Uran (pierwiastek)

Uran
protaktyn ← uran → neptun
Wygląd
srebrzystobiały
Uran
Widmo emisyjne uranu
Widmo emisyjne uranu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.

uran, U, 92
(łac. uranium)

Grupa, okres, blok

–, 7, f

Stopień utlenienia

III, IV, V, VI[1]

Właściwości metaliczne

aktynowiec

Właściwości tlenków

słabo zasadowe

Masa atomowa

238,03 ± 0,01[a][2]

Stan skupienia

stały

Gęstość

19 050 kg/m³

Temperatura topnienia

1135 °C[3]

Temperatura wrzenia

4131 °C[3]

Numer CAS

7440-61-1

PubChem

23989

Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Uran (U, łac. uranium) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców w układzie okresowym. Wśród pierwiastków występujących naturalnie na Ziemi ma największą liczbę atomową – 92 (nie licząc śladowych ilości
93Np i
94Pu)[5].

Właściwości

Właściwości atomowe

W uranie naturalnym występuje głównie słabo promieniotwórczy izotop 238
U (około 99,3%), któremu towarzyszy 235
U (około 0,7%) i ślady 234
U. Jądra wszystkich izotopów uranu ulegają rozpadowi radioaktywnemu. Jądra izotopów 235
U i 233
U ulegają samoistnemu i wymuszonemu rozszczepieniu.

Przykładowe reakcje rozszczepienia wymuszonego (tj. następującego w wyniku zderzenia jądra np. z neutronem, n) 235
U[6]:

235
U + n → 144
Ba + 90
Kr + 2n + ok
. 200 MeV
235
U + n → 141
Ba + 92
Kr + 3n + 170 MeV
235
U + n → 139
Te + 94
Zr + 3n + 197 MeV

W reakcjach tych generowanych jest więcej neutronów niż jest zużywanych. Średnio 1 zużyty neutron powoduje uwolnienie 2,45 neutronów potomnych. W odpowiednich warunkach – gdy co najmniej jeden neutron potomny wywołuje rozpad kolejnego jądra – proces ten może mieć charakter samopodtrzymującej się lub wybuchowej reakcji łańcuchowej[6][7].

Właściwości fizyczne

Czysty uran jest srebrzystobiałym metalem o dużej gęstości – 65% większej niż gęstość ołowiu – lecz w odróżnieniu od niego jest jednym z najtwardszych metali (HB = 2400 MN/m²)[8]. Jest plastyczny i kowalny, jest słabym paramagnetykiem i przewodnikiem elektrycznym (opór właściwy 28×10−8 Ω·m; 16 razy większy od miedzi)[9].

Tworzy formy alotropowe[9]:

  • alfa (rombowa) stabilna do 668 °C;
  • beta (tetragonalna) stabilna w zakresie od 668 do 775 °C;
  • gamma (regularna centrowana objętościowo b.c.c) od 775 °C do temperatury topnienia.

Właściwości chemiczne

Jest silnie elektrododatni. Reaguje z prawie wszystkimi pierwiastkami niemetalicznymi i z wieloma ich związkami. Kwas solny i azotowy roztwarzają uran, ale kwasy nieutleniające poza kwasem solnym roztwarzają go bardzo powoli. Silnie rozdrobniony jest piroforyczny i reaguje z zimną wodą. Na powietrzu pokrywa się ciemną warstwą tlenku. Ze względu na reaktywność z rud ekstrahuje się go w układach wodnych i przekształca w tlenek uranu(IV) lub inne formy używalne w przemyśle[9].

Występowanie

Bryłka rudy uranu

Uran występuje na Ziemi naturalnie w postaci związków chemicznych, w skorupie ziemskiej w ilości 1,8 ppm, zajmując 51. miejsce wśród pierwiastków. Można znaleźć go w skałach (w granicie 2 – 10 mg/kg skały), glebie, wodzie (w oceanie 0,0033 ppm), roślinach, zwierzętach, a także w ciele ludzkim[10]. Występuje w większym stężeniu w rudach uranu. Tworzy minerały; najważniejszymi minerałami uranu są:

Złoża rud uranu klasyfikuje się głównie według kosztów wydobycia 1 funta uranu. Najniższe koszty wydobycia wynoszą poniżej 80 $/lb, takie zasoby stanowią kilkanaście procent znanych zasobów. Znane i realnie rozpoznane złoża, w 2013 roku, o kosztach wydobycia poniżej 130 $/lb sięgają 5,9 mln ton. Największe zasoby znajdują się na terenie Australii (28% zasobów światowych), Kazachstanu (15%), Kanady (9%), Rosji (8%) i Namibii (7%)[11].

Państwa o największym wydobyciu rud uranu w 2014 roku
(w tys. ton U)
 Kazachstan23,1
 Kanada9,1
 Australia5,0
 Niger4,1
 Namibia3,3
 Rosja3,0
 Uzbekistan2,4
 Stany Zjednoczone1,9
 Chiny1,5
 Ukraina0,9
Łącznie na świecie56,2
Źródło: World Uranium Mining[12]

Najwięksi wydobywcy uranu (przedsiębiorstwa) w 2022 roku[13]:

  1. Kazatomprom (11 373 ton; 23% produkcji światowej)
  2. Cameco (5675 ton; 12% produkcji światowej)
  3. Orano (5519 ton; 11% produkcji światowej)

Syntetyczny rozszczepialny izotop 233
U otrzymuje się przez bombardowanie toru 232
Th neutronami[14].

Występowanie w Polsce

Niezbyt wydajne złoża uranu występują w Polsce w Rudawach Janowickich (Miedzianka, Kowary), w okolicach Masywu Śnieżnika (Kletno), w Górach Świętokrzyskich oraz w Górach Izerskich (Kromnów, Kopaniec[15]), zostały one jednak w znacznym stopniu wyeksploatowane na potrzeby ZSRR do lat 50. XX wieku. W latach 60. XX w. złoża uranu odkryto w okolicach wsi Rajsk niedaleko od Bielska Podlaskiego.

Rabunkowe wydobycie rud uranu w Miedziance doprowadziło do zniszczenia i wysiedlenia miasta. W Kowarach u stóp Karkonoszy dla turystów otwarta jest kopalnia uranu Podgórze. W latach 1974–1989 działało w Kowarach Inhalatorium Radonowe; zamknięto je po 15 latach działalności, po zawaleniu się nieeksploatowanej części kopalni stanowiącej źródło radonu. Później uruchomiono nowe, komercyjne inhalatorium radonowe w dawnej kopalni uranu i fluorytu „Liczyrzepa”. Po poprowadzeniu tam podziemnej trasy turystycznej kompleks nazwano „Sztolnie Kowary”[16]. Występująca tam koncentracja radonu jest bardzo niska. Jest to jedna z pięciu tego typu atrakcji na świecie. Wyrobisko Kopaliny w pobliżu Kletna jest także udostępnione do zwiedzania przez turystów.

Związki chemiczne uranu

Konfiguracja elektronowa uranu

Uran reaguje z tlenem z powietrza, pokrywając się stopniowo najpierw złotożółtą, a następnie czarną warstwą tlenków. W podwyższonych temperaturach jest reaktywny. Podgrzany do 450 °C reaguje z azotem, tworząc azotki, ogrzany w wodorze tworzy wodorek UH
3, a w temperaturze wrzenia wydziela z wody wolny wodór. Uran roztwarza się łatwo w rozcieńczonych kwasach. Zapala się w powietrzu już po umiarkowanym ogrzaniu, a sproszkowany nawet w temperaturze pokojowej. Reaguje z kwasami, siarką, chlorem, fluorem. Wszystkie rozpuszczalne związki chemiczne uranu są trujące.

Najtrwalszym ze stopni utlenienia uranu jest VI. Tlenek uranu(VI) (UO
3) to proszek o barwie od żółtej do pomarańczowej. W temperaturze powyżej 500 °C przechodzi on w oliwkowozielony U
3O
8, który jest najtrwalszym z tlenków uranu i występuje w przyrodzie jako minerał uraninit. UO
3 jest tlenkiem amfoterycznym. W wyniku gotowania UO
3 z wodą powstaje wodorotlenek uranylu UO
2(OH)
2. Stabilne w roztworze wodnym jony uranu to czerwone U3+
, zielone U4+
 oraz żółte UO2+
2.

Zastosowania

Głównym zastosowaniem jest użycie izotopu 235
U jako materiału rozszczepialnego w reaktorach jądrowych, które znalazły zastosowanie w elektrowniach jądrowych oraz w napędzie okrętów podwodnych[17]. Ponadto jest wykorzystywany do produkcji w broni jądrowej. Zawartość izotopu 235
U w uranie naturalnym wynosi 0,7% i jest ona zbyt niska do wielu zastosowań. W związku z tym wymaga on przetworzenia zwiększającego zawartość tego izotopu w procesie zwanym wzbogacaniem. W efekcie uzyskuje się tzw. uran wzbogacony oraz produkt uboczny zwany uranem zubożonym. Do wzbogacania uranu używać można np. wirówek wzbogacających.

Rozszczepienie jądra 235
U uwalnia energię całkowitą rzędu 200 MeV[6][18] (dla porównania, reakcja C + O
2 → CO
2 podczas spalania węgla kopalnego dostarcza 4 eV/atom węgla[6]). Teoretycznie jeden gram tego izotopu (czyli kulka o średnicy ok. 0,5 cm) może więc dostarczyć ok. 82–87 gigadżuli energii[6][18], co odpowiada spaleniu ok. 2,5 t węgla kamiennego lub wybuchowi 33 ton trotylu[18]. Pomimo że rozszczepialny izotop uranu stanowi jego niewielką część, a w reaktorach rozszczepieniu ulega tylko jego część i niewielka część uranu 238, to uran jest obecnie najbardziej skondensowanym źródłem energii wykorzystywanym przez człowieka do wytwarzania energii cieplnej[17][19].

Inne zastosowania uranu:

  • Uranu używano do barwienia szkła i ceramiki, obecnie ze względu na strach przed promieniowaniem, zaniechano tego zastosowania.
  • 238
    U     jest przetwarzany na pluton w reaktorach powielających[3]: 238
    U     (n, γ) → 239
    U     → 239
    Np     + β → 239
    Pu     + β

Historia

Uran w postaci naturalnego tlenku był używany od co najmniej 79 roku n.e. do barwienia na żółty kolor wyrobów szklanych. Żółte szkło z zawartością 1% tlenku uranu znaleziono niedaleko Neapolu we Włoszech.

Uznanie uranu za pierwiastek przypisuje się chemikowi Martinowi Heinrichowi Klaprothowi, który ogłosił to odkrycie w 1789 roku, nadając nowemu pierwiastkowi nazwę uranium, nawiązując do wcześniejszego o 8 lat odkrycia planety Uran przez astronoma niemieckiego pochodzenia Williama Herschela. Pierwiastek ten w formie czystej został wyodrębniony po raz pierwszy przez Eugène-Melchiora Péligota w 1841 roku.

Izotop 235
U oznaczano dawniej przez AcU i nazywano aktynouranem[20].

Zobacz też

Uwagi

  1. ↑ Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 238,02891 ± 0,00003. W dostępnych komercyjnie produktach mogą występować znaczne odchylenia masy atomowej od podanej, z uwagi na zmianę składu izotopowego w rezultacie nieznanego bądź niezamierzonego frakcjonowania izotopowego. Znane są próbki geologiczne, w których pierwiastek ten ma skład izotopowy odbiegający od występującego w większości źródeł naturalnych. Masa atomowa pierwiastka w tych próbkach może więc różnić się od podanej w stopniu większym niż wskazana niepewność. Zob. Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.

Przypisy

  1. ↑ N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemistry of the elements. Wyd. 2. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997, s. 1265. ISBN 978-0-7506-3365-9.
  2. ↑ Thomas Prohaska i inni, Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 94 (5), 2021, s. 573–600, DOI: 10.1515/pac-2019-0603 (ang.).
  3. 1 2 3 David R. Lide (red.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, wyd. 90, Boca Raton: CRC Press, 2009, s. 4-39, ISBN 978-1-4200-9084-0 (ang.).
  4. ↑ uranium, [w:] Classification and Labelling Inventory, Europejska Agencja Chemikaliów [dostęp 2021-07-01] (ang.).
  5. ↑ C.R. Hammond: The Elements. W: CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 83. Boca Raton: CRC Press, 2003, s. 4-20, 4-23.
  6. 1 2 3 4 5 Physics of Uranium and Nuclear Energy [online], World Nuclear Association [dostęp 2022-10-06] (ang.).
  7. ↑ Reakcja jądrowa łańcuchowa, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2022-10-06].
  8. ↑ Hardness – Brinell: periodicity. [w:] WebElements [on-line]. [dostęp 2015-01-12].
  9. 1 2 3 Ingmar Grenthe, Janusz Drożdżyński, Takeo Fujino, Edgar C. Buck, Thomas E. Albrecht-Schmitt, Stephen F. Wolf: Uranium. W: The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (red.). T. 1. Dordrecht, Holandia: Springer, 2006, s. 253–698. DOI: 10.1007/1-4020-3598-5_5. ISBN 978-1-4020-3598-2.
  10. ↑ Peter O’Neill, Environmental Chemistry, wyd. 3, CRC Press, 1998, ISBN 0-7514-0483-7.
  11. ↑ Supply of Uranium [online], World Nuclear Association, czerwiec 2022 [dostęp 2022-10-06] (ang.).
  12. ↑ World Uranium Mining [online], World Nuclear Association [dostęp 2016-01-01] (ang.).
  13. ↑ World Uranium Mining Production. World Nuclear Association, sierpień 2023. [dostęp 2024-03-03]. (ang.).
  14. ↑ Wolfgang Stoll, Thorium and Thorium Compounds, [w:] Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, wyd. 1, Wiley, 11 marca 2003, s. 714, DOI: 10.1002/14356007.a27_001, ISBN 978-3-527-30385-4 [dostęp 2024-11-16] (ang.).
  15. ↑ Boją się, że znajdą uran w Górach Izerskich. naszemiasto.pl, 2011-10-12. [dostęp 2011-10-25].
  16. ↑ Sztolnie Kowary [online], Jelenia Struga Medical SPA [dostęp 2022-10-06].
  17. 1 2 John Emsley: Nature’s building blocks: an A–Z guide to the elements. Oxford: Oxford University Press, 2001, s. 479. ISBN 0-19-850340-7.
  18. 1 2 3 B.K. Sharma, Nuclear and Radiation Chemistry, wyd. 7, Krishna Prakashan Media, 2001, s. 171, ISBN 978-81-85842-63-9 [dostęp 2022-10-06] (ang.).
  19. ↑ Jak to jest?. Warszawa: Przegląd Reader’s Digest, 1998. ISBN 83-909366-1-5.
  20. ↑ Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 83-11-06723-6. (pol.).

Bibliografia

  • Adam Bielański: Chemia ogólna i nieorganiczna. PWN, 1970.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.