Уран (элемент)

Уран (U)
Атомный номер	92
Внешний вид простого вещества	150px
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	238.0289 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	138 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f3 6d1 7s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	142 пм
Радиус иона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,38
Электродный потенциал	U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В
Степени окисления	6, 5, 4, 3
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	19,05 г/см³
Удельная теплоёмкость	0,115 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	27,5 Вт/(м·K)
Температура плавления	1405,5 K
Теплота плавления	12,6 кДж/моль
Температура кипения	4018 K
Теплота испарения	417 кДж/моль
Молярный объём	12,5 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	орторомбическая
Период решётки	2,850 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	n/a K

Ура́н — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса 238,029; обозначается символом U (лат. Uranium), относится к семейству актиноидов.

История

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики.

Нахождение в природе

Файл:UraniumUSGOV.jpg

Уранинитовая руда

Уран широко распространён в природе. Кларк урана составляет 1·10^-3% (вес.). Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1,3·10¹⁴ т.

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Важнейшими урановыми рудами являются урановая смолка (уранинит) и карнотит.

Минерал	Основной состав минерала	Содержание урана, %
Уранинит	UO2, UO3 + ThO2, CeO2	65-74
Карнотит	K2(UO2)2(VO4)2·2H2O	~50
Казолит	PbO2·UO3·SiO2·H2O	~40
Самарскит	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6	3.15-14
Браннерит	(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15	40
Тюямунит	CaO·2UO3·V2O5·nH2O	50-60
Цейнерит	Cu(UO2)2(AsO4)2·nH2O	50-53
Отенит	Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Шрекингерит	Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O	25
Уранофан	CaO·UO2·2SiO2·6H2O	~57
Фергюсонит	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4	0.2-8
Торбернит	Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Коффинит	U(SiO4)1-x(OH)4x	~50

Изотопы

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: ²³⁸U — 99,2739 %, период полураспада T_1/2 = 4,468×10⁹ лет, ²³⁵U — 0,7024 % (T_1/2 = 7,038×10⁸ лет) и ²³⁴U — 0,0057 % (T_1/2 = 2,455×10⁵ лет). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда ²³⁸U.

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами ²³⁵U и ²³⁴U, в равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа ²³⁵U в природном уране в 21 раз меньше активности ²³⁸U.

Известно 11 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 227 до 240. Наиболее долгоживущий из них — ²³³U (T_1/2 = 1,62×10⁵лет) получается при облучении тория нейтронами и способен к спонтанному делению тепловыми нейтронами.

Изотопы урана ²³⁸U и ²³⁵U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF₄. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO₂(NO₃)₂, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO₄·2H₂O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO₃, которую восстанавливают водородом до UO₂.

На диоксид урана UO₂ при температуре от 430 до 600 °C воздействуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида UF₄. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

Физические свойства

Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7 °C), бета (четырёхугольная, стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8 °C до точки плавления).

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (выделены природные изотопы):

Массовое число	Период полураспада	Тип распада
234	2,45·105 лет	α
235	7,13·108 лет	α
236	2,39·107 лет	α
237	6,75 сут.	β-
238	4,49·109 лет	α
239	23,54 мин.	β-
240	14 час.	β-

Химические свойства

Уран может проявлять степени окисления от +III до +VI. Соединения урана(III) образуют неустойчивые растворы красного цвета и являются сильными восстановителями:

4UCl₃ + 2H₂O → 3UCl₄ + UO₂ + H₂↑

Соединения урана(IV) являются наиболее устойчивыми и образуют водные растворы зелёного цвета.

Соединения урана(V) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

2UO₂Cl → UO₂Cl₂ + UO₂

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U₃O₈. При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Уран имеет четыре степени окисления — III—VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись урана (окись уранила) UO₃ и уранилхлорид урана UO₂Cl₂. Тетрахлорид урана UCl₄ и диоксид урана UO₂ — примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются в присутствии яркого света или органики.

Применение

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (критическая масса около 50 кг). Выделение изотопа U²³⁵ из природного урана — сложная технологическая проблема, (см. разделение изотопов).

Изотоп U²³⁸ способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом ²³⁸U может превращаться в ²³⁹Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Другие сферы применения

• Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (см. Урановое стекло).
• Уранат натрия Na₂U₂O₇ использовался как жёлтый пигмент в живописи.
• Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).
• Некоторые соединения урана светочувствительны.
• В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).
• Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

Обеднённый уран

После извлечения ²³⁵U и ²³⁴U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF₆).

Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него ²³⁴U. Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Файл:30mm DU slug.jpg

Наконечник (вкладыш) снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана.

Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость.

Подобные сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперенных снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий.

Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони (см. Пирофорность). Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе.

Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Физиологическое действие

80px

В микроколичествах (10⁻⁵—10⁻⁸ %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10⁻⁷г.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Добыча урана в мире

Файл:KarteUrangewinnung.png

10 стран, ответственных за 94 % мировой добычи урана

Согласно «Красной книге по урану», выпущенной ОЭСР, в 2005 добыто 41 250 тонн урана (в 2003 — 35 492 тонны). Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения, которые потребляют в год 67 тыс. тонн урана. Это означает, что его производство обеспечивает лишь 60 % объёма его потребления (остальное извлекается из старых ядерных боеголовок).

Добыча по странам в тоннах по содержанию U на 2005—2006 гг.

Страна	2005 год
Канада	11 410
Австралия	9044
Казахстан	4020
Россия	3570
США	1249
Украина	920
Китай	920

Добыча по компаниям в 2006 г.

• Cameco — 8,1 тыс. тонн
• Rio Tinto — 7 тыс. тонн
• AREVA — 5 тыс. тонн
• Казатомпром — 3,8 тыс.тонн
• ОАО ТВЭЛ — 3,5 тыс. тонн
• BHP Billiton — 3 тыс. тонн
• Навоийский ГМК — 2,1 тыс. тонн (Узбекистан, Навои)
• Uranium One — 1 тыс. тонн
• Heathgate — 0,8 тыс. тонн
• Denison Mines — 0,5 тыс. тонн

Добыча в России

На месторождении в Читинской области (около города Краснокаменск) добывается около 93 % российского урана. Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав корпорации «ТВЭЛ».

Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская область) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).

Полученные руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

Стоимость

Несмотря на бытующие легенды о десятках тысяч долларов за килограммовые или даже грамовые количества урана, реальная его цена на рынке не очень высока — природная окись урана U₃O₈ стоит порядка 200 американских долларов за килограмм . Связано это с тем, что для запуска даже маломощного атомного реактора нужны тонны топлива, а для изготовления ядерного оружия следует обогатить большое количество урана для получения пригодных для создания бомбы концентраций .

См. также

• Разделение изотопов
• Ядерное топливо
• Урановое стекло

Ссылки

• Уран на Webelements
• Уран в Популярной библиотеке химических элементов
• [5]

	Уран (элемент) на Викискладе?

---

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Уран (элемент). Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

---