Uran (pierwiastek)

92. pierwiastek chemiczny

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 93
Np
i 94
Pu
)[5].

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[3]

Właściwości metaliczne

aktynowiec

Właściwości tlenków

słabo zasadowe

Masa atomowa

238,03 ± 0,01[a][4]

Stan skupienia

stały

Gęstość

19 050 kg/m³

Temperatura topnienia

1135 °C[1]

Temperatura wrzenia

4131 °C[1]

Numer CAS

7440-61-1

PubChem

23989

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

WłaściwościEdytuj

Właściwości atomoweEdytuj

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 z cząstką elementarną, np. neutronem, n) 235
U
[6]:

235
U + n144
Ba + 90
Kr + 2n + ok
.
200 MeV
235
U + n141
Ba + 92
Kr + 3n + 170 MeV
235
U + n139
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 fizyczneEdytuj

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 chemiczneEdytuj

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].

WystępowanieEdytuj

 
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)
  Kazachstan 23,1
  Kanada 9,1
  Australia 5,0
  Niger 4,1
  Namibia 3,3
  Rosja 3,0
  Uzbekistan 2,4
  Stany Zjednoczone 1,9
  Chiny 1,5
  Ukraina 0,9
Łącznie na świecie 56,2
Źródło: World Uranium Mining[12]

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

Występowanie w PolsceEdytuj

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[13]), 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 fluorytuLiczyrzepa”. Po poprowadzeniu tam podziemnej trasy turystycznej kompleks nazwano „Sztolnie Kowary[14]. 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 uranuEdytuj

 
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
3
O
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
.

ZastosowaniaEdytuj

Głównym zastosowaniem jest użycie izotopu 235
U
jako materiału rozszczepialnego w reaktorach jądrowych, które znalazły zastosowanie w elektrowniach jądrowych oraz w napędzie okrętów podwodnych[15]. 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][16] (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][16], co odpowiada spaleniu ok. 2,5 t węgla kamiennego lub wybuchowi 33 ton trotylu[16]. 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[15][17].

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[1]: 238
    U
    (n, γ) → 239
    U
    239
    Np
    + β → 239
    Pu
    + β

HistoriaEdytuj

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.

Osobny artykuł: Szkło uranowe.

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[18].

Zobacz teżEdytuj

UwagiEdytuj

  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.

PrzypisyEdytuj

  1. a b c 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.).
  2. uranium (ang.) w wykazie klasyfikacji i oznakowania Europejskiej Agencji Chemikaliów. [dostęp 2021-07-01].
  3. N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemistry of the elements. Wyd. 2. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997, s. 1265. ISBN 978-0-7506-3365-9.
  4. Thomas Prohaska i inni, Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 94 (5), 2021, s. 573–600, DOI10.1515/pac-2019-0603 (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. a b c d e Physics of Uranium and Nuclear Energy, World Nuclear Association [dostęp 2022-10-06] (ang.).
  7. Reakcja jądrowa łańcuchowa, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2022-10-06].
  8. Hardness – Brinell: periodicity. [w:] WebElements [on-line]. [dostęp 2015-01-12].
  9. a b c 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, World Nuclear Association, czerwiec 2022 [dostęp 2022-10-06] (ang.).
  12. World Uranium Mining, World Nuclear Association [dostęp 2016-01-01] (ang.).
  13. Boją się, że znajdą uran w Górach Izerskich. naszemiasto.pl, 2011-10-12. [dostęp 2011-10-25].
  14. Sztolnie Kowary, Jelenia Struga Medical SPA [dostęp 2022-10-06].
  15. a b 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.
  16. a b c 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.).
  17. Jak to jest?. Warszawa: Przegląd Reader’s Digest, 1998. ISBN 83-909366-1-5.
  18. Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 83-11-06723-6. (pol.).

BibliografiaEdytuj

  • Adam Bielański: Chemia ogólna i nieorganiczna. PWN, 1970.