Елемент урану. Властивості, видобуток, застосування та ціна урану. Хімічний елемент урану: властивості, характеристика, формула. Видобуток та застосування урану Якою літерою позначається уран у таблиці Менделєєва

Важко сказати, яке ім'я дав би німецький вчений Мартін Клапрот відкритому в 1789 елементу, якби за кілька років до цього не відбулася подія, що схвилювала всі кола суспільства: в 1781 англійський астроном Вільям Гершель, спостерігаючи за допомогою саморобного телескопа хмара, що світилася, яку він спочатку прийняв за комету, але надалі переконався, що бачить нову, невідому доти сьому планету сонячної системи. На честь давньогрецького бога піднебіння Гершель назвав її Ураном. Клапрот, який був під враженням цієї події, дав новонародженому елементу ім'я нової планети.

Приблизно через півстоліття, в 1841 році, французький хімік Ежен Пеліго зумів вперше отримати металевий уран. Промисловий світ залишився байдужим до важкого, порівняно м'якого металу, яким виявився уран. Його механічні та Хімічні властивостіне привабили ні металургів, ні машинобудівників. Лише склодуви Богемії та саксонські майстри фарфорових та фаянсових справ охоче застосовували окис цього металу, щоб надати келихам красивого жовто-зеленого кольору або прикрасити страви вигадливим оксамитово-чорним візерунком.

Про «художні здібності» уранових з'єднань знали ще давні римляни. Під час розкопок, проведених поблизу Неаполя, вдалося знайти скляну мозаїчну фреску дивовижної краси. Археологи були вражені: за два тисячоліття скла майже не потьмяніли. Коли зразки скла піддали хімічному аналізу, виявилося, що в них є окис урану, яким мозаїка і була зобов'язана своїм довголіттям. Але, якщо оксиди і солі урану займалися «суспільно корисною працею», то сам метал чистому виглядімайже нікого не цікавило.

Навіть вчені, і ті були лише поверхнево знайомі з цим елементом. Відомості про нього були мізерні, а часом зовсім неправильні. Так, вважалося, що його атомна вага дорівнює приблизно 120. Коли Д. І. Менделєєв створював свою Періодичну систему, ця величина плутала йому всі карти: уран за своїми властивостями ніяк не хотів вписуватися в ту клітинку таблиці, яка була «заброньована» за елементом з цією атомною вагою. І тоді вчений, попри думку своїх колег, вирішив прийняти нове значення атомної ваги урану — 240 і переніс елемент у кінець таблиці. Життя підтвердило правоту великого хіміка:

атомна вага урану 238,03.

Але геній Д. І. Менделєєва проявився у цьому. Ще в 1872 році коли більшість учених вважала уран на тлі багатьох цінних елементів свого роду «баластом», творець Періодичної системи зумів передбачити його воістину блискуче майбутнє: «Між усіма відомими хімічними елементами уран виділяється тим, що має найвищу атомну вагу... Найвища, з відомих, концентрація маси вагомої речовини,... існуюча в урані,... повинна тягнути за собою видатні особливості... Переконаний у тому, що дослідження урану, починаючи з його природних джерел, поведе ще до багатьох нових відкриттів, я сміливо рекомендую тим, хто шукає предметів для нових досліджень, особливо старанно займатись урановими сполуками».

Пророцтво великого вченого збулося менш ніж через чверть століття: в 1896 французький фізик Анрі Беккерель, проводячи експерименти з солями урану, зробив відкриття, яке по праву відноситься до найбільших наукових відкриттів, коли-небудь зроблених людиною. Ось як це сталося. Беккерель давно цікавився явищем фосфоресценції (тобто світіння), властивою деяким речовинам. Одного разу вчений вирішив скористатися для своїх дослідів однією із солей урану, яку хіміки називають подвійним сульфатом уранілу та калію. На обгорнуту чорним папером фотопластинку він помістив вирізану з металу візерунчасту фігуру, вкриту шаром уранової солі, і виставив її на яскраве сонячне світло, щоб фосфоресценція була якомога інтенсивнішою. Через чотири години Беккерель виявив платівку та побачив на ній виразний силует металевої фігури. Ще й ще раз повторив він свої досліди – результат був той самий. І ось 24 лютого 1896 року на засідань французької Академії наук вчений доповів, що у такої фосфоресцентної речовини, як подвійний сульфат урану і калію, виставленого на світ, спостерігається невидиме випромінювання, яке проходить через чорний непрозорий папір і відновлює солі срібла на фотостилі.

Через два дні Беккерель вирішив продовжити експерименти, але як на гріх погода була похмурою, а без сонця якась фосфоресценція? Досаджуючи на негоду, вчений сховав уже приготовлені, але так і не піддалися висвітленню діапозитиви разом із зразками солей урану в ящик свого столу, де вони пролежали кілька днів. Нарешті, в ніч на 1 березня вітер очистив паризьке небо від хмар і сонячні промені зранку заблищали над містом. Беккерель, який з нетерпінням чекав на це, поспішав у свою лабораторію і витяг з ящика столу діапозитиви, щоб виставити їх на сонце. Але, будучи дуже педантичним експериментатором, він в останній момент все ж таки вирішив проявити діапозитиви, хоча логіка, здавалося б, підказувала, що за минулі дні з ним нічого не могло статися: адже вони лежали в темному ящику, а без світла не фосфоресціює жодне речовина. Цієї миті вчений не підозрював, що через кілька годин звичайним фотографічним платівкам ціною в кілька франків, судилося стати безцінним скарбом, а день 1 березня 1896 назавжди увійде в історію світової науки.

Те, що Беккерель побачив на виявлених платівках, буквально вразило його: чорні силуети зразків різко і чітко позначилися на світлочутливому шарі. Значить, фосфоресценція тут ні до чого. Але тоді, що ж це за промені випромінює сіль урану? Вчений знову і знову проробляє аналогічні досліди з іншими сполуками урану, в тому числі і з тими, які не мали здатності фосфоресціювати або роками лежали в темному місці, і щоразу на платівках з'являлося зображення.

У Беккереля виникає поки що не зовсім ясна думка, що уран є «першим прикладом металу, що виявляє властивість, подібне до невидимої фосфоресценції».

У цей час французькому хіміку Анрі Муассану вдалося розробити спосіб отримання чистого металевого урану. Беккерель попросив у Муассана трохи уранового порошку і встановив, що випромінювання чистого урану значно інтенсивніше, ніж його сполук, причому ця властивість урану залишалася незмінною за різних умов дослідів, зокрема при сильному нагріванні і при охолодженні до низьких температур.

З публікацією нових даних Беккерель не поспішав: він чекав, коли Муассан повідомить про свої цікаві дослідження. До цього зобов'язувала наукова етика. І ось 23 листопада 1896 року на засіданні Академії наук Муассан зробив доповідь про роботи з одержання чистого урану, а Беккерель розповів про нову властивість, властиву цьому елементу, яке полягало в мимовільному розподілі ядер його атомів. Ця властивість була названа радіоактивністю.

Відкриття Беккереля ознаменувало початок нової ери у фізиці — ери перетворення елементів. Отрині атом уже не міг вважатися єдиним і неподільним—перед наукою відкривався шлях у глибини цієї «цеглинки» матеріального світу.

Звичайно, що тепер уран прикував до себе увагу вчених. Водночас їх цікавило й таке запитання: чи урану властива радіоактивність? Можливо, у природі існують й інші елементи, які мають цю властивість?

