Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


Уран (хим. элемент)

Уран (лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов, атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U – 99,2739% с периодом полураспада T1/2 = 4,51·109 лет, 235U – 0,7024% (T1/2 = 7,13·108 лет) и 234U – 0,0057% (T1/2 = 2,48·105 лет). Из 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240 долгоживущий – 233U (T1/2 = 1,62·105лет); он получается при нейтронном облучении тория. 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

  Историческая справка. Уран открыт в 1789 нем. химиком М. Г. Клапротом и назван им в честь планеты Уран, открытой В. Гершелем в 1781. В металлическом состоянии уран получен в 1841 франц. химиком Э. Пелиго при восстановлении UCl4 металлическим калием. Первоначально урану приписывали атомную массу 120, и только в 1871 Д. И. Менделеев пришёл к выводу, что эту величину надо удвоить.

  Длительное время уран представлял интерес только для узкого круга химиков и находил ограниченное применение для производства красок и стекла. С открытием явления радиоактивности урана в 1896 и радия в 1898 началась промышленная переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях и медицине. С 1942, после открытия в 1939 явления деления ядер (см. Ядра атомного деление), уран стал основным ядерным топливом.

  Распространение в природе. Уран – характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание урана в земной коре (кларк) 2,5·10-4% по массе, в кислых изверженных породах 3,5·10-4%, в глинах и сланцах 3,2·10-4%, в основных породах 5·10-5%, в ультраосновных породах мантии 3·10-7%. Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Важную роль в геохимии урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например, сероводородных).

  Известно около 100 минералов урана; промышленное значение имеют 12 из них (см. Урановые руды). В ходе геологической истории содержание урана в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов РЬ, Не. Радиоактивный распад урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.

  Физические свойства. Уран по цвету похож на сталь, легко поддаётся обработке. Имеет три аллотропические модификации – a, b и g с температурами фазовых превращений: a®b 668,8±0,4°C, b® g 772,2 ± 0,4 °С; a-форма имеет ромбическую решётку a = 2.8538, b = 5,8662, с = 4,9557), b-форма – тетрагональую решётку (при 720 °С а = 10,759, b = 5,656), g-форма – объёмноцентрированную кубическую решётку (при 850°C а = 3,538). Плотность урана в a-форме (25°C) 19,05 ± 0,2 г/см3, tпл 1132 ± 1°С; tkип 3818 °С; теплопроводность (100–200°C), 28,05 вт/(м·К) [0,067 кал/(см·сек·°С)], (200–400 °C) 29,72 вт/(м·К) [0,071 кал/(см·сек·°С)]; удельная теплоёмкость (25°C) 27,67 кдж/(кг·К) [6,612 кал/(г·°С)]; удельное электросопротивление при комнатной температуре около 3·10-7 ом·см, при 600°C 5,5·10-7 ом·см; обладает сверхпроводимостью при 0,68 ± 0,02К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10-6.

  Механические свойства урана зависят от его чистоты, от режимов механической и термической обработки. Среднее значение модуля упругости для литого урана 20,5·10-2 Мн/м2 [20,9·10-3 кгс/мм2] предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372–470 Мн/м2 [38–48 кгс/мм2], прочность повышается после закалки из b- и g-фаз; средняя твёрдость по Бринеллю 19,6–21,6·102 Мн/м2 [200–220 кгс/мм2].

  Облучение потоком нейтронов (которое имеет место в ядерном реакторе) изменяет физико-механические свойства урана: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать уран в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов.

  Уранрадиоактивный элемент. Ядра 235U и 233U делятся спонтанно, а также при захвате как медленных (тепловых), так и быстрых нейтронов с эффективным сечением деления 508·10-24 см2 (508 барн) и 533·10-24 см2 (533 барн) соответственно. Ядра 238U делятся при захвате только быстрых нейтронов с энергией не менее 1 Мэв; при захвате медленных нейтронов 238U превращается в 239Pu, ядерные свойства которого близки к 235U. Критич. масса урана (93,5% 235U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара – около 50 кг, для шара с отражателем – 15 – 23 кг; критическая масса 233U – примерно 1/3 критической массы 235U.

  Химические свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома урана 7s26d15f3. Уран относится к реакционноспособным металлам, в соединениях проявляет степени окисления + 3, + 4, + 5, + 6, иногда + 2; наиболее устойчивы соединения U (IV) и U (VI). На воздухе медленно окисляется с образованием на поверхности плёнки двуокиси, которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии уран пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует двуокись UO2, трёхокись UO3 и большое число промежуточных окислов, важнейший из которых U3O8. Эти промежуточные окислы по свойствам близки к UO2 и UO3. При высоких температурах UO2 имеет широкую область гомогенности от UO1,60 до UO2,27. С фтором при 500–600°C образует тетрафторидирд (зелёные игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF6 (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4°C); с серой – ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее). При взаимодействии урана с водородом при 220 °С получается гидрид UH3; с азотом при температуре от 450 до 700 °С и атмосферном давлениинитрид U4N7, при более высоком давлении азота и той же температуре можно получить UN, U2N3 и UN2; с углеродом при 750–800°C – монокарбид UC, дикарбид UC2, а также U2C3; с металлами образует сплавы различных типов (см. Урановые сплавы). Уран медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO2 и H2, с водяным паром – в интервале температур 150–250 °С; растворяется в соляной и азотной кислотах, слабо – в концентрированной плавиковой кислоте. Для U (VI) характерно образование иона уранила UO22 +; соли уранила окрашены в жёлтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зелёный цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганическими, так и с органическими веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и др. комплексы. Известно большое число уранатов (солей не выделенной в чистом виде урановой кислоты), состав которых меняется в зависимости от условий получения; все уранаты имеют низкую растворимость в воде.

