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Uran ist ein radioaktives Metall. Uran ist ein chemisches Element in der Energie- und Militärindustrie. In der Natur sein

(nach Pauling) 1.38 U←U 4+ -1,38V
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V 6, 5, 4, 3 Thermodynamische Eigenschaften 19.05/³ 0,115 /( ·) 27,5 /( ·) 1405.5 12.6 / 4018 417 / 12,5 ³/ Kristallzelle orthorhombisch 2.850 c/a-Verhältnis n / A n / A

Geschichte

Schon in der Antike (1. Jahrhundert v. Chr.) wurde natürliches Uran zur Herstellung gelber Glasuren verwendet.

Uran wurde 1789 vom deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth bei der Untersuchung des Minerals („Uranpech“) entdeckt. Es wurde zu Ehren des 1781 entdeckten Urans benannt. Im metallischen Zustand wurde Uran 1841 vom französischen Chemiker Eugene Peligot bei der Reduktion von UCl 4 mit Kaliummetall gewonnen. Uran wurde 1896 von einem Franzosen entdeckt. Zunächst wurde Uran mit 116 bewertet, doch 1871 kam er zu dem Schluss, dass es verdoppelt werden sollte. Nach der Entdeckung von Elementen mit Ordnungszahlen von 90 bis 103 kam der amerikanische Chemiker G. Seaborg zu dem Schluss, dass diese Elemente () im Periodensystem korrekter in derselben Zelle mit der Elementnummer 89 platziert sind. Diese Anordnung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass in Aktiniden die 5f-Elektronenunterebene abgeschlossen ist.

In der Natur sein

Uran ist ein charakteristisches Element für die Granitschicht und die Sedimenthülle der Erdkruste. Der Gehalt in der Erdkruste beträgt 2,5 · 10 -4 Gew.-%. Im Meerwasser beträgt die Urankonzentration weniger als 10 -9 g/l; insgesamt enthält Meerwasser 10 9 bis 10 10 Tonnen Uran. Uran kommt in der Erdkruste nicht in freier Form vor. Es sind etwa 100 Uranmineralien bekannt, die wichtigsten davon sind U 3 O 8, Uraninit (U, Th) O 2, Uranharzerz (enthält Uranoxide unterschiedlicher Zusammensetzung) und Tyuyamunit Ca[(UO 2) 2 (VO 4). ) 2 ] 8H 2 O.

Isotope

Natürliches Uran besteht aus einer Mischung von drei Isotopen: 238 U – 99,2739 %, Halbwertszeit T 1 / 2 = 4,51 × 10 9 Jahre, 235 U – 0,7024 % (T 1 / 2 = 7,13 × 10 8 Jahre) und 234 U - 0,0057 % (T 1 / 2 = 2,48 × 10 5 Jahre).

Es sind 11 künstliche radioaktive Isotope mit Massenzahlen von 227 bis 240 bekannt.

Das langlebigste - 233 U (T 1 / 2 = 1,62/10 5 Jahre) wird durch Bestrahlung von Thorium mit Neutronen erhalten.

Die Uranisotope 238 U und 235 U sind die Vorfahren zweier radioaktiver Serien.

Quittung

Die allererste Stufe der Uranproduktion ist die Konzentration. Das Gestein wird zerkleinert und mit Wasser vermischt. Schwere Aufhängungskomponenten setzen sich schneller ab. Enthält das Gestein primäre Uranminerale, fallen diese schnell aus: Dabei handelt es sich um Schwerminerale. Sekundärmineralien des Elements Nr. 92 sind leichter, in diesem Fall setzt sich die schwere Gangart früher ab. (Allerdings ist es nicht immer wirklich leer; es kann viele nützliche Elemente enthalten, einschließlich Uran).

Der nächste Schritt ist das Auslaugen der Konzentrate, wobei Element Nr. 92 in Lösung überführt wird. Es kommen saure und alkalische Auslaugungen zum Einsatz. Ersteres ist billiger, da zur Urangewinnung Uran verwendet wird. Aber wenn im Ausgangsmaterial, wie etwa Uran, enthalten ist Teer Liegt Uran im vierwertigen Zustand vor, ist diese Methode nicht anwendbar: Vierwertiges Uran ist in Schwefelsäure praktisch unlöslich. Und entweder müssen Sie auf eine alkalische Auslaugung zurückgreifen oder das Uran zunächst in einen sechswertigen Zustand oxidieren.

Säurelaugung wird nicht verwendet, wenn das Urankonzentrat oder enthält. Es muss zu viel Säure aufgewendet werden, um sie aufzulösen, und in diesen Fällen ist es besser, () zu verwenden.

Das Problem der Uranauslaugung aus Sauerstoff wird durch Sauerstoffspülung gelöst. In einen Bach wird ein auf 150 °C erhitztes Gemisch aus Uranerz und Mineralien eingespeist. Gleichzeitig entstehen Schwefelminerale, die Uran ausschwemmen.

Im nächsten Schritt muss Uran selektiv aus der resultierenden Lösung isoliert werden. Moderne Methoden – und – ermöglichen es uns, dieses Problem zu lösen.