Відповідь на це питання змогли дати видатні фізики дружини П'єр Кюрі та Марія Складовська-Кюрі. За допомогою приладу, сконструйованого чоловіком, Марія Кюрі досліджувала безліч металів, мінералів, солей. Робота велася в неймовірно тяжких умовах. Лабораторією служив занедбаний дерев'яний сарай, який подружжя підшукало в одному з паризьких дворів. «Це був барак із дощок, з асфальтовою підлогою та скляним дахом, що погано захищав від дощу, без жодних пристосувань, — згадувала згодом М. Кюрі. — У ньому були тільки старі дерев'яні столи, чавунна піч, що не давала достатньо тепла, і класна дошка, якою так любив користуватися П'єр. Там не було витяжних шаф для дослідів із шкідливими газами, тому доводилося робити ці операції на дворі, коли дозволяла погода, або ж у приміщенні при відкритих вікнах». У щоденнику П. Кюрі є запис у тому, що часом роботи проводилися за нормальної температури всього шість градусів вище нуля.

Багато проблем виникало й із отриманням потрібних матеріалів. Уранова руда, наприклад, була дуже дорогою, і купити на свої скромні кошти достатньо її подружжя Кюрі не могли. Вони вирішили звернутися до австрійського уряду з проханням продати їм за невисокою ціною відходи цієї руди, з якої в Австрії витягували уран, використовуваний у вигляді солей для фарбування скла та фарфору. Вчених підтримала віденська Академія наук, і кілька тонн відходів було доставлено до їхньої паризької лабораторії.

Марія Кюрі працювала з надзвичайною завзятістю. Вивчення різноманітних матеріалів підтверджувало правоту Беккереля, який вважав, що радіоактивність чистого урану більше за будь-які його сполуки. Про це говорили результати сотень дослідів. Але Марія Кюрі піддавала дослідженням дедалі нові речовини. І раптом... Несподіванка! Два уранові мінерали - хальколіт і смоляна руда Богемії - набагато активніше діяли на прилад, ніж уран. Висновок напрошувався сам собою: у них міститься якийсь невідомий елемент, що характеризується ще більшою здатністю до радіоактивного розпаду. На честь Польщі-батьківщини М. Кюрі-дружини назвали його полонієм.

Знову за роботу, знову титанічна праця — і ще перемога: відкритий елемент, який у сотні разів перевершує радіоактивність уран. Цей елемент вчені назвали радієм, що латиною означає «промінь».

Відкриття радію певною мірою відвернуло наукову громадськість від урану. Протягом приблизно сорока років він не дуже хвилював уми вчених, та й інженерна думка рідко балувала його своєю увагою. У одному з томів технічної енциклопедії, виданому 1934 року, стверджувалося: «Елементарний уран практичного застосування немає». Солідне видання не грішило проти істини, але лише через кілька років життя внесло істотні корективи уявлення про можливості урану.

На початку 1939 року з'явилися два наукові повідомлення. Перше, спрямоване у французьку Академію наук Фредеріком Жоліо-Кюрі, було озаглавлено «Експериментальний доказ вибухового розщеплення ядер урану та торію під дією нейтронів». Друге повідомлення - його авторами були німецькі фізики Отто Фріш та Ліза Мейтнер - опублікував англійський журнал "Природа"; воно називалося: «Розпад урану під впливом нейтронів: новий вид ядерної реакції». І там, і там йшлося про нове, досі невідоме явище, що відбувається з ядром найважчого елемента — урану.

Ще кілька років до цього ураном серйозно зацікавилися «хлопчики» — саме так дружелюбно називали групу молодих талановитих фізиків, які працювали під керівництвом Енріко Фермі в Римському університеті. Захопленням цих вчених була нейтронна фізика, що таїла багато нового, незвіданого.

Було виявлено, що при опроміненні нейтронами, як правило, ядра одного елемента перетворюються на ядра іншого, що займає наступну клітину Періодичної системи. А якщо опромінити нейтронами останній, 92-й елемент - уран? Тоді має утворитися елемент, що стоїть уже на 93-му місці – елемент, який не змогла створити навіть природа!

Ідея сподобалася «хлопчакам». Ще б пак, хіба не привабливо дізнатися, що являє собою штучний елемент, як він виглядає, як поводиться? Отже - уран опромінений. Але що сталося? В урані з'явився не один радіоактивний елемент, як очікувалося, а щонайменше десяток. В наявності була якась загадка в поведінці урану. Енріко Фермі надсилає повідомлення про це в один із наукових журналів. Можливо, вважає він, утворився 93 елемент, але точних доказів цього немає. Але, з іншого боку, є докази, що в опроміненому урані є якісь інші елементи. Але ж які?

Спробу дати відповідь на це запитання зробила дочка Марії Кюрі Ірен Жоліо-Кюрі. Вона повторила досліди Фермі та ретельно досліджувала хімічний склад урану після опромінення його нейтронами. Результат був більш ніж несподіваним: в урані з'явився елемент лантан, розташований приблизно в середині таблиці Менделєєва, тобто дуже далеко від урану.

Коли ті ж експерименти проробили німецькі вчені Отто Ган та Фрідріх Штрассман, вони знайшли в урані не лише лантан, а й барій. Загадка за загадкою!

Ган і Штрассман повідомили про проведені досліди своєму другові відомому фізику Лізі Мейтнер. Тепер уже уранову проблему намагаються вирішити одразу кілька найбільших вчених. І ось, спочатку Фредерік Жоліо-Кюрі, а згодом Ліза Мейтнер приходять до одного й того ж висновку: при попаданні нейтрона ядро ​​урану як би розвалюється на частини. Цим і пояснюється несподівана поява лантану та барію — елементів з атомною вагою, приблизно вдвічі меншою, ніж у урану.

Американського фізика Луїса Альвареса, згодом лауреата Нобелівської премії, Ця звістка застало одного січневого ранку 1939 року в кріслі перукаря. Він спокійно переглядав газету, як раптом йому кинувся у вічі скромний заголовок: «Атом урану розділений на дві половини».

За мить на подив перукаря та відвідувачів, які чекали черги, дивний клієнт вибіг з перукарні, наполовину підстрижений, з серветкою, туго зав'язаною навколо шиї і розвіваної на вітрі. Незважаючи на здивованих перехожих, фізик мчав до лабораторії Каліфорнійського університету, де він працював, щоб повідомити про приголомшливу новину своїм колегам. Ті спочатку були приголомшені вельми оригінальним виглядом Альвареса, що розмахував газетою, але, коли почули про сенсаційне відкриття, відразу ж забули про його незвичайну зачіску.

Так, це була справжня сенсація у науці. Але Жоліо-Кюрі встановив і інший найважливіший факт: розпад уранового ядра носить характер вибуху, при якому осколки, що утворюються, розлітаються в сторони з величезною швидкістю. Поки вдавалося розколоти лише окремі ядра, енергія уламків лише нагрівала шматок урану. Якщо ж кількість поділів буде великою, то при цьому виділиться величезна кількість енергії.

Але де роздобути таку кількість нейтронів, щоб одночасно бомбардувати ними велику кількість ядер урану? Адже відомі вченим джерела нейтронів давали їх у багато мільярдів разів менше, ніж потрібно. На допомогу прийшла сама природа. Жоліо-Кюрі виявив, що при розподілі ядра урану з нього вилітає кілька нейтронів. Потрапивши в ядра сусідніх атомів, вони мають призвести до нового розпаду - почнеться так звана ланцюгова реакція. А оскільки ці процеси тривають мільйонні частки секунди, одразу виділиться колосальна енергія — неминучий вибух. Здається, все ясно. Але ж шматки урану вже не раз опромінювали нейтронами, а вони при цьому не вибухали, тобто ланцюгова реакція не виникала. Очевидно, потрібні ще якісь умови. Які ж? На це запитання Фредерік Жоліо-Кюрі відповісти поки що не міг.

І все ж таки відповідь була знайдена. Знайшли його в тому ж 1939 молоді радянські вчені Я. Б. Зельдович і Ю. Б. Харитон. У своїх роботах вони встановили, що є два шляхи розвитку ланцюгової ядерної реакції. Перший - потрібно збільшити розміри шматка урану, так як при опроміненні маленького шматка багато нейтрони, що виділилися знову, можуть вилетіти з нього, не зустрівши на своєму шляху жодного ядра. Зі зростанням маси урану ймовірність попадання нейтрона в ціль, природно, зростає.

Є й інший шлях: збагачення урану ізотопом 235. Справа в тому, що природний уран має два основні ізотопи, атомна вага яких дорівнює 238 і 235. У ядрі першого з них, на частку якого припадає в 140 разів більше атомів, є на три нейтрони більше. «Бідний» нейтронами уран-235 жадібно їх поглинає набагато сильніше, ніж його «заможний» брат, який навіть не ділиться на частини, а перетворюється на інший елемент. Цю властивість ізотопу вчені надалі використовували для отримання штучних трансуранових елементів. Для ланцюгової реакції байдужість урану-238 до нейтронів виявляється згубним: процес чахне, не встигнувши набрати силу. Зате чим більше в урані «жадібних» до нейтронів атомів ізотопу 235, тим енергійніше піде реакція.

Але, щоб розпочався процес, потрібен ще й перший нейтрон — той «сірник», який має викликати атомну «пожежу». Звичайно, для цієї мети можна скористатися звичайними нейтронними джерелами, які вчені раніше застосовували у своїх дослідженнях, — не дуже зручно, але можна. А чи немає більш підходящої «сірники»?

Є. Її знайшли інші радянські вчені К. А. Петржак та Г. Н. Флеров. Досліджуючи в 1939-1940 роках поведінку урану, вони дійшли висновку, що ядра цього елемента здатні розпадатися мимоволі. Це підтвердили результати дослідів, проведених ними в одній із ленінградських лабораторій. Але, можливо, уран розпадався не сам, а, наприклад, під дією космічних променів: адже Земля безперервно перебуває під їхнім обстрілом. Отже, досліди слід повторити глибоко під землею, куди не проникають ці космічні гості. Порадившись з найбільшим радянським вченим-атомником І. В. Курчатовим, молоді дослідники вирішили провести експерименти на станції Московського метрополітену. У Наркоматі шляхів сполучення це не зустріло перешкод, і незабаром до кабінету начальника станції метро «Динамо», що знаходилася на глибині 50 метрів, на плечах науковців було доставлено апаратуру, яка важила близько трьох тонн.

Як завжди, повз них проходили блакитні потяги, тисячі пасажирів спускалися і піднімалися ескалатором, і ніхто з них не припускав, що десь зовсім поруч ведуться досліди, значення яких важко переоцінити. І ось, нарешті, отримано результати, аналогічні до тих, які спостерігалися в Ленінграді. Сумніву був: ядрам урану властивий мимовільний розпад. Щоб помітити його, потрібно було виявити неабияку експериментаторську майстерність: за 1 годину з кожних

60 000 000 000 000 атомів урану розпадається лише один. Воістину, крапля в морі!

К. А. Петржак та Г. Н. Флеров вписали заключну сторінку в ту частину біографії урану, яка передувала проведенню першої у світі ланцюгової реакції. Її здійснив 2 грудня 1942 Енріко Фермі.

Наприкінці 30-х років Фермі, як і багато інших великих учених, рятуючись від гітлерівської чуми, змушений був емігрувати до Америки. Тут він збирався продовжити свої найважливіші експерименти. Але для цього потрібно чимало грошей. Потрібно було переконати американський уряд у тому, що досліди Фермі дозволять отримати потужну атомну зброю, яку можна використовувати для боротьби з фашизмом. Цю місію взяв він учений зі світовим ім'ям Альберт Ейнштейн. Він пише листа президенту США Франкліну Рузвельту, який починається словами: «Сер! Остання робота Е. Фермі та Л. Сцілларда, з якою я ознайомився в рукописі, дозволяє сподіватися, що елемент уран у найближчому майбутньому може бути перетворений на нове важливе джерело енергії...». У листі вчений закликав уряд розпочати фінансування робіт із дослідження урану. Враховуючи величезний авторитет Ейнштейна та серйозність міжнародної обстановки, Рузвельт дав свою згоду.

Наприкінці 1941 року жителі Чикаго могли помітити незвичайне пожвавлення, що панували на території одного зі стадіонів, яке не мало до спорту жодного відношення. До воріт його час від часу під'їжджали машини з вантажем. Численна охорона не дозволяла стороннім навіть наближатися до огорожі стадіону. Тут, на тенісних кортах, розташованих під західною трибуною, Енріко Фермі готував свій найнебезпечніший експеримент — здійснення контрольованої ланцюгової реакції розподілу ядер урану. Роботи зі спорудження першого у світі ядерного реактора велися вдень та вночі протягом року.

Настав ранок 2 грудня 1942 року. Всю ніч вчені не замикали очей, знову і знову перевіряючи розрахунки. Чи жарт сказати: стадіон знаходиться в самому центрі багатомільйонного міста, і хоча розрахунки переконували в тому, що реакція в атомному котлі буде уповільненою, тобто не матиме вибухового характеру, ризикувати життям сотень тисяч людей ніхто не мав права. День уже давно почався, настав час снідати, але про це всі забули — не терпілося якнайшвидше приступити до штурму атома. Однак Фермі не поспішає: треба дати втомленим людям відпочити, потрібна розрядка, щоб потім все ретельно зважити і обдумати. Обережність та ще раз обережність. І ось, коли всі чекали команду почати експеримент, Фермі вимовив свою знамениту фразу, що увійшла в історію підкорення атома,— два слова: «Ходімо снідати!».

Сніданок позаду, знову на своїх місцях — досвід починається. Погляди вчених прикуті до приладів. Тяжкі хвилини очікування. І, нарешті, лічильники нейтронів заклацали, як кулемети. Вони наче захлиналися від величезної кількості нейтронів, не встигаючи їх рахувати! Ланцюгова реакція почалася! Це сталося о 15 годині 25 хвилин за чиказьким часом. Атомному вогню дозволили горіти 28 хвилин, а потім за командою Фермі ланцюгову реакцію було припинено.

Один із учасників експерименту підійшов до телефону і заздалегідь обумовленою шифрованою фразою повідомив начальству: «Італійський мореплавець дістався Нового Світу!» Це означало, що видатний італійський учений Енріко Фермі звільнив енергію атомного ядра і довів, що людина може контролювати та використовувати її за своєю волею.

Але воля волі різна. У ті роки, коли відбувалися події, що описувалися, ланцюгова реакція розглядалася насамперед як етап на шляху до створення атомної бомби. Саме у цьому напрямі і були продовжені в Америці роботи вчених-атомників.

Обстановка у наукових колах, що з цими роботами, була надто напруженою. Але й тут не обходилося без курйозів.

Восени 1943 вирішено було спробувати вивезти з окупованої німцями Данії в Америку найбільшого фізика Нільса Бора, щоб використати його величезні знання та талант. Темної ночі на рибальському суденці, що таємно охороняється англійськими підводними човнами, вченого під виглядом рибалки було доставлено до Швеції, звідки його на літаку мали переправити до Англії, а вже потім до США.

Весь багаж Бора складався з однієї пляшки. Цю звичайну зелену пляшку з-під датського пива, в якій він потай від німців зберігав безцінну важку воду, фізик беріг як зіницю ока: на думку багатьох учених-атомників, саме важка вода могла служити сповільнювачем нейтронів для ядерної реакції.

Бор дуже важко переніс стомлюючий політ і, як тільки прийшов до тями, насамперед перевірив, чи ціла пляшка з важкою водою. І тут, на превеликий жаль, учений виявив, що став жертвою власної розсіяності: у його руках була пляшка з справжнісіньким данським пивом, а посудина з важкою водою залишилася вдома в холодильнику.

Коли на гігантських заводах Ок-Ріджа, розташованих у штаті Теннессі, було отримано перший невеликий шматочок урану-235, призначений для атомної бомби, його відправили зі спеціальним кур'єром до прихованого серед каньйонів штату Нью-Мексико Лос-Аламос, де створювалася ця смертоносна зброя. Кур'єру, який мав самому вести машину, не сказали, що перебуває в переданій йому коробочці, але він не раз чув страшні історії про таємничі «промені смерті», що народжуються в Ок-Ріджі. Що далі він їхав, то більше хвилювання охоплювало його. Врешті-решт він вирішив, при першій же підозрілій ознакі в поведінці коробочки, захованої за ним, бігати від машини що є сечі.

Проїжджаючи довгим мостом, шофер раптово почув ззаду гучний постріл. Наче катапультований, він вискочив з автомобіля і побіг так швидко, як ще ніколи не бігав у своєму житті. Але ось, пробігши неабияку відстань, він зупинився в знеможенні, переконався, що цілий і неушкоджений, і навіть наважився озирнутися. А тим часом за його машиною вже виріс довгий хвіст автомобілів, що нетерпляче сигналили. Довелося повертатися та продовжувати шлях.

Але тільки-но він сів за кермо, як знову пролунав гучний постріл, і інстинкт самозбереження знову буквально викинув бідолаху з машини і змусив мчати річ від злощасної коробочки. Лише після того, як розгніваний полісмен наздогнав його на мотоциклі і побачив урядові документи, зляканий шофер дізнався, що постріли долинали з сусіднього полігону, де в цей час випробовували нові артилерійські снаряди.

Роботи в Лос-Аламосі велися в обстановці найсуворішої таємниці. Усі великі вчені перебували тут під вигаданими іменами. Так, Нільс Бор, наприклад, був відомий у Лос-Аламосі як Ніколає Бейкер, Енріко Фермі був Генрі Фармером, Юджін Вігнер - Юджіном Вагнер.

Одного разу, коли Фермі та Вігнер виїжджали з території одного секретного заводу, їх зупинив вартовий. Фермі надав своє посвідчення на ім'я Фармера, а Вігнер не зміг знайти своїх документів. Часовий був список тих, кому дозволялося входити на завод і виходити з нього. «Ваше прізвище?» - Запитав він. Розсіяний професор спочатку за звичкою промимрив «Вігнер», але тут же схаменувся і одужав: «Вагнер». Це викликало підозру у вартового. Вагнер був у списку, а Вігнер – ні. Він повернувся до Фермі, якого вже добре знав в обличчя, і запитав: «Цю людину звуть Вагнер?». «Його звуть Вагнер. Це так само вірно, як і те, що я Фармер», - сховавши посмішку, урочисто запевнив вартового Фермі, і той пропустив учених.

Приблизно в середині 1945 року роботи зі створення атомної бомби, на які було витрачено два мільярди доларів, завершилися, і 6 серпня над японським містом Хіросіма виник гігантський вогненний гриб, який забрав десятки тисяч життів. Ця дата стала чорним днем ​​історії цивілізації. Найбільше досягнення науки породило найбільшу трагедію людства.

Перед вченими, перед усім світом постало питання: що ж далі? Продовжувати вдосконалювати ядерну зброю, створювати ще страшніші засоби знищення людей?

Ні! Віднині колосальна енергія, що міститься в ядрах атомів, повинна служити людині. Перший крок цьому шляху зробили радянські вчені під керівництвом академіка І. У. Курчатова. 27 червня 1954 року московське радіо передало повідомлення виняткової важливості: «В даний час у Радянському Союзі зусиллями радянських учених та інженерів успішно завершено роботи з проектування та будівництва першої промислової електростанції на атомній енергії корисною потужністю 5000 кіловат». Вперше по проводах йшов струм, який ніс енергію, народжену надрах атома урану.

"Це історична подія, - писала в ті дні газета "Дейлі Уор-кер", - має незмірно більше міжнародне значення, ніж скидання першої атомної бомби на Хіросіму ...".

Пуск першої атомної електростанції започаткував розвиток нової галузі техніки — ядерної енергетики. Уран став мирним пальним XX століття.

Минуло ще п'ять років, і зі стапелів радянських судноверфей зійшов перший у світі атомний криголам «Ленін». Щоб змусити працювати його двигуни на всю потужність (44 тисячі кінських сил!), потрібно спалити всього кілька десятків грамів урану. Невеликий шматок цього ядерного палива здатний замінити тисячі тонн мазуту або кам'яного вугілля, які змушені буквально тягнути за собою звичайні теплоходи, що здійснюють, наприклад, рейс Лондон-Нью-Йорк. А атомохід «Ленін» із запасом уранового палива кілька десятків кілограмів може протягом трьох років ламати льоди Арктики, не заходячи в порт на «заправку».

У 1974 році «приступив до виконання своїх обов'язків» ще потужніший атомний криголам-«Арктика».

З кожним роком частка ядерного пального у світовому балансі енергоресурсів стає все відчутнішою. У наші часи кожна четверта лампочка в Росії світить через АЕС. Переваги цього виду палива безперечні. Але не слід забувати про небезпеку радіації. Мільйони людей постраждали. Серед них понад 100 тисяч побігли через жахливу аварію на Чорнобольській АЕС у 1986 році. Та й зараз територія біля ЧАЕС заражена та не придатна для життя. Пройде ще не менше ста років, перш ніж людина зможе повернутись і жити там. Але і без аварій не так гладко. Адже використання уранового палива пов'язане з багатьма труднощами, з яких чи не найважливіша — знищення радіоактивних відходів, що утворюються. Спускати їх у спеціальних контейнерах на дно морів та океанів? Заривати їх глибоко у землю? Навряд чи такі способи дозволять повністю вирішити проблему: адже, зрештою, смертоносні речовини при цьому залишаються на нашій планеті. А чи не спробувати відправити їх кудись подалі — на інші небесні тіла? Саме таку ідею висунув один із вчених США. Він запропонував вантажити відходи атомних електростанцій на «вантажні» космічні кораблі, що прямують за маршрутом Земля—Сонце. Зрозуміло, сьогодні подібні «посилки» дорого обійшлися б відправникам, але, на думку деяких оптимістично налаштованих фахівців, вже через 10 років ці транспортні операції стануть цілком виправданими.

У наш час вже не обов'язково мати багату фантазію, щоб передбачити велике майбутнє урану. Уран завтра—это космічні ракети, спрямовані в глиб Всесвіту, і гігантські підводні міста, забезпечені енергією на десятки років, це створення штучних островів і обводнення пустель, це проникнення до надр Землі і перетворення клімату нашої планети.

Казкові перспективи відкриває перед людиною уран — мабуть найдивовижніший метал природи!

Зміст статті

УРАН, U (uranium), металевий хімічний елемент сімейства актиноїдів, які включають Ac, Th, Pa, U та трансуранові елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран набув популярності завдяки використанню його в ядерній зброї та атомній енергетиці. Оксиди урану використовуються також для фарбування скла та кераміки.

Знаходження у природі.

Вміст урану в земній корі становить 0,003%, він зустрічається в поверхневому шарі землі у вигляді чотирьох видів відкладень. По-перше, це жили уранініту, або уранової смолки (діоксид урану UO 2), дуже багаті на уран, але рідко зустрічаються. Їм супроводжують відкладення радію, оскільки радій є прямим продуктом ізотопного розпаду урану. Такі жили зустрічаються в Заїрі, Канаді (Велике Ведмеже озеро), Чехії та Франції. Другим джерелом урану є конгломерати торієвої та уранової руди разом із рудами інших важливих мінералів. Конгломерати зазвичай містять достатні для отримання кількості золота і срібла, а супутніми елементами стають уран і торій. Великі родовища цих руд перебувають у Канаді, ПАР, же Росії та Австралії. Третім джерелом урану є осадові породи та пісковики, багаті на мінерал карнотиту (ураніл-ванадат калію), який містить, крім урану, значну кількість ванадію та інших елементів. Такі руди зустрічаються у західних штатах США. Залізоранові сланці та фосфатні руди становлять четверте джерело відкладень. Багаті відкладення виявлено у глинистих сланцях Швеції. Деякі фосфатні руди Марокко та США містять значні кількості урану, а фосфатні поклади в Анголі та Центральноафриканській Республіці ще багатші на уран. Більшість лігнітів і деякі вугілля зазвичай містять домішки урану. Багаті ураном відкладення лігнітів виявлені в Північній та Південній Дакоті (США) та бітумному вугіллі Іспанії та Чехії.

Відкриття.

Уран був відкритий у 1789 році німецьким хіміком М.Клапротом, який привласнив ім'я елементу на честь відкриття за 8 років перед цим планети Уран. (Клапрот був провідним хіміком свого часу; він відкрив також інші елементи, у тому числі Ce, Ti та Zr.) Насправді речовина, отримана Клапротом, була не елементним ураном, але окисленою формою його, а елементний уран був уперше отриманий французьким хіміком Е .Пеліго в 1841. З моменту відкриття та до 20 ст. уран не мав того значення, яке він має зараз, хоча багато його Фізичні властивості, А також атомна маса і щільність були визначені. У 1896 А.Беккерель встановив, що солі урану мають випромінювання, яке засвічує фотопластинку в темряві. Це відкриття активізувало хіміків до досліджень у галузі радіоактивності і в 1898 французькі фізики подружжя П.Кюрі та М.Склодовська-Кюрі виділили солі радіоактивних елементів полонію та радію, а Е.Резерфорд, Ф.Содді, К.Фаянс та інші вчені розробили теорію радіо розпаду, що заклало основи сучасної ядерної хімії та атомної енергетики.

Перші застосування урану.

Хоча радіоактивність солей урану була відома, його руди у першій третині нинішнього століття використовувалися лише для отримання супутнього радію, а уран вважався небажаним побічним продуктом. Його використання було зосереджено в основному в технології кераміки та в металургії; оксиди урану широко застосовували для фарбування скла кольору від блідожовтого до темнозеленого, що сприяло розвитку недорогих скляних виробництв. Сьогодні вироби цих виробництв ідентифікують як флуоресцентні під ультрафіолетовими променями. Під час Першої світової війни та незабаром після неї уран у вигляді карбіду застосовували у виробництві інструментальних сталей, аналогічно Mo та W; 4–8% урану замінювали вольфрам, виробництво якого на той час було обмежене. Для отримання інструментальних сталей у 1914–1926 щорічно виробляли по кілька тонн ферорурану, що містить до 30% (мас.) U. Проте таке застосування урану тривало недовго.

Сучасне застосування урану.

Промисловість урану почала складатися в 1939, коли було здійснено поділ ізотопу урану 235 U, що призвело до технічної реалізації контрольованих ланцюгових реакцій поділу урану в грудні 1942. Це було народження ери атома, коли уран з незначного елемента перетворився на один з найважливіших елементів товариства. Військове значення урану для виробництва атомної бомби та використання як паливо в ядерних реакторах викликали попит на уран, який зріс в астрономічних розмірах. Цікава хронологія зростання потреби в урані з історії відкладень у Великому Ведмежому озері (Канада). У 1930 році в цьому озері була виявлена ​​смоляна обманка – суміш оксидів урану, а в 1932 році на цій ділянці була налагоджена технологія очищення радію. З кожної тонни руди (смоляної обманки) отримували 1 г радію та близько половини тонни побічного продукту – уранового концентрату. Однак радію було мало і його видобуток було припинено. З 1940 по 1942 р. розробку відновили і почали відправку уранової руди до США. У 1949 аналогічне очищення урану з деякими удосконаленнями було застосовано для виробництва чистого UO 2 . Це виробництво зростало, і в даний час воно є одним із найбільших виробництв урану.

Властивості.

Уран – одне з найважчих елементів, які у природі. Чистий метал дуже щільний, пластичний, електропозитивний з малою електропровідністю та високореакційний.

Уран має три алотропні модифікації: a-уран (орторомбічні кристалічні грати), існує в інтервалі від кімнатної температури до 668 ° С; b-уран (складні кристалічні грати тетрагонального типу), стійкий в інтервалі 668-774 ° С; g-Уран (об'ємноцентровані кубічні кристалічні грати), стійкий від 774 ° С аж до температури плавлення (1132 ° С). Оскільки всі ізотопи урану нестабільні, всі його сполуки виявляють радіоактивність.

Ізотопи урану

238 U, 235 U, 234 U зустрічаються у природі у співвідношенні 99,3:0,7:0,0058, а 236 U – у слідових кількостях. Всі інші ізотопи урану від 226 до 242 U отримують штучно. Ізотоп 235 U має особливо важливе значення. Під впливом повільних (теплових) нейтронів він ділиться зі звільненням величезної енергії. Повний поділ 235 U призводить до виділення «теплового енергетичного еквівалента» 2Ч 10 7 кВт·год/кг. Поділ 235 U можна використовувати не тільки для отримання великої кількості енергії, але також для синтезу інших важливих актиноїдних елементів. Уран природного ізотопного складу можна використовувати в ядерних реакторах для виробництва нейтронів, що утворюються при розподілі 235 U, в той же час надлишкові нейтрони, які не потрібні ланцюговою реакцією, можуть захоплюватися іншим природним ізотопом, що призводить до отримання плутонію:

При бомбардуванні 238 U швидкими нейтронами протікають наступні реакції:

Згідно з цією схемою, найбільш поширений ізотоп 238 U може перетворюватися на плутоній-239, який, подібно до 235 U, також здатний ділитися під дією повільних нейтронів.

В даний час отримано велику кількість штучних ізотопів урану. Серед них 233 U особливо примітний тим, що він також ділиться при взаємодії з нейтронами повільними.

Деякі інші штучні ізотопи урану часто застосовують як радіоактивні мітки (індикатори) в хімічних і фізичних дослідженнях; це насамперед b-випромінювач 237 U та a-випромінювач 232 U.

З'єднання.

Уран - високореакційний метал - має ступеня окислення від +3 до +6, близький берилію в ряду активності, взаємодіє з усіма неметалами і утворює інтерметалічні з'єднання з Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn та Zn. Тонкороздроблений уран особливо реакційноздатний і при температурах вище 500 ° С часто входить у реакції, характерні для гідриду урану. Шматковий уран або стружка яскраво згорає при 700-1000 ° С, а пари урану горять вже при 150-250 ° С, HF уран реагує при 200-400 ° С, утворюючи UF 4 і H 2 . Уран повільно розчиняється в концентрованій HF або H 2 SO 4 і 85%-ної H 3 PO 4 навіть при 90 ° С, але легко реагує з конц. HCl і менш активно з HBr або HI. Найбільш активно і швидко протікають реакції урану з розведеною та концентрованою HNO 3 з утворенням нітрату уранілу ( див. нижче). У присутності HCl уран швидко розчиняється в органічних кислотах, утворюючи органічні солі U4+. Залежно від ступеня окислення уран утворює кілька типів солей (найважливіші серед них з U 4+ , ​​одна з них UCl 4 – сіль зеленого кольору, що легко окислюється); солі ураніла (радикала UO 2 2+) типу UO 2 (NO 3) 2 мають жовте забарвлення та флуоресціюють зеленим кольором. Солі уранілу утворюються при розчиненні амфотерного оксиду UO 3 (жовте забарвлення) у кислому середовищі. У лужному середовищі UO 3 утворює уранати типу Na 2 UO 4 або Na 2 U 2 O 7 . Останнє з'єднання («жовтий ураніл») застосовують для виготовлення фарфорових глазурів та у виробництві флуоресцентного скла.

Галогеніди урану широко вивчалися в 1940-1950, оскільки на їх основі були розроблені методи розподілу ізотопів урану для атомної бомби або ядерного реактора. Трифторид урану UF 3 був отриманий відновленням UF 4 воднем, а тетрафторид урану UF 4 отримують різними способами реакцій HF з оксидами типу UO 3 або U 3 O 8 або електролітичним відновленням сполук уранила. Гексафторид урану UF6 отримують фторуванням U або UF4 елементним фтором або дією кисню на UF4. Гексафторид утворює прозорі кристали з високим коефіцієнтом заломлення при 64 ° С (1137 мм рт. ст.); з'єднання летюче (в умовах нормального тиску виганяється при 56,54 ° С). Оксогалогеніди урану, наприклад, оксофториди, мають склад UO 2 F 2 (фторид уранілу), UOF 2 (оксид-дифторид урану).

Уран – хімічний елемент сімейства актиноїдів з атомним номером 92. Є найважливішим ядерним паливом. Його концентрація у земній корі становить близько 2 частин на мільйон. До важливих уранових мінералів відносяться окис урану (U 3 O 8), уранініт (UO 2), карнотит (ураніл-ванадат калію), отеніт (ураніл-фосфат калію) і торберніт (водний фосфат міді та уранілу). Ці та інші уранові руди є джерелами ядерного палива і містять у багато разів більше енергії, ніж усі відомі родовища викопного палива. 1 кг урану 92 U дає стільки енергії, скільки 3 млн кг вугілля.

Історія відкриття

Хімічний елемент уран – щільний, твердий метал сріблясто-білого кольору. Він пластичний, ковкий і піддається поліруванню. У повітрі метал окислюється і у подрібненому стані спалахує. Щодо погано проводить електрику. Електронна формула урану – 7s2 6d1 5f3.

Хоча елемент був виявлений у 1789 р. німецьким хіміком Мартіном Генріхом Клапротом, який назвав його на честь нещодавно відкритої планети Уран, сам метал був ізольований у 1841 р. французьким хіміком Еженом-Мельхіор Пеліго шляхом відновлення з тетрахлориду урану (UCl 4)

Радіоактивність

Створення періодичної системи російським хіміком Дмитром Менделєєвим у 1869 році зосередило увагу на урані як на найважчому з відомих елементів, яким він залишався до відкриття нептунія у 1940 р. У 1896-му французький фізик Анрі Беккерель виявив у ньому явище радіоактивності. Цю властивість пізніше було знайдено у багатьох інших речовинах. Тепер відомо, що радіоактивний у всіх його ізотопах уран складається із суміші 238 U (99,27 %, період напіврозпаду – 4 510 000 000 років), 235 U (0,72 %, період напіврозпаду – 713 000 000 років) та 234 U (0,006%, період напіврозпаду – 247 000 років). Це дозволяє, наприклад, визначати вік гірських порід та мінералів для вивчення геологічних процесів та віку Землі. Для цього вимірюється кількість свинцю, який є кінцевим продуктом радіоактивного розпаду урану. При цьому 238 є вихідним елементом, а 234 U - один з продуктів. 235 U породжує низку розпаду актинія.

Відкриття ланцюгової реакції

Хімічний елемент уран став предметом широкого інтересу та інтенсивного вивчення після того, як німецькі хіміки Отто Хан і Фріц Штрассман наприкінці 1938 р. за його бомбардування повільними нейтронами виявили в ньому ядерний поділ. На початку 1939 американський фізик італійського походження Енріко Фермі припустив, що серед продуктів розщеплення атома можуть бути елементарні частинки, здатні породити ланцюгову реакцію. У 1939 р. американські фізики Лео Сціллард та Герберт Андерсон, а також французький хімік Фредерік Жоліо-Кюрі та їхні колеги підтвердили це передбачення. Наступні дослідження показали, що в середньому при розподілі атома вивільняється 2,5 нейтрони. Ці відкриття привели до першої самопідтримуючої ланцюгової ядерної реакції (02.12.1942), першої атомної бомби (16.07.1945), першого її використання в ході військових дій (06.08.1945), першого атомного підводного човна (1955) та першої повномасштабної атомної електростанції. 1957).

Стан окислення

Хімічний елемент урану, будучи сильним електропозитивним металом, реагує з водою. Він розчиняється у кислотах, але не в лугах. Важливими станами окислення є +4 (як в оксиді UO 2 , тетрагалогенідах, таких як UCl 4 і зеленому водному іоні U 4+) і +6 (як в оксиді UO 3 гексафториде UF 6 і іоні уранила UO 2 2+). У водному розчині уран найбільш стійкий у складі іону уранілу, що має лінійну структуру [О = U = О] 2+ . Елемент також має стани +3 та +5, але вони нестійкі. Червоний U 3+ повільно окислюється у воді, що не містить кисню. Колір іона UO 2 + невідомий, оскільки він зазнає диспропорціонування (UO 2 + одночасно зводиться до U 4+ і окислюється до UO 2 2+) навіть у дуже розбавлених розчинах.

Ядерне паливо

При дії повільних нейтронів розподіл атома урану відбувається в відносно рідкому ізотопі 235 U. Це єдиний природний матеріал, що розщеплюється, і він повинен бути відділений від ізотопу 238 U. Разом з тим після поглинання і негативного бета-розпаду уран-238 перетворюється на синтетичний елемент пл. який розщеплюється під впливом повільних нейтронів. Тому природний уран можна використовувати в реакторах-перетворювачах та розмножувачах, в яких розподіл підтримується рідкісним 235 U і одночасно з трансмутацією 238 U виробляється плутоній. З широко поширеного в природі ізотопу торію-232 може бути синтезований 233 U, що ділиться, для використання в якості ядерного палива. Уран також є важливим як первинний матеріал, з якого отримують синтетичні трансуранові елементи.

Інші застосування урану

З'єднання хімічного елемента раніше використовувалися як барвники для кераміки. Гексафторид (UF 6) є твердою речовиною з незвичайно високим тиском пари (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 хімічно дуже реактивний, але, незважаючи на його корозійну природу в пароподібному стані, UF 6 широко використовується в газодифузійних та газоцентрифужних методах отримання збагаченого урану.

Металоорганічні сполуки є цікавою і важливою групою сполук, у яких зв'язки метал-вуглець з'єднують метал з органічними групами. Ураноцен є органоуранічним з'єднанням U(С 8 Н 8) 2 , в якому атом урану затиснутий між двома шарами органічних кілець, пов'язаними з циклооктатетраєном C 8 H 8 . Його відкриття 1968 р. відкрило нову область металоорганічної хімії.

Збіднений природний уран застосовується як засіб радіаційного захисту, баласту, в бронебійних снарядах і танкової броні.

Переробка

Хімічний елемент, хоч і дуже щільний (19,1 г/см 3), є відносно слабкою, незаймистою речовиною. Дійсно, металеві властивості урану, мабуть, позиціонують його десь між сріблом та іншими істинними металами та неметалами, тому його не використовують як конструкційний матеріал. Основна цінність урану полягає у радіоактивних властивостях його ізотопів та їх здатності ділитися. У природі майже весь (99,27 %) метал складається з 238 U. Решту складають 235 U (0,72 %) та 234 U (0,006 %). З цих природних ізотопів лише 235 U безпосередньо розщеплюється нейтронним опроміненням. Однак при його поглинанні 238 U утворює 239 U, який в кінцевому підсумку розпадається на 239 Pu - матеріал, що ділиться, що має велике значення для атомної енергетики і ядерної зброї. Інший ізотоп, що ділиться, 233 U, може утворитися нейтронним опроміненням 232 Th.

Кристалічні форми

Характеристики урану зумовлюють його реакцію з киснем та азотом навіть у нормальних умовах. При більш високих температурах він вступає у реакцію з широким спектром металів, що легують, утворюючи інтерметалічні з'єднання. Утворення твердих розчинів коїться з іншими металами рідко через особливих кристалічних структур, утворених атомами елемента. Між кімнатною температурою та температурою плавлення 1132 °C металевий уран існує у 3 кристалічних формах, відомих як альфа (α), бета (β) та гама (γ). Трансформація з α в β-стан відбувається при 668 °C і від β до γ - при 775 °C. γ-уран має об'ємноцентровану кубічну кристалічну структуру, а β – тетрагональну. α-фаза складається з шарів атомів у високосиметричній орторомбічній структурі. Ця анізотропна спотворена структура перешкоджає атомам легуючих металів замінювати атоми урану або займати простір між ними в кристалічній решітці. Виявлено, що тверді розчини утворюють лише молібден та ніобій.

Руди

Земна кора містить близько 2 частин урану на мільйон, що говорить про його широке поширення в природі. За оцінками, океани містять 4,5×10 9 т цього хімічного елемента. Уран є важливою складовою більш ніж 150 різних мінералів і другорядним компонентом ще 50. Первинні мінерали, виявлені в магматичних гідротермальних жилах та пегматитах, включають уранініт і його різновид настуран. У цих рудах елемент зустрічається у формі діоксиду, який внаслідок окиснення може змінюватись від UO 2 до UO 2,67 . Інший економічно значущою продукцією уранових копалень є аутуніт (гідратований уранілфосфат кальцію), тоберніт (гідратований уранілфосфат міді), кофініт (чорний гідратований силікат урану) і карнотит (гідратований ураніл-ванадат калію).

За оцінками, понад 90% відомих недорогих запасів урану припадає на Австралію, Казахстан, Канаду, Росію, Південну Африку, Нігер, Намібію, Бразилію, КНР, Монголію та Узбекистан. Великі родовища знаходяться в конгломератних скельних утвореннях озера Елліот, розташованого на північ від озера Гурон в Онтаріо, Канада, та у південноафриканському золотому копальні Вітватерсранді. Піщані утворення на плато Колорадо та у Вайомінгському басейні західної частини США також містяться значні запаси урану.

Здобич

Уранові руди зустрічаються як у приповерхневих, і глибоких (300-1200 м) відкладеннях. Під землею потужність пласта досягає 30 м. Як і у випадку з рудами інших металів, видобуток урану на поверхні провадиться великим землерийним обладнанням, а розробка глибоких відкладень - традиційними методами вертикальних та похилих шахт. Світове виробництво уранового концентрату в 2013 р. склало 70 тис. т. Найбільш продуктивні уранові рудники розташовані в Казахстані (32% всього видобутку), Канаді, Австралії, Нігері, Намібії, Узбекистані та Росії.

Уранові руди зазвичай включають лише невелику кількість урановмісних мінералів, і вони не піддаються плавленню прямими пірометалургійними методами. Натомість для вилучення та очищення урану повинні використовуватися гідрометалургійні процедури. Підвищення концентрації значно знижує навантаження на контури обробки, але жоден із звичайних способів збагачення, які зазвичай використовуються для переробки корисних копалин, наприклад гравітаційний, флотація, електростатичний і навіть ручне сортування, непридатні. За небагатьма винятками ці методи призводять до значної втрати урану.

Випалення

Гідрометалургійної обробки уранових руд часто передує високотемпературна стадія кальцинування. Випалювання зневоднює глину, видаляє вуглецеві матеріали, окислює сполуки сірки до нешкідливих сульфатів і окислює будь-які інші відновники, які можуть заважати подальшій обробці.

Вилужування

З обпалених руд уран вилучається як кислотними, і лужними водними розчинами. Для успішного функціонування всіх систем вилуговування хімічний елемент повинен або бути присутнім у більш стабільній 6-валентній формі, або окислюватися до цього стану в процесі обробки.

Кислотне вилуговування зазвичай проводять шляхом перемішування суміші руди та вилуговувача протягом 4-48 год при температурі навколишнього середовища. Крім особливих причин використовується сірчана кислота. Її подають у кількостях, достатніх для отримання кінцевого лугу при 1,5 рН. Схеми вилуговування сірчаної кислоти зазвичай використовують або діоксид марганцю, або хлорат для окислення чотиривалентного U 4+ до 6-валентного уранілу (UO 2 2+). Як правило, для окислення U 4+ достатньо приблизно 5 кг двоокису марганцю або 1,5 кг натрію хлорату на тонну. У будь-якому разі окислений уран реагує із сірчаною кислотою з утворенням уранілсульфатного комплексного аніону 4- .

Руда, що містить значну кількість основних мінералів, таких як кальцит або доломіт, вилуговують 0,5-1-молярним розчином карбонату натрію. Хоча були вивчені та протестовані різні реагенти, основним окислювачем урану є кисень. Зазвичай руда вилуговуються на повітрі при атмосферному тискуі при температурі 75-80 °C протягом періоду часу, який залежить від конкретного хімічного складу. Луг реагує з ураном з утворенням легкорозчинного комплексного іона 4-.

Перед подальшою обробкою розчини, що утворюються в результаті кислотного або карбонатного вилуговування, повинні бути освітлені. Великомасштабний поділ глин та інших рудних шламів здійснюється за рахунок використання ефективних пластівні агентів, у тому числі поліакриламідів, гуарової смоли та тваринного клею.

Екстракція

Складні іони 4 і 4 можуть бути сорбовані з їх відповідних вилуговують розчинів іонообмінних смол. Ці спеціальні смоли, що характеризуються кінетикою їх сорбції та елюювання, розміром частинок, стабільністю та гідравлічними властивостями, можуть використовуватися в різних технологіях обробки, наприклад, у нерухомому та рухомому шарі, методом іонообмінної смоли в пульпі кошикового та безперервного типу. Зазвичай для елюювання сорбованого урану використовують розчини хлориду натрію та аміаку або нітратів.

Уран можна виділити з кислих рудних лугів шляхом екстракції розчинником. У промисловості використовуються алкілфосфорні кислоти, а також вторинні та третинні алкіламіни. Як правило, екстракція розчинником краща порівняно з іонообмінними методами кислотних фільтратів, що містять більше 1 г/л урану. Однак цей метод не застосовується при карбонатному вилуговуванні.

Потім уран очищають, розчиняючи в азотній кислоті з утворенням уранілнітрату, екстрагують, кристалізують і прожарюють з утворенням триокису UO 3 . Відновлений діоксид UO2 реагує з фтористим воднем з утворенням тетафториду UF4, з якого металевий уран відновлюється магнієм або кальцієм за температури 1300 °C.

Тетрафторид можна фторувати при температурі 350 °C до утворення гексафториду UF 6 використовуваного для відділення збагаченого урану-235 методом газової дифузії, газового центрифугування або рідкої термодифузії.

Уран є одним з важких металевих елементів таблиці Менделєєва. Уран знаходить широке застосування в енергетичній та військовій промисловості. У таблиці Менделєєва його можна знайти під номером 92 і позначається латинською літерою U масовим числом 238.

Як було відкрито Уран

Взагалі такий хімічний елемент як уран був відомий дуже давно. Відомо, що ще до нашої ери природний окис урану використовувався для виготовлення жовтої глазурі для кераміки. Відкриття цього елемента сталося можна вважати 1789 року, коли німецький хімік, на ім'я Мартін Генріх Клапрот, відновив із руди чорний металоподібний матеріал. Цей матеріал Мартін вирішив назвати Ураном, щоб підтримати назву нової відкритої планети з однойменною назвою (цього ж року було відкрито планету Уран). У 1840 року було виявлено, що це матеріал відкритий Клапротом, виявився оксидом Урана попри характерний металевий блиск. Ежен Мелькіор Пеліго з оксиду синтезував атомарний Уран і визначив його атомну вагу рівну 120 а.е., а в 1874 Менделєєв подвоїв це значення, помістивши його в найдальшу клітину своєї таблиці. Лише через 12 років рішення Менделєєва про подвоєння маси було підтверджено дослідами німецького хіміка Циммермана.

Де і як добувають Уран

Уран є досить поширеним елементом, але він поширений як уранової руди. Щоб ви розуміли, вміст її в земній корі становить 0.000-27% від загальної маси Землі. Урановая руда зазвичай входить до складу кислих мінеральних порід із високим вмістом кремнію. Основними видами уранових руд є настуран, карнотит, казоліт та самарскіт. Найбільші запаси уранових руд з урахуванням резервних родовищ є такі країни як Австралія, Росія та Казахстан, причому з усіх перерахованих Казахстан займає позицію, що лідирує. Видобуток урану є дуже не простою та дорогою процедурою. Не всі країни можуть дозволити собі добувати і синтезувати чистий уран. Технологія виробництва виглядає наступним чином: руда або мінерали видобуваються в шахтах, порівняно з золотом або дорогоцінним каменем. Добуті породи дроблять і змішують із водою у тому, щоб відокремити уранову пил від інших. Урановий пил дуже важкий і тому він випадає в осад швидше за інших. Наступним кроком є ​​очищення уранового пилу з інших порід шляхом кислотного чи лужного вилуговування. Процедура виглядає приблизно так: уранову суміш нагрівають до 150 ° С і подають чистий кисень під тиском. В результаті утворюється сірчана кислота, яка очищає уран від інших домішок. Ну і на завершальному етапі відбирають чисті частинки урану. Крім уранового пилу, там трапляються й інші корисні мінерали.

Небезпека радіоактивного випромінювання урану

Всі чудово знають таке поняття як радіоактивне випромінювання і те, що воно завдає непоправної шкоди здоров'ю, яке призводить до летального результату. Уран є одним з таких елементів, який за певних умов може випускати радіоактивне випромінювання. У вільній формі залежно від його різновиду він може випускати альфа та бета-промені. Альфа промені не становлять великої небезпеки для людини, якщо опромінення є зовнішнім так як у цього випромінювання мала проникаюча здатність, але при попаданні всередину організму вони завдають непоправної шкоди. Для стримування зовнішніх альфа променів вистачить навіть аркуша паперу. З бета випромінюванням справи серйозніше, але не набагато. Проникаюча здатність бета-випромінювання вище, ніж у альфа-випромінювання, але для стримування бета-випромінювання знадобиться 3-5 мм тканина. Ви скажете, як так? Уран є радіоактивним елементом, який використовується в ядерній зброї! Все вірно, він використовується в ядерній зброї, яка завдає колосальної шкоди всьому живому. Просто при детонуванні ядерної боєголовки, основну шкоду живим організмам завдають гама випромінювання та потік нейтронів. Дані види випромінювань утворюються в результаті термоядерної реакції під час вибуху боєголовки, яка виводить частки урану зі стабільного стану та знищує все живе на землі.

Різновиди урану

Як говорилося вище, уран має кілька різновидів. Різновиди мають на увазі наявність ізотопів, щоб ви розуміли ізотопи мають на увазі собою однакові елементи, але з різними масовими числами.

Отже існують два види:

1. природний;
2. Штучний;

Як ви вже здогадалися природний той, який видобувають із землі, а штучні люди створюють самостійно. До природних відносять ізотопи урану з масовим числом 238, 235 та 234. Причому U-234 є дочірнім від U-238, тобто перший виходить від розпаду другого у природних умовах. Друга група ізотопів, яку створюють штучно, має масові числа від 217 до 242. Кожен із ізотопів має різні властивості і характеризується різною поведінкою за певних умов. Залежно від потреб, вчені ядерники намагаються знайти всілякі розв'язання проблем, адже кожен ізотоп має різну енергетичну цінність.

Періоди напіврозпаду

Як уже говорилося вище, кожен з ізотопів урану має різну енергетичну цінність і різні властивості, одним з яких є напіврозпад. Для того щоб розуміти, що це таке потрібно почати з визначення. Періодом напіврозпаду називається час, за яке число радіоактивних атомів зменшується вдвоє. Період напіврозпаду впливає на багато факторів, наприклад можна навести його енергетичну цінність або повне очищення. Якщо приклад взяти останнє то можна порахувати за який проміжок часу відбудеться повне очищення від радіоактивного зараження землі. Напіврозпади ізотопів урану:

Як можна побачити з таблиці період напіврозпаду ізотопів варіюється від хвилин до сотень мільйонів років. Кожен їх знаходить собі застосування у різних галузях життєдіяльності людей.

Застосування урану дуже широко у багатьох сферах діяльності, але найбільшу цінність є в енергетичній та військовій сфері. Найбільший інтерес має ізотоп U-235. Його перевага в тому, що він здатний самостійно підтримувати ланцюгову ядерну реакцію, яка широко використовується у військовій справі для виготовлення ядерної зброї та як паливо в ядерних реакторах. Крім цього, уран широко застосовується в геології для визначення віку мінералів і гірських порід, а також для визначення протікання геологічних процесів. В автомобілебудуванні та літакобудуванні обідній уран використовується як противага та центрувальний елемент. Також застосування було знайдено в живописі, а конкретніше як фарбу за порцеляною та для виготовлення керамічних глазурів та емалей. Ще одним цікавим моментом можна вважати застосування обіднього урану для захисту від радіоактивного випромінювання, як це дивно не звучить.

У Богемії (Чехословаччина) з давніх-давен вироблявся видобуток поліметалевих руд. Серед руд та мінералів гірники часто виявляли чорний важкий мінерал, так звану смоляну обманку (Pechblende). У XVIII ст. вважали, що це мінерал містить цинк і залізо, проте точних даних про його склад був. Першим дослідженням смоляної обманки зайнявся 1789 р. німецький хімік-аналітик Клапрот. Він почав зі сплаву мінералу з їдким калі в срібному тиглі; цей спосіб Клапрот розробив незадовго до того, щоб переводити в розчин силікати та інші нерозчинні речовини. Проте продукт сплавлення мінералу розчинявся в повному обсязі. Звідси Клапрот дійшов висновку, що в мінералі немає ні молібдену, ні вольфраму, є якась невідома субстанція, яка містить новий метал. Клапрот спробував розчинити мінерал в азотній кислоті та царській горілці. У залишку від розчинення він виявив кремнієву кислоту і трохи сірки, та якщо з розчину через деякий час випали красиві світлі зеленувато-жовті кристали як шестигранних пластинок. Під дією жовтої кров'яної солі з розчину цих кристалів випадав коричнево-червоний осад, легко відмінний від подібних опадів міді та молібдену. Клапроту довелося багато попрацювати, як йому вдалося виділити чистий метал. Він відновлював окис бурою, вугіллям та лляною олією, але у всіх випадках при нагріванні суміші утворювався чорний порошок. Тільки в результаті вторинної обробки цього порошку (нагрівання в суміші з бурою і вугіллям) вийшла маса, що спеклася, з вкрапленими в неї маленькими зернами металу. Клапрот назвав новий метал ураном (Uranium) для ознаменування того, що дослідження цього металу майже співпало за часом з відкриттям планети Уран (1781). З приводу цієї назви Клапрот пише: "раніше визнавалося існування лише семи планет, що відповідали семи металам, які й позначалися знаками планет. У зв'язку з цим доцільно, слідуючи традиції, назвати новий метал іменем знову відкритої планети. Слово уран походить від грецьк.- небо і, таким чином, може означати "небесний метал". Смоляну обманку Клапрот перейменував на "уранову смолку". Дослідження урану хоч і велися, але мало що додавали до того, що встановив Клапрот. Після 1896, коли Беккерель відкрив явище радіоактивності, уран викликав глибокий інтерес і хіміків і фізиків. Беккерель виявив, що подвійна сіль калійуранілсульфат діє на фотографічну пластинку, загорнуту в чорний папір, тобто випромінює якісь промені. Подружжя Кюрі, а потім і інші вчені продовжили дослідження Беккереля, внаслідок чого було відкрито радіоактивні елементи (радій, полоній та актиній) та безліч радіоактивних ізотопів важких елементів. У 1900 р. Крукс відкрив перший ізотоп урану - уран-Х, потім відкрили інші ізотопи, названі уран-I і уран-II. У 1913 р. Фаянс і Герінг показали, що в результаті beta-випромінювання, уран-Х 1 перетворюється на новий елемент (ізотоп), названий ними бревом; Пізніше його стали називати ураном-Х 2 . До нашого часу відкрито всіх членів ураново-радієвого ряду радіоактивного розпаду.