
Відкриття цього механізму та його результатів є відправною точкою для використання урану як у мирних, так і військових цілях.
Якщо говорити про його застосування у військових цілях, то вперше теорію про те, що можна створити умови для такого процесу, як безперервна реакція розподілу ядра урану (оскільки для підриву ядерної бомби потрібна величезна енергія), довели радянські фізики Зельдович і Харитон. Але щоб створити таку реакцію, уран має бути збагачений, оскільки у звичайному своєму стані потрібними властивостями він не має.
З історією цього елемента ми ознайомилися, тепер розберемося, де він застосовується.
Застосування та види ізотопів урану
Після відкриття такого процесу, як реакція ланцюгового поділу урану, перед фізиками постало питання, де можна його використовувати?
В даний час існує два основних напрямки, де використовують ізотопи урану. Це мирна (або енергетична) промисловість та військова. І перша, і друга використовує реакцію ізотопу урану-235, відрізняється лише вихідна потужність. Простіше кажучи, в атомному реакторі немає необхідності створювати та підтримувати цей процес з тією ж потужністю, яка потрібна для здійснення вибуху ядерної бомби.
Отже, було перераховано основні галузі, у яких використовується реакція поділу урану.
Але отримання ізотопу урану-235 - це надзвичайно складне і витратне технологічне завдання, і не кожна держава може дозволити собі побудувати збагачувальні фабрики. Наприклад, для отримання двадцяти тонн уранового палива, в якому вміст ізотопу урану 235 становитиме від 3-5%, потрібно збагатити понад 153 тонни природного, «сирого» урану.
Ізотоп урану-238 в основному застосовують у конструктивній схемі ядерної зброї для збільшення її потужності. Також при захопленні ним нейтрону з подальшим процесом бета-розпаду цей ізотоп може з часом перетворюватися на плутоній-239 - поширене паливо для більшості сучасних атомних реакторів.
Незважаючи на всі недоліки таких реакторів (велика вартість, складність обслуговування, небезпека аварії), їх експлуатація окупається дуже швидко, і вони виробляють незрівнянно більше, ніж класичні теплові або гідроелектростанції.
Також реакція дозволила створити ядерну зброю масового ураження. Воно відрізняється величезною силою, відносною компактністю та тим, що здатне робити непридатним для проживання людей великі площі землі. Щоправда, у сучасному атомному зброї застосовується плутоній, а чи не уран.
Збіднений уран
Існує і такий різновид урану, як збіднений. Він відрізняється дуже низьким рівнем радіоактивності, а отже, небезпечний для людей. Застосовується він знову-таки у військовій сфері, наприклад, його додають до броні американського танка «Абрамс» для надання їй додаткової фортеці. Крім цього, практично у всіх високотехнологічних арміях можна зустріти різні. Крім високої маси, мають вони ще одну дуже цікаву властивість - після руйнування снаряда його осколки і металевий пил самозаймаються. До речі, вперше такий снаряд застосували під час Другої світової війни. Як бачимо, уран - елемент, якому знайшли застосування у різних галузях людської діяльності.
Висновок
За прогнозами вчених, приблизно в 2030 році повністю вичерпаються всі великі родовища урану, після чого почнеться розробка важкодоступних шарів і зростатиме ціна. До речі, сама абсолютно нешкідлива для людей – деякі шахтарі працюють на його видобутку цілими поколіннями. Тепер ми розібралися в історії відкриття цього хімічного елемента та в тому, як застосовують реакцію поділу його ядер.
До речі, відомий цікавий факт - з'єднання урану тривалий час застосовувалися як фарби для порцеляни та скла (так зване аж до 1950-х років).
ВИЗНАЧЕННЯ
Уран- 92-ий елемент Періодичної таблиці. Позначення – U від латинського «uranium». Розташований у сьомому періоді, IIIB групі. Належить до металів. Заряд ядра дорівнює 92.
Уран є метал сріблястого кольору з глянсовою поверхнею (рис. 1). Важкий. Ковкий, гнучкий та м'який. Притаманні властивості парамагнетиків. Для урану характерна наявність трьох модифікацій: α-уран (ромбічна система), β-уран (тетрагональна система) та γ-уран (кубічна система), кожна з яких існує у певному температурному діапазоні.
Мал. 1. Уран. Зовнішній вигляд.
Атомна та молекулярна маса урану
Відносна молекулярна маса речовини(M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента(A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.
Оскільки у вільному стані уран існує як одноатомних молекул U, значення його атомної і молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 238,0289.
Ізотопи урану
Відомо, що стабільних ізотопів уран не має, проте природний уран складається з суміші тих ізотопів 238 U (99,27%), 235 U і 234 U, які є радіоактивними.
Є нестабільні ізотопи урану з масовими числами від 217 до 242-х.
Іони урану
На зовнішньому енергетичному рівні атома урану є три електрони, які є валентними:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5р 6 5d 10 5f 3 6s 2 6р 6 6d 1 7s 2 .
Через війну хімічної взаємодії уран віддає свої валентні електрони, тобто. є їх донором, і перетворюється на позитивно заряджений іон:
U 0 -3e → U 3+ .
Молекула та атом урану
У вільному стані уран існує у вигляді одноатомних молекул U. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу урану:
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
ПРИКЛАД 2
| Завдання | У ряді радіоактивного перетворення урану є такі стадії: 238 92 U → 234 90 Th → 234 91 Pa → X. Які частки випускаються на перших двох стадіях? Який ізотоп Х утворюється на третій стадії, якщо вона супроводжується випромінюванням β-частинки? |
| Відповідь | Визначаємо, як змінюються масове число та заряд ядра радіонукліду на першій стадії. Масове число зменшиться на 4 одиниці, а зарядове – на 2 одиниці, отже, на першій стадії відбувається α-розпад. Визначаємо, як змінюються масове число та заряд ядра радіонукліду на другій стадії. Масове число не змінюється, а заряд ядра збільшується на одиницю, що свідчить про β-розпад. |