Die Lösung enthält nicht nur Uran, sondern auch andere. Einige von ihnen verhalten sich unter bestimmten Bedingungen genauso wie Uran: Sie werden mit denselben Lösungsmitteln extrahiert, auf denselben Ionenaustauscherharzen abgeschieden und fallen unter denselben Bedingungen aus. Um Uran selektiv zu isolieren, ist es daher notwendig, viele Redoxreaktionen durchzuführen, um in jeder Phase den einen oder anderen unerwünschten Begleiter loszuwerden. Auf modernen Ionenaustauscherharzen wird Uran sehr selektiv freigesetzt.

Methoden Ionenaustausch und Extraktion Sie sind auch deshalb gut, weil sie es ermöglichen, Uran aus schlechten Lösungen, in denen in einem Liter nur Zehntelgramm des Elements Nr. 92 enthalten sind, völlig vollständig zu extrahieren.

Nach diesen Vorgängen wird das Uran in einen festen Zustand umgewandelt – in eines der Oxide oder in UF 4 -Tetrafluorid. Dieses Uran muss jedoch noch mit einem großen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen von Verunreinigungen gereinigt werden. Ihr Anteil im Endprodukt sollte Hunderttausendstel und Millionstel Prozent nicht überschreiten. Wir müssen also das bereits gewonnene technisch reine Produkt erneut auflösen – dieses Mal in . Uranylnitrat UO 2 (NO 3) 2 wird bei der Extraktion mit Tributylphosphat und einigen anderen Substanzen weiter auf die erforderlichen Standards gereinigt. Anschließend wird diese Substanz kristallisiert (bzw. Peroxid UO 4 ·2H 2 O ausgefällt) und vorsichtig kalziniert. Als Ergebnis dieses Vorgangs entsteht Urantrioxid UO 3, das zu UO 2 reduziert wird.

Dieser Stoff ist der vorletzte auf dem Weg vom Erz zum Metall. Bei Temperaturen von 430 bis 600 °C reagiert es mit trockenem Fluorwasserstoff und wandelt sich in UF 4 -Tetrafluorid um. Aus dieser Verbindung wird üblicherweise Uranmetall gewonnen. Erhalten mit der Hilfe oder üblich.

Physikalische Eigenschaften

Uran ist ein sehr schweres, silberweiß glänzendes Metall. In reiner Form ist es etwas weicher als Stahl, formbar, flexibel und weist leicht paramagnetische Eigenschaften auf. Uran hat drei allotrope Formen: Alpha (prismatisch, stabil bis 667,7 °C), Beta (tetragonal, stabil von 667,7 bis 774,8 °C), Gamma (mit kubisch-raumzentrierter Struktur, vorhanden von 774,8 °C bis zum Schmelzpunkt). ).

Chemische Eigenschaften

Die chemische Aktivität von Uranmetall ist hoch. An der Luft wird es mit einem Regenbogenfilm bedeckt. Pulverförmiges Uran, es entzündet sich spontan bei einer Temperatur von 150–175 °C. Bei der Verbrennung von Uran und der thermischen Zersetzung vieler seiner Verbindungen an der Luft entsteht Uranoxid U 3 O 8. Wird dieses Oxid in einer Atmosphäre auf über 500 °C erhitzt, entsteht UO 2 . Bei der Fusion von Uranoxiden mit Oxiden anderer Metalle entstehen Uranate: K 2 UO 4 (Kaliumuranat), CaUO 4 (Calciumuranat), Na 2 U 2 O 7 (Natriumdiuranat).

Anwendung

Kernbrennstoff

Die größte Verwendung findet Uran 235 U, bei dem eine Selbsterhaltung möglich ist. Daher wird dieses Isotop sowohl in, als auch in (kritische Masse ca. 48 kg) als Brennstoff verwendet. Die Isolierung des U 235-Isotops aus natürlichem Uran ist ein komplexes technologisches Problem (siehe). Das Isotop U 238 kann unter dem Einfluss des Beschusses mit hochenergetischen Neutronen gespalten werden; diese Eigenschaft wird zur Leistungssteigerung genutzt (es werden Neutronen verwendet, die durch eine thermonukleare Reaktion erzeugt werden). Durch Neutroneneinfang und anschließenden β-Zerfall kann 238 U in 239 umgewandelt werden, das dann als Kernbrennstoff verwendet wird.

Uran-233, künstlich in Reaktoren hergestellt (durch Bestrahlung mit Neutronen und Umwandlung in Uran-233) ist ein Kernbrennstoff für Kernkraftwerke und die Herstellung von Atombomben (kritische Masse etwa 16 kg). Uran-233 ist auch der vielversprechendste Treibstoff für Gasphasen-Atomraketentriebwerke.

Andere Anwendungen

Ein kleiner Zusatz von Uran verleiht dem Glas einen schönen grünlich-gelben Farbton.
Mit Niobkarbid und Zirkoniumkarbid legiertes Uran-235-Karbid wird als Treibstoff für Kernstrahltriebwerke verwendet (Arbeitsflüssigkeit - Wasserstoff + Hexan).
Als leistungsstarke magnetostriktive Materialien werden Legierungen aus Eisen und abgereichertem Uran (Uran-238) verwendet.
Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts Uranylnitrat wurde häufig als virilisierendes Mittel zur Herstellung getönter Fotodrucke verwendet.

