Уран в таблице менделеева номер 92. Химический элемент уран: свойства, характеристика, формула. Добыча и применение урана. Нахождение в природе

У Уран является одним из тяжёлых металлических элементов таблицы Менделеева. Уран находит широкое применение в энергетической и военной промышленности. В таблице Менделеева его можно найти под номером 92 и обозначается латинской буквой U с массовым числом 238.

Как был открыт Уран

Вообще, такой химический элемент как уран был известен очень давно. Известно, что ещё до нашей эры природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Открытие этого элемента произошло можно считать в 1789 году, когда немецкий химик, по имени Мартин Генрих Клапрот, восстановил из руды черный металлоподобный материал. Этот материал Мартин решил назвать Ураном, чтобы поддержать название новой открытой планеты с одноименным названием(в этом же году была открыта планета Уран). В 1840 году было выявлено, что этот материал открытый Клапротом, оказался оксидом Урана не смотря на характерный металлический блеск. Эжен Мелькиор Пелиго из оксида синтезировал атомарный Уран и определил его атомный вес равный 120 а.е., а в 1874 году Менделеев удвоил это значение, поместив его в самую дальнюю клетку своей таблицы. Только через 12 лет решение Менделеева о удвоении массы было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.

Где и как добывают Уран

Уран является довольно распространенным элементом, но он распространен в виде урановой руды. Чтоб вы понимали, содержание ее в земной коре составляет 0.00027% от общей массы Земли. Урановая руда как правило входит в состав кислых минеральных пород с высоким содержанием кремния. Основными видами урановых руд являются настуран, карнотит, казолит и самарскит. Крупнейшие запасы урановых руд с учётом резервных месторождений являются такие страны как Австралия, Россия и Казахстан, причем из всех перечисленных Казахстан занимает лидирующую позицию. Добыча урана является очень не простой и дорогостоящей процедурой. Далеко не все страны могут позволить себе добывать и синтезировать чистый уран. Технология производства выглядит следующим образом: руда или минералы добываются в шахтах, сравнимо золоту или драгоценным камням. Добытые породы дробят и смешивают с водой для того, чтобы отделить урановую пыль от остальных. Урановая пыль очень тяжёлая и поэтому она выпадает в осадок быстрее остальных. Следующим шагом является очищение урановой пыли от других пород путем кислотного или щелочного выщелачивания. Процедура выглядит примерно так: урановую смесь нагревают до 150 °С и подают чистый кислород под давлением. В результате образуется серная кислота которая очищает уран от других примесей. Ну и на заключительном этапе отбирают уже чистые частицы урана. Помимо урановой пыли там попадаются и другие полезные минералы.

Опасность радиоактивного излучения урана

Все прекрасно знают такое понятие как радиоактивное излучение и то, что оно наносит непоправимый вред здоровью, который приводит к летальному исходу. Уран как раз является одним из таких элементов, который при определенных условиях может выпускать радиоактивное излучение. В свободной форме в зависимости от его разновидности он может испускать альфа и бета лучи. Альфа лучи не представляют большой опасности для человека если облучение является внешним так как у этого излучения малая проникающая способность, но при попадании внутрь организма они наносят непоправимый вред. Для сдерживания внешних альфа лучей хватит даже листа писчей бумаги. С бета излучением дела обстоят серьезнее, но не намного. Проникающая способность бета излучения выше, чем у альфа излучения, но для сдерживания бета излучения потребуется 3-5 мм ткань. Вы скажете как так? Уран же является радиоактивным элементом, который используется в ядерном оружии! Все верно, он используется в ядерном оружии, которое наносит колоссальный урон всему живому. Просто при детонировании ядерной боеголовки, основной урон живым организмам наносят гамма излучения и поток нейтронов. Данные виды излучений образуются в результате термоядерной реакции при взрыве боеголовки, которая выводит частицы урана из стабильного состояния и уничтожает все живое на земле.

Разновидности урана

Как говорилось выше, у урана есть несколько разновидностей. Разновидности подразумевают собой наличие изотопов, чтоб вы понимали изотопы подразумевают собой одинаковые элементы, но с разными массовыми числами.