  Уран и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.

  Получение. Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05–0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом урана в кислый раствор в виде UO2SO4 или комплексных анионов [UO2(SO4)3]4-, а в содовый раствор – в виде [UO2(CO3)3]4-. Для извлечения и концентрирования урана из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органическими растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щёлочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидроокись U (OH)4. Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO3 или U3O8; эти окислы при 650–800°C восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO2 с последующим переводом его в UF4 обработкой газообразным фтористым водородом при 500–600°C. UF4 может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF4·nH2O плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450°C в токе водорода. В промышленности основным способом получения урана из UF4 является его кальциетермическое или магниетермическое восстановление с выходом урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.

  Очень важным процессом в технологии урана является обогащение его изотопом 235U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изотопа в чистом виде (см. Изотопов разделение), поскольку именно 235U – основное ядерное горючее; осуществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и др. методами, основанными на различии масс 235U и 238U; в процессах разделения урана используется в виде летучего гексафторида UF6. При получении урана высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критические массы; наиболее удобный способ в этом случае – восстановление окислов урана кальцием; образующийся при этом шлак CaO легко отделяется от урана растворением в кислотах.

  Для получения порошкообразного урана, двуокиси, карбидов, нитридов и др. тугоплавких соединений применяются методы порошковой металлургии.

  Применение. Металлический уран или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Природная или малообогащённая смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций, продукт высокой степени обогащения – в ядерных силовых установках или в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. 235U является источником ядерной энергии в ядерном оружии. 238U служит источником вторичного ядерного горючегоплутония.

  В. М. Кулифеев.

  Уран в организме. В микроколичествах (10-5–10-5%) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В золе растений (при содержании урана в почве около·10-4) его концентрация составляет 1,5·10-5%. В наибольшей степени уран накапливается некоторыми грибами и водорослями (последние активно участвуют в биогенной миграции урана по цепи вода – водные растения – рыба – человек). В организм животных и человека уран поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте – около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в лёгких всасываются соответственно 50% и 20%. Распределяется уран в организме неравномерно. Основные депо (места отложения и накопления) – селезёнка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, – лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. В крови уран (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание урана в органах и тканях животных и человека не превышает 10-7 г/г. Так, кровь крупного рогатого скота содержит 1·10-8 г/мл, печень 8·10-8 г/г, мышцы 4·10-8 г/г, селезёнка 9·10-8 г/г. Содержание урана в органах человека составляет: в печени 6·10-9 г/г, в лёгких 6·10-9–9·10-9г/г, в селезёнке 4,7·10-9 г/г, в крови 4·10-9 г/мл, в почках 5,3·10-9 (корковый слой) и 1,3·10-9 г/г (мозговой слой), в костях 1·10-9 г/г, в костном мозге 1·10-9 г/г, в волосах 1,3·10-7г/г. Уран, содержащийся в костной ткани, обусловливает её постоянное облучение (период полувыведения урана из скелета около 300 сут). Наименьшие концентрации урана – в головном мозге и сердце (10-10 г/г). Суточное поступление урана с пищей и жидкостями – 1,9·10-6 г, с воздухом – 7·10-9 г. Суточное выведение урана из организма человека составляет: с мочой 0,5·10-7–5·10-7, с калом – 1,4·10-6–1,8·10-6 г, с волосами – 2·10-8г.

  По данным Международной комиссии по радиационной защите, среднее содержание урана в организме человека 9·10-8 г. Эта величина для различных районов может варьировать. Полагают, что уран необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений, однако его физиологические функции не выяснены.

  Г. П. Галибин.

  Токсическое действие урана обусловлено его химическими свойствами и зависит от растворимости: более токсичны уранил и др. растворимые соединения уран Отравления ураном и его соединениями возможны на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и др. промышленных объектах, где он используется в технологическом процессе. При попадании в организм уран действует на все органы и ткани, являясь общеклеточным ядом. Признаки отравления обусловлены преим. поражением почек (появление белка и сахара в моче, последующая олигурия), поражаются также печень и желудочно-кишечный тракт. Различают острые и хронические отравления; последние характеризуются постепенным развитием и меньшей выраженностью симптомов. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения, нервной системы и др. Полагают, что молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов.

  Профилактика отравлений: непрерывность технологических процессов, использование герметичной аппаратуры, предупреждение загрязнения воздушной среды, очистка сточных вод перед спуском их в водоёмы, мед. контроль за состоянием здоровья рабочих, за соблюдением гигиенических нормативов допустимого содержания урана и его соединений в окружающей среде.

  В. Ф. Кириллов.

 

  Лит.: Учение о радиоактивности. История и современность, под ред. Б. М. Кедрова, М., 1973; Петросьянц А. М., От научного поиска к атомной промышленности, М., 1970; Емельянов В. С., Евстюхин А. И., Металлургия ядерного горючего, М., 1964; Сокурский Ю. Н., Стерлин Я. М., Федорченко В. А., Уран и его сплавы, М., 1971; Евсеева Л. С., Перельман А. И., Иванов К. Е., Геохимия урана в зоне гнпергениза, 2 изд., М., 1974; Фармакология и токсикология урановых соединений, [пер. с англ.], т. 2, М., 1951; Гуськова В. Н., Уран. Радиационно-гигиеническая характеристика, М., 1972; Андреева О. С., Гигиена труда при работе с ураном и его соединениями, М., 1960; Новиков Ю. В,, Гигиенические вопросы изучения содержания урана во внешней среде и его влияния на организм, М., 1974.

 


___

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн