Уран (хімічний елемент)

Уран (U)
Атомний номер	92
Зовнішній вигляд простої речовини	сріблясто-білий щільний в'язкий радіоактивний метал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	238.0289 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	138 пм
Енергія йонізації (перший електрон)	686.4(7.11) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Rn] 5f3 6d1 7s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	142 пм
Радіус йона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Електронегативність (за Полінгом)	1.38
Електродний потенціал	U←U4+ -1.38В U←U3+ -1.66В U←U2+ -0.1В
Ступені окиснення	6, 5, 4, 3
Термодинамічні властивості
Густина	19.05 г/см³
Питома теплоємність	0.115 Дж/(K моль)
Теплопровідність	27.5 Вт/(м К)
Температура плавлення	1405.5 K
Теплота плавлення	12.6 кДж/моль
Температура кипіння	4018 K
Теплота випаровування	417 кДж/моль
Молярний об'єм	12.5 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	орторомбічна
Період ґратки	2.850 Å
Відношення c/a	n/a
Температура Дебая	n/a K
Періодична система елементів H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Уран(лат. Uranium), U – радіоактивний хімічний елемент III групи періодичної системи Менделєєва, належить до сімейства актиноїдів, атомний номер 92, атомна маса 238,029; сріблясто-білий метал.

Загальна характеристика

Механічні властивості урану залежать від його чистоти, від режимів механічної і термічної обробки.

Природний уран складається з суміші трьох ізотопів: ²³⁸U - 99,2739% з періодом напіврозпаду Т1/2 = 4,51·109 років, 2351) - 0,7024% (Т1/2 = 7,13·108 років) і ²³⁴U - 0,0057% (Т1/2 = 2,48·105 років). З 11 штучних радіоактивних ізотопів з масовими числами від 227 до 240 довгоживучий - ²³³U (Т1/2 = 1,62-105 років); він виходить при нейтронному опромінюванні торію. ²³⁸U і ²³⁵U є родоначальниками двох радіоактивних рядів.

Найпоширенішим ізотопом урану є ²³⁸U, найважливішим для застосування в атомних електростанціях - ²³⁵U. Зустрічається також ²³⁴U.

Усі ізотопи урану радіоактивні з великими періодами напіврозпаду.

Історія

Ще в прадавні часи (I століття до нашої ери) природний окис урану використовувався для виготовлення жовтої глазурі для кераміки. Перша важлива дата в історії дослідження урану - 1789 рік, коли німецький натурфілософ і хімік Мартін Генріх Клапрот відновив добуту з саксонської смоляної руди золотисто-жовту "землю" до чорної металоподобної речовини. На честь найбільш далекої з відомих тоді планет (відкритої Гершелем вісьмома роками раніше) Клапрот, вважаючи нову речовину елементом, назвав його ураном. П'ятдесят років уран Клапрота значився металом. Тільки в 1841 французький хімік Ежен Мелькіор Пеліго довів, що, незважаючи на характерний металевий блиск, уран Клапрота не елемент, а оксид UO₂. У 1840 Пеліго вдалося отримати справжній уран - важкий метал сіро-сталевого кольору і визначити його атомну вагу.

Походження назви

Названий на честь бога Урана.

Хімічні властивості

На повітрі повільно окиснюється з утворенням на поверхні плівки двоокису, який не оберігає метал від подальшого окиснення. У порошкоподібному стані уран – профорен – горить яскравим полум'ям. З киснем утворює двоокис UO₂, триокис UO_З і велике число проміжних оксидів, найважливіший з яких U₃О₈. Ці проміжні оксиди за властивостями близькі до UO₂ і UO_З.

В природі уран найчастіше зустрічається у вигляді закису урану U₃O₈, який легко розчиняється в суміші натрій карбонату та гідрокарбонату, чим користуються при відокремленні від супутніх домішок:

2U₃O₈+12Na₂CO₃+O₂=6Na₄[UO₂(CO₃)₃+6NaOH

Існує багато інших оксидів урану, найважливіший для використання в атомній енергетиці UO₂.

UF₆ - летка речовина, тому використовується в технології збагачення урану.

UF₆+2Ca=2CaF₂+U

Уран і його сполуки радіаційно і хімічно токсичні. Гранично допустима доза (ПДД) при професійному опромінюванні 5 бер на рік.

Природний уран

Природний уран – уран, що зустрічається в природі. Він має атомну вагу біля 238 і містить незначні кількості ²³⁴U, біля 0,7% ²³⁵U та 99,3% ²³⁸U. Природний уран, звичайно, добувають в уранових рудниках у формі руди і на заводах збагачення руди отримують її (руди) концентрат, найчастіше це U₃О₈, який часто називають "жовтим кеком".

Отримання

Металевий Уран

Уран одержують з уранових руд, що містять 0,05-0,5% U. Вміст урану в земній корі складає 0,003%.
Найперша стадія уранового виробництва — концентрування. Породу подрібнюють і змішують з водою. Важкі компоненти суспензії осідають швидше. Якщо порода містить первинні мінерали урану, то вони осідають швидко: це важкі мінерали. Вторинні мінерали урану легші, в цьому випадку раніше осідає важка пуста порода. (Втім, далеко не завжди вона справді порожня; в ній можуть бути багато корисних елементів, у тому числі і уран). Наступна стадія — вилуговування концентратів, перевід урану в розчин. Застосовують кислотне і лужне вилуговування. Перше — дешевше, оскільки для видобування урану використовують сірчану кислоту. Але якщо у вихідній сировині, як, наприклад, в уранової смолці, уран знаходиться в чотирьохвалентном стані, то цей спосіб непридатний: чотирьохвалентний уран в сірчані кислоті практично не розчиняється. У цьому випадку потрібно або вдатися до лужного вилуговування, або попередньо окисляти уран до шестивалентного стану. Не застосовують кислотне вилуговування і в тих випадках, якщо урановий концентрат містить доломіт або магнезит, що реагують з сірчаною кислотою. У цих випадках використовують гідроксид натрію. Проблему вилуговування урану з руд вирішує кисневе продування. У нагріту до 150 °C суміш уранової руди з сульфідними мінералами подають потік кисню. При цьому з сірчистих мінералів утворюється сірчана кислота, яка і вимиває уран. На наступному етапі з отриманого розчину потрібно вибірково виділити уран. Сучасні методи — екстракція та іонний обмін — дозволяють вирішити цю проблему.
Тепер розчин містить не тільки уран, але й інші катіони. Деякі з них у певних умовах ведуть себе так само, як уран: екстрагуються тими ж органічними розчинниками, осідають на тих же іонообмінних смолах, випадають в осад за тих же умов. Тому для селективного виділення урану доводиться використовувати багато окисно-відновних реакцій, щоб на кожній стадії позбавлятися від того чи іншого небажаного супутника. На сучасних іонообмінних смолах уран виділяється дуже селективно. Методи іонного обміну та екстракції хороші ще й тим, що дозволяють досить повно витягати уран з бідних розчинів (вміст урану — десяті частки граму на літр). Після цих операцій уран переводять у твердий стан — в один із оксидів або в тетрафторид UF₄. Але цей уран ще треба очистити від домішок елементів з великим перерізомом захвату теплових нейтронів — бору, кадмію, гафнію. Їх вміст в кінцевому продукті не повинний перевищувати стотисячних і мільйонних часток відсотка. Для видалення цих домішок технічно чисту сполуку урану розчиняють в азотній кислоті. При цьому утворюється уранілнітрат UO₂(NO₃)₂, який при екстракції трибутил-фосфатом і деякими іншими речовинами додатково очищається до потрібних кондицій. Потім ця речовина кристалізуються (або осаджують пероксид UO₄·2Н₂О) і починають обережно прожарюють. В результаті цієї операції утворюється оксид урану UО₃, який відновлюють воднем до UO₂. На діоксид урану UO₂ при температурі від 430 до 600 °C діють сухим фтористим воднем для отримання тетрафториду UF₄. З цієї сполуки відновлюють металевий уран за допомогою кальцію або магнію з виходом урану у вигляді зливків масою до 1,5 т. Зливки рафінуються у вакуумних печах.

Застосування

Виробництво (видуботок) урану в світі у відсотках для кожної окремо взятої країни в 2005 році порівняно з лідером Канадою (100% = 11 627 тонн).

Металевий уран або його сполуки використовуються в основному як ядерне пальне в ядерних реакторах. Природна або малозбагачувальна суміш ізотопів урану застосовується у стаціонарних реакторах атомних електростанцій, продукт високого ступеня збагачення - в ядерних силових установках або в реакторах, що працюють на швидких нейтронах. ²³⁵U є джерелом ядерної енергії в ядерній зброї. ²³⁸U служить джерелом вторинного ядерного пального - плутонію.

Майже весь уран, що здобувається в світі використовується на атомних електростанціях (АЕС). Найбільшим постачальником палива для діючих в світі ядерних реакторів є Канада. В басейні річки Атабаска на півночі провінції Саскачеван видобувається близько 11600 тонн, або близько 30 % світового виробництва. На другому місці за обсягами видобутку — Австралія, за нею йдуть США і Південна Африка.

У 2005 році світовий обсяг видобутку урану досяг приблизно 39.3 тисяч тонн, збільшившись від 2003 року на 10 %. Це складає більше половини максимальної світової потреби в урані.

У 2010 році частка АЕC у виробленні електроенергії по Україні склала 47,4%.

Див. також

• Уранові руди
• Ресурси і запаси урану

Уран є одним із найважливіших для життя хімічних елементів, оскільки температура Землі в основному підтримується завдяки енергії розпаду урану всередині Землі.

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л.М.Литвиненка НАН України, Донецький національний університет - Донецьк:"Вебер", 2008. – 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Гірничий енциклопедичний словник: в 3 т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Східний видавничий дім, 2001—2004. ISBN 966-7804-19-4
• Любич О.Й., Пчелінцев В.О. Фізичні основи металургії кольорових і рідкоземельних металів: Навч. посібник. — Суми: Вид-во СумДУ, 2009 ISBN 978-966-657-255-7 с.212 - 214