Итак существуют два вида:

Природный;
Искусственный;

Как вы уже догадались природный тот который добывают из земли, а искусственный люди создают самостоятельно. К природным относят изотопы урана с массовым числом 238, 235 и 234. Причем U-234 является дочерним от U-238, то есть первый получается от распада второго в природных условиях. Вторая группа изотопов, которую создают искусственно, имеет массовые числа от 217 до 242. Каждый из изотопов имеет разные свойства и характеризуется разным поведением при определенных условиях. В зависимости от потребностей учёные ядерщики пытаются найти всевозможные решения проблем, ведь каждый изотоп имеет разную энергетическую ценность.

Периоды полураспада

Как уже говорилось выше, каждый из изотопов урана обладает разной энергетической ценностью и разными свойствами, одним из которых является полураспад. Для того чтобы понимать что это такое нужно начать с определения. Периодом полураспада называется время за которое число радиоактивных атомов уменьшается в двое. Период полураспада влияет на многие факторы, в пример можно привести его энергетическую ценность или полное очищение. Если в пример взять последнее то можно посчитать за какой промежуток времени произойдет полная очистка от радиоактивного заражения земли. Полураспады изотопов урана:

Как можно увидеть из таблицы период полураспада изотопов варьируется от минут до сотен миллионов лет. Каждый из них находит себе применение в разных областях жизнедеятельности людей.

Применение урана очень широко во многих сферах деятельности, но наибольшую ценность представляет в энергетической и военной сфере. Наибольший интерес представляет изотоп U-235. Его преимущество в том, что он способен самостоятельно поддерживать цепную ядерную реакцию, которая широко используется в военном деле для изготовления ядерного оружия и в качестве топлива в ядерных реакторах. Кроме этого уран широко применяется в геологии для определения возраста минералов и горных пород, а также для определения протекания геологических процессов. В автомобилестроении и самолетостроении обеденный уран используется как противовес и центровочный элемент. Также применение было найдено в живописи, а конкретнее в качестве краски по фарфору и для изготовления керамических глазурей и эмалей. Ещё одним интересным моментом можно считать применение обеденного урана для защиты от радиоактивного излучения, как это странно не звучит.

В Богемии (Чехословакия) с давних пор производилась добыча полиметаллических руд. Среди руд и минералов горняки часто обнаруживали черный тяжелый минерал, так называемую смоляную обманку (Pechblende). В XVIII в. полагали, что этот минерал содержит цинк и железо, однако точных данных о его составе не было. Первым исследованием смоляной обманки занялся в 1789 г. немецкий химик-аналитик Клапрот. Он начал со сплавления минерала с едким кали в серебряном тигле; этот способ Клапрот разработал незадолго до этого, чтобы переводить в раствор силикаты и другие нерастворимые вещества. Однако продукт сплавления минерала растворялся не полностью. Отсюда Клапрот пришел к выводу, что в минерале нет ни молибдена, ни вольфрама, есть какая-то неизвестная субстанция, содержащая новый металл. Клапрот попробовал растворить минерал в азотной кислоте и царской водке. В остатке от растворения он обнаружил кремниевую кислоту и немного серы, а из раствора через некоторое время выпали красивые светлые зеленовато-желтые кристаллы в виде шестигранных пластинок. Под действием желтой кровяной соли из раствора этих кристаллов выпадал коричнево-красный осадок, легко отличимый от подобных осадков меди и молибдена. Клапроту пришлось много потрудиться, прежде чем ему удалось выделить чистый металл. Он восстанавливал окисел бурой, углем и льняным маслом, но во всех случаях при нагревании смеси образовывался черный порошок. Только в результате вторичной обработки этого порошка (нагревание в смеси с бурой и углем) получилась спекшаяся масса с вкрапленными в нее маленькими зернами металла. Клапрот назвал новый металл ураном (Uranium) в ознаменование того, что исследование этого металла почти совпало по времени с открытием планеты Уран (1781). По поводу этого названия Клапрот пишет: "ранее признавалось существование лишь семи планет, соответствовавших семи металлам, которые и обозначались знаками планет. В связи с этим целесообразно, следуя традиции, назвать новый металл именем вновь открытой планеты. Слово уран происходит от греч.- небо и, таким образом, может означать "небесный металл". Смоляную обманку Клапрот переименовал в "урановую смолку". Чистый металлический уран получил впервые Пелиго в 1840 г. Долгое время химики располагали солями урана в очень небольших количествах; их использовали для получения красок и в фотографии. Исследования урана хотя и велись, но мало что прибавляли к тому, что установил Клапрот. Атомный вес урана принимали равным 120 до тех пор, пока Менделеев предложил удвоить эту величину. После 1896 г., когда Беккерель открыл явление радиоактивности, уран вызвал глубочайший интерес и химиков и физиков. Беккерель обнаружил, что двойная соль калийуранилсульфат оказывает действие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, т. е. испускает какие-то лучи. Супруги Кюри, а затем и другие ученые продолжили исследования Беккереля, в результате чего были открыты радиоактивные элементы (радий, полоний и актиний) и множество радиоактивных изотопов тяжелых элементов. В 1900 г. Крукс открыл первый изотоп урана - уран-Х, затем были открыты другие изотопы, названные уран-I и уран-II. В 1913 г. Фаянс и Геринг показали, что в результате beta-излучения, уран-Х 1 превращается в новый элемент (изотоп), названный ими бревием; позже его стали именовать ураном-Х 2 . К нашему времени открыты все члены ураново-радиевого ряда радиоактивного распада.

УРАН (Uranium; от назв. планеты Уран), U - радиоактивный хим. элемент III группы периодической системы элементов; ат. н. 92, ат. м. 238,029; относится к актиноидам. Серебристо-белый блестящий металл. В соединениях проявляет степени окисления от +2 до +6, наиболее характерны +4 и +6.

Природный Уран состоит из изотопов 238U (99,282%), 235U (0,712%) и 234U (0,006%). Среди искусственных изотопов практическое значение имеет изотоп 233U. У. в виде окисла U02 открыл (1789) нем. химик М.-Г. Клапрот. Металлический уран получил (1841) франц. химик Э.-М. Пелиго. С 40-х гг. 20 в. У. приобрел значение как источник ядерной энергии, выделяющейся в процессе деления его атомов при захвате нейтронов; этим св-вом обладают 235U и 233U . Изотоп 238U при захвате нейтронов превращается в (239Рu), к-рый также является ядерным горючим. Содержание урана в земной коре 0,3-0,0004%. Главным его минералом является разновидность уранита - настуран (урановая смолка) (40-76% U). В малых количествах уран содержится в гранитах (0,0004%), в почвах (0,0001 -0,00004%) и водах (~10 -8 %).

Известны три его аллотропические модификации: альфа-уран с ромбической кристаллической решеткой и с периодами а = 2,8541 А, b = 5,8692 А и с = 4,9563 А (т-ра 25° С), к-рый переходит при т-ре 667,7° С в бета-уран с тетрагональной кристаллической решеткой и с периодами а = 10,759 А и с = 5,656 A (т-ра 720° С); выше т-ры 774,8° С устойчив гамма-уран с объемноцентри-рованной кубической, решеткой и с периодом а = 3,524 А (т-ра 805° С).

Плотность альфа-урана при комнатной т-ре 19,05 г/см3; tпл 1132° С; tкип 3820° С (давление 1 ат). Теплоты превращений альфа ⇄ бета, бета ⇄ гамма, плавления и испарения уран соответственно ~ 0,70; 1,15; 4,75 и 107-117 ккал/моль. Теплоемкость с = 6,4 кал/моль (т-ра 25° С). Средний коэфф. термического расширения альфа-урана по осям a, b и с в интервале т-р 20-500° С соответственно 32,9; -6,3 и 27,6 10-6 град-1. Коэффициент теплопроводности урана при комнатной т-ре ~ 0,06 кал/см сек град и увеличивается с ростом т-ры. Электрическое сопротивление альфа-урана зависит от кристаллографического направления; усредненная его величина уран поликристаллического образца высокой чистоты ~ 30 мком х см при комнатной т-ре и увеличивается до ~ 54 мком х см при т-ре 600° С. У альфа-урана наблюдается также анизотропия модуля Юнга. У поликристаллического альфа-урана модуль Юнга 2,09 х 10 4 кгс/мм2; модуль сдвига 0,85 х 10 4 кгс/мм2; коэфф. Пуассона 0,23. Твердость альфа-урана при комнатной т-ре HV = 200, но снижается до 12 при т-ре 600° С.

При переходе из альфа- в бета-уран твердость увеличивается от ~ 10 до ~ 30. Предел прочности на растяжение отожженного альфа-урана (0,02% С) при т-ре 20° С составляет ~ 42 кгс/мм2, увеличивается до 49 кгс/мм2 при т-ре 100 9 С и затем почти линейно снижается до ~ 11 кгс/мм2 с повышением т-ры до 600° С. При т-ре 20° С предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение соответственно 26 кгс/мм2, 8 и 11%, а при т-ре 600° С - 9 кгс/мм2, 26 и 65%. Увеличение содержания углерода от 0,01 до 0,20% повышает пределы прочности и текучести σ 0,2 соответственно от 37 и 24 до 52 и 32 кгс/мм2. Все механические характеристики уран существенно зависят от наличия примесей и предварительной обработки.

Ползучесть урана особенно зависит от циклических изменений т-ры, что связано с дополнительными термическими напряжениями, возникающими из-за большой разницы коэфф. термического расширения по различным кристаллографическим направлениям альфа-урана. Ударная вязкость альфа-урана (0,03% С), невысокая при т-рах 20 и 100° С (соответственно 1,4 и 2,3 кгс-м/см2), увеличивается почти линейно до 11,7 кгс-м/см2 при т-ре 500° С. Характерной особенностью является удлинение прутков поликристаллического альфа-урана с текстурой вдоль оси под влиянием повторяющихся нагревов и охлаждений.

При делении атомов урана образуются и , нерастворимые в уране, что приводит к распуханию металла (весьма нежелательному для ядерного горючего). Даже при комнатной т-ре уран окисляется в сухом воздухе с образованием тонкой окисной пленки, при нагреве до т-ры 200° С образуется окалина двуокиси U02, при т-ре 200-400° С - U308, при более высокой т-ре -U03 (точнее - твердые растворы на основе этих окислов). Скорость окисления мала при т-ре 50° С и очень велика при т-ре 300° С. С азотом уран медленно взаимодействует ниже т-ры 400° С, но достаточно быстро при т-ре 750-800° С. Взаимодействие с водородом протекает уже при комнатной т-ре с образованием гидрида UH3.

В воде при т-ре до 70° С на уране образуется пленка двуокиси, оказывающая защитное действие; при т-ре 100° С взаимодействие существенно ускоряется. Для получения У. его руды обогащают мокрым хим. способом, выщелачивая серной к-той в присутствии окислителя - двуокиси марганца. Из сернокислого раствора урана экстрагируют органическими растворителями или выделяют фенольными смолами. Полученный концентрат растворяют в азотной к-те. Образующийся при этом нитрат уранила U02 (N03)2 извлекают, напр., бутилфосфатом и после освобождения от последнего разлагают соединения У. при т-ре 500-700° С. Полученные U308 и U03 высокой чистоты восстанавливают водородом при т-ре 600-800° С до двуокиси U02.

Металлический уран получают металлотермическим восстановлением (кальцием или магнием) двуокиси UО2 либо тетрафторида урана UF4, предварительно получаемого из двуокиси действием безводного фтористого водорода при т-ре 500° С. Последний метод более распространен, позволяет получать слитки высокой чистоты (0,0045% Fe, 0,001% Si, 0,003% С) и массой более тонны. Металлический уран получают также электролизом в соляных ваннах, содержащих UF4, при т-ре 800- 1200° С. Черновой уран обычно подвергают рафинирующей плавке (т-ра 1450-1600° С) в графитовых тиглях, в высокочастотных вакуумных печах с разливкой в графитовые изложницы.

Малые опытные образцы деформируют ковкой в альфа-состоянии, ее же применяют, наряду с прессованием в альфа- или гамма-состоянии, для деформирования крупных слитков. Холодная прокатка повышает прочностные характеристики урана,твердость при обжатии на 40%, увеличивает HV от 235 до 325. Снятие наклепа наступает в основном при т-ре 350-450° С в металле технической чистоты и сопровождается в этих условиях рекристаллизацией; вторичная, собирательная рекристаллизация развивается при т-ре 600-650° С. Охлаждение урана в воде или масле из бета- или гамма-состояния не подавляет образования альфа-фазы, но измельчает зерно альфа-урана, особенно при наличии примесей. Металлический У.,

Уран (лат. Uranium) - радиоактивный химический элемент; атомный номер 92, атомная масса 238,03.
В честь планеты Уран назвал немецкий химик М. Клапрот новый элемент, который он открыл в 1789 г. Но Клапрот получил лишь оксид урана, в металлическом виде его сумел получить французский химик Э. Пелиго в 1841 г. Создавая периодическую систему, Д. И. Менделеев поместил уран в самый ее конец, и долгое время элемент №92 оставался последним элементом в периодической системе. Еще в конце XIX в. этот элемент сыграл важную роль в истории естествознания. В урановых минералах был впервые обнаружен земной гелий.
Изучая фосфоресценцию урановых соединений, А. Беккерель открыл явление радиоактивности.
В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрасман открыли деление урана под действием медленных нейтронов. Спустя год советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак доказали, что ядра урана способны делиться самопроизвольно. Эти открытия положили начало эре освоения атомной энергии.
Облучая уран нейтронами, американские ученые Э. Макмиллан и Ф. Эйблсон искусственно синтезировали первый трансурановый элемент - нептуний. Тем самым в 1940 г. уран перестал быть последним элементом в периодической системе. Однако вопрос о месте в ней урана вызывал споры среди ученых. Будучи похож на молибден и вольфрам по химическим свойствам, уран может быть помещен в VII подгруппу периодической системы, как это и было до открытия трансурановых элементов. В соответствии же с представлениями об актиноидах, уран является членом этого семейства, хотя он имеет мало общего с соседними элементами - протактинием и нептунием.
В природе существуют три изотопа урана с массовыми числами 238, 235 и 234, причем 238U и 235U - родоначальники радиоактивных семейств. Периоды их полураспада соответственно равны 4,51 109 лет, 7,13 10^8 лет и 2,48 10^5 лет.
В земной коре урана содержится около 2,5 10^-4% по массе, причем на долю 238U приходится 99,28% всего количества урана, а на долю 235U - 0,714%. Но именно последний изотоп играет главную роль в ядерных превращениях, происходящих под действием медленных нейтронов. Делятся только ядра 235U. При этом образуются два близких по массе осколка - ядра элементов середины периодической системы - и 2 или 3 нейтрона на каждое разделившееся ядро. Эти нейтроны захватываются другими ядрами 235U, и начинается цепная реакция деления, которая сопровождается выделением большого количества энергии.
Если этой реакцией не управлять, произойдет ядерный взрыв. Управление ядерной реакцией деления лежит в основе работы ядерных реакторов.
Изотоп 238U не делится под действием медленных нейтронов, а превращается в изотоп 239U. Испуская бета-частицу, он превращается в конце концов в 239Рu. Этот изотоп плутония является превосходным ядерным топливом.
Долгое время уран применялся ограниченно: его оксиды и соли используются лишь для окраски стекол и в фотографии. Положение коренным образом изменилось когда была открыта цепная реакция деления урана. Уран и его соединения используются в основном в качестве горючего в ядерных реакторах.