Uran (pierwiastek)
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].
| protaktyn ← uran → neptun | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wygląd | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| srebrzystobiały | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 Widmo emisyjne uranu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ogólne informacje | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nazwa, symbol, l.a. |
uran, U, 92 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Grupa, okres, blok | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stopień utlenienia |
III, IV, V, VI[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości metaliczne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości tlenków | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Masa atomowa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stan skupienia |
stały | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gęstość |
19 050 kg/m³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura topnienia |
1135 °C[1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura wrzenia |
4131 °C[1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Numer CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PubChem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Właściwości
edytujWłaściwości atomowe
edytujW 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
edytujCzysty 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
edytujJest 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
edytuj
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:
- blenda uranowa
- uraninit UO
2 + UO
3 - karnotyt K
2(UO
2)
2(VO
4)
2·2H
2O
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] | |
Najwięksi wydobywcy uranu (przedsiębiorstwa) w 2022 roku[13]:
- Kazatomprom (11 373 ton; 23% produkcji światowej)
- Cameco (5675 ton; 12% produkcji światowej)
- Orano (5519 ton; 11% produkcji światowej)
Syntetyczny rozszczepialny izotop 233
U otrzymuje się przez bombardowanie toru 232
Th neutronami[14].
Występowanie w Polsce
edytujNiezbyt 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
edytuj
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
edytujGłównym 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[1]: 238
U (n, γ) → 239
U → 239
Np + β → 239
Pu + β
- Metaliczny uran ze względu na dużą liczbę masową jest używany jako tarcza w generatorach promieniowania X o dużej energii.
- 238
U jako izotop o bardzo długim okresie rozpadu (4,468×109 lat) oraz produkty rozpadu służą do określania wieku skał. - Uran (w praktyce uran zubożony) jako metal o bardzo dużej gęstości używany jest jako rdzeń przeciwczołgowych pocisków podkalibrowych.
- Stosowany jest też w fotografii oraz analizie chemicznej.
Historia
edytujUran 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
edytujUwagi
edytuj- ↑ 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
edytuj- ↑ 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.).
- ↑ uranium, [w:] Classification and Labelling Inventory, Europejska Agencja Chemikaliów [dostęp 2021-07-01] (ang.).
- ↑ N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemistry of the elements. Wyd. 2. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997, s. 1265. ISBN 978-0-7506-3365-9.
- ↑ 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.).
- ↑ C.R. Hammond: The Elements. W: CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 83. Boca Raton: CRC Press, 2003, s. 4-20, 4-23.
- ↑ a b c d e Physics of Uranium and Nuclear Energy [online], World Nuclear Association [dostęp 2022-10-06] (ang.).
- ↑ Reakcja jądrowa łańcuchowa, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2022-10-06].
- ↑ Hardness – Brinell: periodicity. [w:] WebElements [on-line]. [dostęp 2015-01-12].
- ↑ 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.
- ↑ Peter O’Neill, Environmental Chemistry, wyd. 3, CRC Press, 1998, ISBN 0-7514-0483-7.
- ↑ Supply of Uranium [online], World Nuclear Association, czerwiec 2022 [dostęp 2022-10-06] (ang.).
- ↑ World Uranium Mining [online], World Nuclear Association [dostęp 2016-01-01] (ang.).
- ↑ World Uranium Mining Production. World Nuclear Association, sierpień 2023. [dostęp 2024-03-03]. (ang.).
- ↑ 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.).
- ↑ Boją się, że znajdą uran w Górach Izerskich. naszemiasto.pl, 2011-10-12. [dostęp 2011-10-25].
- ↑ Sztolnie Kowary [online], Jelenia Struga Medical SPA [dostęp 2022-10-06].
- ↑ 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.
- ↑ 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.).
- ↑ Jak to jest?. Warszawa: Przegląd Reader’s Digest, 1998. ISBN 83-909366-1-5.
- ↑ Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 83-11-06723-6. (pol.).
Bibliografia
edytuj- Adam Bielański: Chemia ogólna i nieorganiczna. PWN, 1970.