Abgereichertes Uran

Nachdem U-235 aus natürlichem Uran extrahiert wurde, wird das verbleibende Material als „abgereichertes Uran“ bezeichnet, da es an dem Isotop 235 abgereichert ist. Schätzungen zufolge lagern in den Vereinigten Staaten etwa 560.000 Tonnen abgereichertes Uranhexafluorid (UF 6). Abgereichertes Uran ist halb so radioaktiv wie natürliches Uran, was hauptsächlich auf die Entfernung von U-234 zurückzuführen ist. Da Uran in erster Linie zur Energieerzeugung verwendet wird, ist abgereichertes Uran ein nutzloses Produkt mit geringem wirtschaftlichen Wert.

Seine Hauptverwendung ist auf die hohe Dichte von Uran und seine relativ geringen Kosten zurückzuführen: seine Verwendung zum Strahlenschutz (seltsamerweise) und als Ballast in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Steuerflächen von Flugzeugen. Für diese Zwecke enthält jedes Flugzeug 1.500 kg abgereichertes Uran. Dieses Material wird auch in Hochgeschwindigkeits-Gyroskoprotoren, großen Schwungrädern, als Ballast in Raumlandern und Rennyachten sowie beim Bohren von Ölquellen verwendet.

Panzerbrechende Projektilkerne

Die bekannteste Verwendung von Uran ist die Verwendung als Kerne für amerikanische Uranerzeugnisse. Durch Legieren mit 2 % oder 0,75 % und Wärmebehandlung (schnelles Abschrecken des auf 850 °C erhitzten Metalls in Wasser oder Öl, weiteres 5-stündiges Halten bei 450 °C) wird Uranmetall härter und fester (Zugfestigkeit beträgt mehr als 1600). MPa, während er für reines Uran 450 MPa beträgt. In Kombination mit seiner hohen Dichte macht dies den gehärteten Uranbarren zu einem äußerst effektiven Panzerungsdurchdringungswerkzeug, das in seiner Wirksamkeit dem teureren Uranbarren ähnelt. Der Prozess der Panzerungszerstörung geht mit dem Zermahlen eines Uranschweins zu Staub und seiner Entzündung an der Luft auf der anderen Seite der Panzerung einher. Während der Operation Desert Storm blieben etwa 300 Tonnen abgereichertes Uran auf dem Schlachtfeld (hauptsächlich die Überreste von Granaten der 30-mm-GAU-8-Kanone eines A-10-Kampfflugzeugs, wobei jede Granate 272 g einer Uranlegierung enthielt).

Solche Granaten wurden von NATO-Truppen bei Kampfhandlungen auf dem Territorium Jugoslawiens eingesetzt. Nach ihrer Bewerbung wurde das Umweltproblem der Strahlenbelastung des Landesgebiets erörtert.

Abgereichertes Uran wird in modernen Panzerpanzerungen wie dem Panzer verwendet.

Physiologische Wirkung

Es kommt in Mikromengen (10 -5 -10 -8 %) im Gewebe von Pflanzen, Tieren und Menschen vor. Es reichert sich am stärksten durch einige Pilze und Algen an. Uranverbindungen werden im Magen-Darm-Trakt (ca. 1 %) und zu 50 % in der Lunge absorbiert. Die wichtigsten Depots im Körper: Milz und Bronchopulmonal. Der Gehalt in Organen und Geweben von Mensch und Tier überschreitet nicht 10 -7 g.

Uran und seine Verbindungen giftig. Besonders gefährlich sind Aerosole von Uran und seinen Verbindungen. Für Aerosole wasserlöslicher Uranverbindungen beträgt der MPC in der Luft 0,015 mg/m 3 , für unlösliche Uranformen 0,075 mg/m 3 . Wenn Uran in den Körper gelangt, wirkt es sich auf alle Organe aus und ist ein allgemeines Zellgift. Der molekulare Wirkungsmechanismus von Uran hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, die Aktivität zu unterdrücken. Zunächst sind sie betroffen (Eiweiß und Zucker erscheinen im Urin). In chronischen Fällen sind Störungen der Blutbildung und des Nervensystems möglich.

Uranabbau in der Welt

Laut dem 2005 veröffentlichten „Roten Buch über Uran“ wurden 41.250 Tonnen Uran gefördert (im Jahr 2003 - 35.492 Tonnen). Nach Angaben der OECD sind weltweit 440 Handelsunternehmen tätig, die jährlich 67.000 Tonnen Uran verbrauchen. Das bedeutet, dass seine Produktion nur 60 % seines Verbrauchs deckt (der Rest wird aus alten Atomsprengköpfen gewonnen).

Produktion nach Ländern in Tonnen nach U-Gehalt für 2005-2006.

Produktion in Russland

Die restlichen 7 % werden durch unterirdische Auslaugung von JSC Dalur () und JSC Khiagda () gewonnen.

Die resultierenden Erze und das Urankonzentrat werden im mechanischen Werk Tschepetsk verarbeitet.

siehe auch

Links

Der Artikel spricht darüber, wann das chemische Element Uran entdeckt wurde und in welchen Industrien dieser Stoff heutzutage verwendet wird.

Uran ist ein chemisches Element der Energie- und Militärindustrie

Zu allen Zeiten haben Menschen versucht, hocheffiziente Energiequellen zu finden und im Idealfall die sogenannten zu schaffen. Leider wurde die Unmöglichkeit ihrer Existenz bereits im 19. Jahrhundert theoretisch bewiesen und gerechtfertigt, aber die Wissenschaftler haben immer noch nie die Hoffnung auf die Erkenntnis verloren der Traum von einem Gerät, das über einen sehr langen Zeitraum große Mengen „sauberer“ Energie liefern kann.

Dies wurde teilweise mit der Entdeckung einer Substanz wie Uran realisiert. Das chemische Element mit diesem Namen bildete die Grundlage für die Entwicklung von Kernreaktoren, die in unserer Zeit ganze Städte, U-Boote, Polarschiffe usw. mit Energie versorgen. Ihre Energie kann zwar nicht als „sauber“ bezeichnet werden, aber in den letzten Jahren haben viele Unternehmen kompakte „Atombatterien“ auf Tritiumbasis für den breiten Verkauf entwickelt – sie haben keine beweglichen Teile und sind gesundheitlich unbedenklich.

In diesem Artikel werden wir jedoch die Geschichte der Entdeckung des chemischen Elements Uran und der Spaltungsreaktion seiner Kerne im Detail untersuchen.

Definition

Uran ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 92 im Periodensystem. Seine Atommasse beträgt 238,029. Es wird mit dem Symbol U bezeichnet. Unter normalen Bedingungen ist es ein dichtes, schweres Metall mit silbriger Farbe. Wenn wir über seine Radioaktivität sprechen, dann ist Uran selbst ein Element mit schwacher Radioaktivität. Es enthält auch keine völlig stabilen Isotope. Und das stabilste der existierenden Isotope gilt als Uran-338.

Wir haben herausgefunden, was dieses Element ist, und schauen uns nun die Geschichte seiner Entdeckung an.

Geschichte

Eine Substanz wie natürliches Uranoxid ist den Menschen seit der Antike bekannt, und alte Handwerker verwendeten es zur Herstellung von Glasuren, mit denen verschiedene Keramiken beschichtet wurden, um Gefäße und andere Produkte wasserdicht zu machen, sowie zu deren Dekoration.

Ein wichtiges Datum in der Geschichte der Entdeckung dieses chemischen Elements war 1789. Damals gelang es dem Chemiker und gebürtigen Deutschen Martin Klaproth, das erste metallische Uran zu gewinnen. Und das neue Element erhielt seinen Namen zu Ehren des Planeten, der acht Jahre zuvor entdeckt wurde.

Fast 50 Jahre lang galt das damals gewonnene Uran als reines Metall, doch 1840 konnte der französische Chemiker Eugene-Melchior Peligo nachweisen, dass das von Klaproth gewonnene Material trotz geeigneter äußerer Anzeichen kein Metall war alle außer Uranoxid. Wenig später erhielt derselbe Peligo echtes Uran – ein sehr schweres graues Metall. Damals wurde erstmals das Atomgewicht einer Substanz wie Uran bestimmt. Das chemische Element wurde 1874 von Dmitri Mendelejew in sein berühmtes Periodensystem der Elemente aufgenommen, wobei Mendelejew das Atomgewicht der Substanz verdoppelte. Und nur 12 Jahre später wurde experimentell bewiesen, dass er sich in seinen Berechnungen nicht geirrt hatte.

Radioaktivität

Das wirklich weit verbreitete Interesse an diesem Element in wissenschaftlichen Kreisen begann jedoch im Jahr 1896, als Becquerel die Tatsache entdeckte, dass Uran Strahlen aussendet, die nach dem Forscher benannt wurden – Becquerels Strahlen. Später nannte Marie Curie, eine der berühmtesten Wissenschaftlerinnen auf diesem Gebiet, dieses Phänomen Radioaktivität.

Als nächstes wichtiges Datum in der Erforschung von Uran gilt das Jahr 1899: Damals entdeckte Rutherford, dass die Strahlung von Uran inhomogen ist und in zwei Arten unterteilt wird – Alpha- und Betastrahlen. Ein Jahr später entdeckte Paul Villar (Villard) die dritte und letzte uns heute bekannte Art radioaktiver Strahlung – die sogenannten Gammastrahlen.

Sieben Jahre später, im Jahr 1906, führte Rutherford auf der Grundlage seiner Radioaktivitätstheorie die ersten Experimente durch, deren Ziel es war, das Alter verschiedener Mineralien zu bestimmen. Diese Studien legten unter anderem den Grundstein für die Ausbildung von Theorie und Praxis

Kernspaltung von Uran

Aber die wahrscheinlich wichtigste Entdeckung, dank derer der weit verbreitete Abbau und die Anreicherung von Uran sowohl für friedliche als auch für militärische Zwecke begann, ist der Prozess der Spaltung von Urankernen. Dies geschah im Jahr 1938, die Entdeckung wurde von den deutschen Physikern Otto Hahn und Fritz Strassmann durchgeführt. Später wurde diese Theorie in den Werken mehrerer weiterer deutscher Physiker wissenschaftlich bestätigt.

Der Kern des von ihnen entdeckten Mechanismus war wie folgt: Wenn man den Kern des Uran-235-Isotops mit einem Neutron bestrahlt, beginnt es, indem man ein freies Neutron einfängt, zu spalten. Und wie wir alle inzwischen wissen, geht dieser Prozess mit der Freisetzung enormer Energiemengen einher. Dies geschieht hauptsächlich aufgrund der kinetischen Energie der Strahlung selbst und von Kernfragmenten. Jetzt wissen wir also, wie die Spaltung von Urankernen abläuft.

Die Entdeckung dieses Mechanismus und seiner Ergebnisse ist der Ausgangspunkt für die Nutzung von Uran sowohl für friedliche als auch für militärische Zwecke.

Wenn wir über seine Verwendung für militärische Zwecke sprechen, dann wurde zum ersten Mal die Theorie aufgestellt, dass es möglich ist, Bedingungen für einen solchen Prozess wie die kontinuierliche Spaltungsreaktion eines Urankerns zu schaffen (da für die Detonation einer Atombombe enorme Energie erforderlich ist). bewiesen durch die sowjetischen Physiker Zeldovich und Khariton. Um eine solche Reaktion hervorzurufen, muss Uran jedoch angereichert werden, da es im Normalzustand nicht über die erforderlichen Eigenschaften verfügt.

Wir haben uns mit der Geschichte dieses Elements vertraut gemacht und wollen nun herausfinden, wo es verwendet wird.

Anwendungen und Arten von Uranisotopen

Nach der Entdeckung eines Prozesses wie der Kettenspaltungsreaktion von Uran standen Physiker vor der Frage, wo dieser eingesetzt werden kann.

Derzeit gibt es zwei Hauptbereiche, in denen Uranisotope verwendet werden. Dies sind die friedliche (oder Energie-)Industrie und das Militär. Sowohl der erste als auch der zweite nutzen die Reaktion des Uran-235-Isotops, nur die Ausgangsleistung unterscheidet sich. Einfach ausgedrückt besteht in einem Kernreaktor keine Notwendigkeit, diesen Prozess mit der gleichen Leistung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, die zur Explosion einer Atombombe erforderlich ist.

Daher wurden die wichtigsten Industrien aufgelistet, die die Uranspaltungsreaktion nutzen.

Doch die Gewinnung des Uran-235-Isotops ist eine ungewöhnlich komplexe und kostspielige technische Aufgabe, und nicht jeder Staat kann es sich leisten, Anreicherungsfabriken zu bauen. Um beispielsweise zwanzig Tonnen Uranbrennstoff zu erhalten, in dem der Gehalt des Uran-235-Isotops 3-5 % beträgt, müssen mehr als 153 Tonnen natürliches „rohes“ Uran angereichert werden.

Das Uran-238-Isotop wird hauptsächlich bei der Konstruktion von Atomwaffen verwendet, um deren Leistung zu erhöhen. Wenn es außerdem ein Neutron einfängt und anschließend den Prozess des Betazerfalls einleitet, kann dieses Isotop schließlich in Plutonium-239 umgewandelt werden, einen üblichen Brennstoff für die meisten modernen Kernreaktoren.

Trotz aller Nachteile solcher Reaktoren (hohe Kosten, Wartungsaufwand, Unfallgefahr) amortisiert sich ihr Betrieb sehr schnell und sie produzieren unvergleichlich mehr Energie als klassische Wärme- oder Wasserkraftwerke.

Die Reaktion ermöglichte auch die Entwicklung nuklearer Massenvernichtungswaffen. Es zeichnet sich durch seine enorme Stärke, relative Kompaktheit und die Tatsache aus, dass es in der Lage ist, große Landflächen für die Besiedlung durch Menschen ungeeignet zu machen. Es stimmt, dass moderne Atomwaffen Plutonium und nicht Uran verwenden.

Abgereichertes Uran

Es gibt auch eine Art Uran, das als abgereichertes Uran bezeichnet wird. Es weist eine sehr geringe Radioaktivität auf und ist daher für den Menschen ungefährlich. Im militärischen Bereich wird es erneut eingesetzt, beispielsweise wird es der Panzerung des amerikanischen Abrams-Panzers hinzugefügt, um ihm zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Darüber hinaus findet man in fast allen High-Tech-Armeen verschiedene. Neben ihrer hohen Masse haben sie eine weitere sehr interessante Eigenschaft: Nach der Zerstörung eines Projektils entzünden sich dessen Fragmente und Metallstaub spontan. Übrigens wurde ein solches Projektil erstmals im Zweiten Weltkrieg eingesetzt. Wie wir sehen, ist Uran ein Element, das in den unterschiedlichsten Bereichen der menschlichen Tätigkeit Anwendung findet.

Abschluss

Nach Prognosen von Wissenschaftlern werden etwa im Jahr 2030 alle großen Uranvorkommen vollständig erschöpft sein, danach wird die Erschließung seiner schwer zugänglichen Schichten beginnen und der Preis wird steigen. Für den Menschen ist es übrigens völlig ungefährlich – einige Bergleute arbeiten seit Generationen an seiner Gewinnung. Jetzt verstehen wir die Geschichte der Entdeckung dieses chemischen Elements und wie die Spaltungsreaktion seiner Kerne genutzt wird.

Übrigens ist eine interessante Tatsache bekannt: Uranverbindungen wurden lange Zeit als Farben für Porzellan und Glas (sogenannte bis in die 1950er Jahre) verwendet.

In den letzten Jahren hat das Thema Kernenergie zunehmend an Relevanz gewonnen. Zur Erzeugung von Kernenergie wird üblicherweise ein Material wie Uran verwendet. Es ist ein chemisches Element, das zur Familie der Aktiniden gehört.

Die chemische Aktivität dieses Elements wird durch die Tatsache bestimmt, dass es nicht in freier Form vorliegt. Für seine Herstellung werden Mineralformationen namens Uranerze verwendet. Sie konzentrieren eine solche Menge an Brennstoff, dass die Gewinnung dieses chemischen Elements als wirtschaftlich sinnvoll und rentabel angesehen werden kann. Derzeit übersteigt der Gehalt dieses Metalls in den Eingeweiden unseres Planeten die Goldreserven 1000 Mal(cm. ). Im Allgemeinen werden die Vorkommen dieses chemischen Elements im Boden, in Gewässern und im Gestein auf mehr als geschätzt 5 Millionen Tonnen.

Im freien Zustand ist Uran ein grauweißes Metall, das durch 3 allotrope Modifikationen gekennzeichnet ist: rhombische kristalline, tetragonale und kubisch raumzentrierte Gitter. Der Siedepunkt dieses chemischen Elements beträgt 4200 °C.

Uran ist ein chemisch aktives Material. An der Luft oxidiert dieses Element langsam, löst sich leicht in Säuren, reagiert mit Wasser, interagiert jedoch nicht mit Alkalien.

Uranerze werden in Russland üblicherweise nach verschiedenen Kriterien klassifiziert. Am häufigsten unterscheiden sie sich in Bezug auf die Ausbildung. Ja, das gibt es endogene, exogene und metamorphogene Erze. Im ersten Fall handelt es sich um Mineralformationen, die unter dem Einfluss hoher Temperaturen, Feuchtigkeit und Pegmatitschmelzen entstehen. Unter Oberflächenbedingungen treten exogene Uranmineralformationen auf. Sie können sich direkt auf der Erdoberfläche bilden. Dies geschieht durch die Zirkulation des Grundwassers und die Ansammlung von Sedimenten. Metamorphogene Mineralformationen entstehen durch die Umverteilung des zunächst dispergierten Urans.

Je nach Urangehalt können diese natürlichen Formationen sein:

superreich (über 0,3 %);
reich (von 0,1 bis 0,3 %);
Privatpersonen (von 0,05 bis 0,1 %);
schlecht (von 0,03 bis 0,05 %);
außerbilanzielle (von 0,01 bis 0,03 %).

Moderne Verwendungen von Uran

Heutzutage wird Uran am häufigsten als Treibstoff für Raketentriebwerke und Kernreaktoren verwendet. Aufgrund der Eigenschaften dieses Materials soll es auch die Schlagkraft einer Atomwaffe erhöhen. Auch in der Malerei hat dieses chemische Element seine Anwendung gefunden. Es wird aktiv als gelbes, grünes, braunes und schwarzes Pigment verwendet. Uran wird auch zur Herstellung von Kernen für panzerbrechende Projektile verwendet.

Uranerzabbau in Russland: Was wird dafür benötigt?

Die Gewinnung radioaktiver Erze erfolgt mit drei Haupttechnologien. Wenn Erzvorkommen möglichst nahe an der Erdoberfläche konzentriert sind, ist es üblich, für deren Gewinnung die Tagebautechnik einzusetzen. Dabei kommen Bulldozer und Bagger zum Einsatz, die große Löcher graben und die gewonnenen Mineralien auf Muldenkipper laden. Anschließend wird es an den Verarbeitungskomplex gesendet.

Wenn diese Mineralformation tief liegt, ist es üblich, die Technologie des Untertagebergbaus einzusetzen, bei der ein Bergwerk mit einer Tiefe von bis zu 2 Kilometern angelegt wird. Die dritte Technologie unterscheidet sich deutlich von den vorherigen. Bei der Bodenlaugung zur Erschließung von Uranlagerstätten werden Brunnen gebohrt, durch die Schwefelsäure in die Lagerstätten gepumpt wird. Als nächstes wird ein weiterer Brunnen gebohrt, der notwendig ist, um die resultierende Lösung an die Erdoberfläche zu pumpen. Anschließend durchläuft es einen Sorptionsprozess, der es ermöglicht, die Salze dieses Metalls auf einem speziellen Harz zu sammeln. Die letzte Stufe der SPV-Technologie ist die zyklische Behandlung des Harzes mit Schwefelsäure. Dank dieser Technologie wird die Konzentration dieses Metalls maximal.

Uranerzvorkommen in Russland

Russland gilt als einer der weltweit führenden Hersteller von Uranerzen. In den letzten Jahrzehnten gehörte Russland bei diesem Indikator durchweg zu den sieben führenden Ländern.

Die größten Vorkommen dieser natürlichen Mineralformationen sind:

Die größten Uranbergbauvorkommen der Welt – führende Länder

Australien gilt als weltweit führend im Uranbergbau. Mehr als 30 % aller Weltreserven sind in diesem Staat konzentriert. Die größten australischen Vorkommen sind Olympic Dam, Beverly, Ranger und Honemoon.

Australiens Hauptkonkurrent ist Kasachstan, das über fast 12 % der weltweiten Treibstoffreserven verfügt. Kanada und Südafrika verfügen jeweils über 11 % der weltweiten Uranreserven, Namibia – 8 %, Brasilien – 7 %. Russland schließt die Top 7 mit 5 % ab. Auf der Spitzenliste stehen auch Länder wie Namibia, die Ukraine und China.

Die weltweit größten Uranlagerstätten sind:

Feld	Ein Land	Beginnen Sie mit der Verarbeitung
Olympia-Staudamm	Australien	1988
Rossing	Namibia	1976
McArthur River	Kanada	1999
Inkai	Kasachstan	2007
Herrschaft	Südafrika	2007
Ranger	Australien	1980
Kharasan	Kasachstan	2008

Reserven und Produktionsmengen von Uranerz in Russland

Die erkundeten Uranreserven in unserem Land werden auf mehr als 400.000 Tonnen geschätzt. Gleichzeitig belaufen sich die prognostizierten Ressourcen auf mehr als 830.000 Tonnen. Im Jahr 2017 gibt es in Russland 16 Uranlagerstätten. Darüber hinaus sind 15 von ihnen in Transbaikalien konzentriert. Als Hauptlagerstätte für Uranerz gilt das Erzfeld Streltsovskoe. In den meisten heimischen Lagerstätten erfolgt die Förderung im Schachtverfahren.

Uran wurde bereits im 18. Jahrhundert entdeckt. Im Jahr 1789 gelang es dem deutschen Wissenschaftler Martin Klaproth, aus Erz metallähnliches Uran herzustellen. Interessanterweise ist dieser Wissenschaftler auch der Entdecker von Titan und Zirkonium.
Uranverbindungen werden im Bereich der Fotografie aktiv eingesetzt. Dieses Element wird zum Färben von Positiven und zum Verstärken von Negativen verwendet.
Der Hauptunterschied zwischen Uran und anderen chemischen Elementen ist seine natürliche Radioaktivität. Uranatome neigen dazu, sich im Laufe der Zeit unabhängig voneinander zu verändern. Gleichzeitig senden sie Strahlen aus, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Diese Strahlen werden in drei Typen unterteilt: Gamma-, Beta- und Alphastrahlung (siehe).

Uran ist ein chemisches Element aus der Familie der Aktiniden mit der Ordnungszahl 92. Es ist der wichtigste Kernbrennstoff. Seine Konzentration in der Erdkruste beträgt etwa 2 Teile pro Million. Wichtige Uranmineralien sind Uranoxid (U 3 O 8), Uraninit (UO 2), Carnotit (Kaliumuranylvanadat), Otenit (Kaliumuranylphosphat) und Torbernit (wasserhaltiges Kupferuranylphosphat). Diese und andere Uranerze sind Kernbrennstoffquellen und enthalten ein Vielfaches an Energie als alle bekannten förderbaren Vorkommen fossiler Brennstoffe. 1 kg Uran 92 U liefert die gleiche Energie wie 3 Millionen kg Kohle.

Geschichte der Entdeckung

Das chemische Element Uran ist ein dichtes, hartes Metall mit einer silberweißen Farbe. Es ist duktil, formbar und polierbar. In der Luft oxidiert Metall und entzündet sich beim Zerkleinern. Leitet Strom relativ schlecht. Die elektronische Formel von Uran lautet 7s2 6d1 5f3.

Obwohl das Element 1789 vom deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth entdeckt und nach dem kürzlich entdeckten Planeten Uranus benannt wurde, wurde das Metall selbst 1841 vom französischen Chemiker Eugene-Melchior Peligot durch Reduktion aus Urantetrachlorid (UCl 4) isoliert Kalium.

Radioaktivität

Die Schaffung des Periodensystems durch den russischen Chemiker Dmitri Mendelejew im Jahr 1869 lenkte die Aufmerksamkeit auf Uran als schwerstes bekanntes Element, das es bis zur Entdeckung von Neptunium im Jahr 1940 blieb. Im Jahr 1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel darin das Phänomen der Radioaktivität. Diese Eigenschaft wurde später in vielen anderen Substanzen gefunden. Mittlerweile ist bekannt, dass Uran, das in all seinen Isotopen radioaktiv ist, aus einer Mischung von 238 U (99,27 %, Halbwertszeit – 4.510.000.000 Jahre), 235 U (0,72 %, Halbwertszeit – 713.000.000 Jahre) und 234 U (0,006) besteht %, Halbwertszeit - 247.000 Jahre). Dadurch lässt sich beispielsweise das Alter von Gesteinen und Mineralien bestimmen, um geologische Prozesse und das Alter der Erde zu untersuchen. Dazu messen sie die Menge an Blei, das Endprodukt des radioaktiven Zerfalls von Uran. In diesem Fall ist 238 U das Ausgangselement und 234 U eines der Produkte. 235 U führt zur Zerfallsreihe von Actinium.

Entdeckung einer Kettenreaktion

Das chemische Element Uran erregte großes Interesse und intensive Forschung, nachdem die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann Ende 1938 durch den Beschuss mit langsamen Neutronen die Kernspaltung darin entdeckten. Anfang 1939 vermutete der italienisch-amerikanische Physiker Enrico Fermi, dass sich unter den Produkten der Atomspaltung Elementarteilchen befinden könnten, die eine Kettenreaktion auslösen könnten. 1939 bestätigten die amerikanischen Physiker Leo Szilard und Herbert Anderson sowie der französische Chemiker Frederic Joliot-Curie und ihre Kollegen diese Vorhersage. Nachfolgende Studien zeigten, dass bei der Spaltung eines Atoms durchschnittlich 2,5 Neutronen freigesetzt werden. Diese Entdeckungen führten zur ersten selbsttragenden nuklearen Kettenreaktion (02.12.1942), zur ersten Atombombe (16.07.1945), zu ihrem ersten Einsatz in der Kriegsführung (06.08.1945), zum ersten Atom-U-Boot ( 1955) und das erste vollwertige Kernkraftwerk (1957).

Oxidationsstufen

Das chemische Element Uran ist ein stark elektropositives Metall und reagiert mit Wasser. Es löst sich in Säuren, nicht jedoch in Laugen. Wichtige Oxidationsstufen sind +4 (wie in UO 2 -Oxid, Tetrahalogeniden wie UCl 4 und dem grünen Wasserion U 4+ ) und +6 (wie in UO 3 -Oxid, UF 6 -Hexafluorid und dem Uranylion UO 2 2+ ). ). In einer wässrigen Lösung ist Uran in der Zusammensetzung des Uranylions am stabilsten, das eine lineare Struktur [O = U = O] 2+ aufweist. Das Element hat auch die Zustände +3 und +5, diese sind jedoch instabil. Rotes U 3+ oxidiert langsam in Wasser, das keinen Sauerstoff enthält. Die Farbe des UO 2+ -Ions ist unbekannt, da es selbst in sehr verdünnten Lösungen einer Disproportionierung unterliegt (UO 2+ wird sowohl zu U 4+ reduziert als auch zu UO 2 2+ oxidiert).

Kernbrennstoff

Wenn es langsamen Neutronen ausgesetzt wird, kommt es zur Spaltung des Uranatoms in das relativ seltene Isotop 235 U. Dies ist das einzige natürlich vorkommende spaltbare Material und muss vom Isotop 238 U getrennt werden. Nach Absorption und negativem Beta-Zerfall entsteht jedoch Uran -238 wird zum synthetischen Element Plutonium, das unter dem Einfluss langsamer Neutronen gespalten wird. Daher kann natürliches Uran in Konverter- und Brutreaktoren verwendet werden, in denen die Spaltung durch seltenes 235 U unterstützt wird und gleichzeitig Plutonium mit der Transmutation von 238 U erzeugt wird. Das spaltbare 233 U kann aus dem weit verbreiteten, natürlich vorkommenden Isotop Thorium-232 zur Verwendung als Kernbrennstoff synthetisiert werden. Uran ist auch als Ausgangsstoff für die Gewinnung synthetischer Transurane wichtig.

Andere Verwendungen von Uran

Verbindungen des chemischen Elements wurden früher als Farbstoffe für Keramik verwendet. Hexafluorid (UF 6) ist ein Feststoff mit einem ungewöhnlich hohen Dampfdruck (0,15 atm = 15.300 Pa) bei 25 °C. UF 6 ist chemisch sehr reaktiv, aber trotz seiner korrosiven Natur im Dampfzustand wird UF 6 häufig in Gasdiffusions- und Gaszentrifugenverfahren zur Herstellung von angereichertem Uran verwendet.

Organometallische Verbindungen sind eine interessante und wichtige Gruppe von Verbindungen, bei denen Metall-Kohlenstoff-Bindungen das Metall mit organischen Gruppen verbinden. Uranocen ist eine Organouranverbindung U(C 8 H 8) 2, in der das Uranatom zwischen zwei Schichten organischer Ringe eingebettet ist, die mit Cyclooctatetraen C 8 H 8 verbunden sind. Seine Entdeckung im Jahr 1968 eröffnete ein neues Gebiet der metallorganischen Chemie.

Abgereichertes Natururan wird als Strahlenschutz, Ballast, in panzerbrechenden Granaten und Panzerpanzerungen verwendet.

Recycling

Das chemische Element ist zwar sehr dicht (19,1 g/cm3), aber eine relativ schwache, nicht brennbare Substanz. Tatsächlich scheint Uran aufgrund seiner metallischen Eigenschaften irgendwo zwischen Silber und den anderen echten Metallen und Nichtmetallen einzuordnen, sodass es nicht als Strukturmaterial verwendet wird. Der Hauptwert von Uran liegt in den radioaktiven Eigenschaften seiner Isotope und ihrer Fähigkeit zur Spaltung. In der Natur besteht fast das gesamte Metall (99,27 %) aus 238 U. Der Rest besteht aus 235 U (0,72 %) und 234 U (0,006 %). Von diesen natürlichen Isotopen werden nur 235 U direkt durch Neutronenbestrahlung gespalten. Bei der Absorption bildet sich jedoch 238 U zu 239 U, das schließlich in 239 Pu zerfällt, ein spaltbares Material von großer Bedeutung für die Kernenergie und Atomwaffen. Ein weiteres spaltbares Isotop, 233 U, kann durch Neutronenbestrahlung von 232 Th gebildet werden.

Kristallformen

Die Eigenschaften von Uran führen dazu, dass es auch unter normalen Bedingungen mit Sauerstoff und Stickstoff reagiert. