Уран (хімічний елемент)

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
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 іонізації
(перший електрон)
686,4(7,11) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Rn] 5f3 6d1 7s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 142 пм
Радіус іона (+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
Молярна 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
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 Fl Uup Lv 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

Commons-logo.svg Уран (U) у Вікісховищі

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[ред.ред. код]

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, 235U — 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.

Проста речовина — уран. Сріблясто-білий метал; належить до актиноїдів. Густина — 19,07; tплав 1132оС, tкип 3818 оС. Хімічно надзвичайно активний. Реагує з більшістю неметалів. На повітрі повільно окиснюється, в порошкоподібному стані пірофорний і горить яскравим полум'ям. З киснем утворює діоксид UO2, триоксид UO3 і велике число проміжних сполук, з яких найбільш важливе значення має U3O8. У. реагує з водою, легко розчиняється в соляній і азотній кислотах, повільно — в сірчаній, ортофосфорній і флуорводневій кислотах. З лугами не взаємодіє, при нагріванні реагує з галогенами, азотом, фосфором, утворюючи такі важливі для технології його виробництва сполуки, як тетрафлуорид (UF4), гексафлуорид (UF6) і моносульфід (US, ядерне паливо). З металами утворює сплави різних типів. Для 6-валентного У. характерне утворення йонів уранілу UO22+, який має підвищену здатність до комплексоутворення; найбільш важливі для технології карбонатні, сульфатні, флуоридні, фосфатні та ін. комплекси.

Історія[ред.ред. код]

Ще в прадавні часи (I століття до нашої ери) природний оксbl 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[ред.ред. код]

Названий на честь бога Урана.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

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

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

\mathrm{ 2U_3O_8 + 12Na_2CO_3 + O_2 \longrightarrow 6Na_4[UO_2(CO_3)_3] + 6NaOH }

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

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

\mathrm{ UF_6 + 3Ca \longrightarrow 3CaF_2 + U}

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

Розповсюдження[ред.ред. код]

Середній вміст урану в земній корі становить 2,6−4,0·10−4% (мас). За О. П. Виноградовим середній вміст урану в ультраосновних породах становить 3·10−7%, в основних — 5·10−5%, в середніх — 1,8·10−4%, в кислих — 3,5·10−4% і в осадових — 3,2·10−4%.

У природі відомо понад 150 уранових і уранвмісних мінералів. Найбільше практичне значення має уранініт (настуран, уранова смолка) UO2 (92% U) і його аморфний різновид — уранова чернь (до 60) — суміш оксидів урану зі змінним співвідношенням чотири- і шестивалентного урану. Різні типи руд, що розробляються містять також: бранерит (U, Ca, Th, Y) [(Ti, Fe)2OНижній індекс6] (28-44), давидит (Fe, U)TiO3 (20), ураноторит (Th, Fe, U)SiO4·nH2O (до 17), уранофан СаН2· [UO2(SiO4)2]·5Н2О (67), кофініт U(SiO4)1-х·(ОН) (68), отеніт Са[UО2·РО4]2·(10-12)H2O (60), торберніт Сu[UО2·РО4]2 ·(8-12)H2O (61), цейнерит Сu[UО2·АsО4]2 ·10H2O (56), карнотит К2[(UО22)V2O8]·3H2O (64), а також уранові слюдки, тіямуніт, лібігіт та ін. Важливе значення мають також титанати урану, силікати, танталоніобати, фосфати, ванадати та ін. природні уранвмісні мінерали.

Природний уран[ред.ред. код]

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».

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

Отримання[ред.ред. код]

Металевий Уран

Уран одержують з уранових руд, що містять 0,05-0,5% U. Вміст урану в земній корі становить 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 урановій смолці, уран знаходиться в чотирьохвалентному стані, то цей спосіб непридатний: чотирьохвалентний уран в сірчаній 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, коли 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 у кінцевому продукті не повинен 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 цю речовину кристалізують (або осаджують пероксид UO4·2Н2О) і починають обережно прожарювати. В результаті цієї операції утворюється оксид урану UO3, 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[ред.ред. код]

Виробництво (видуботок) урану у 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 у світі використовується на атомних електростанціях (АЕС). Найбільшим постачальником палива для діючих у 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 АЕС у виробленні електроенергії по Україні склала 47,4%.

Наприкінці першого десятиріччя XXI ст. світова атомна енергія, яку виробляють понад 30 країн, має добрі перспективи — планується її широкомасштабний розвиток, зокрема побудова від 300 до 600 нових атомних реакторів вже до 2025 р.

У Франції понад 75% електроенергії виробляється на АЕС, у США — 20%, в Англії і Бельгії — близько 60%, Фінляндії — 27%. Запаси порівняно дешевого урану для АЕС на планеті дорівнюють приблизно 4 млн т, і вони можуть бути вичерпані, як і нафта, за 25-30 років. У США працює понад 100 АЕС.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • 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 : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Донецьк : Східний видавничий дім, 2001—2004.
  • 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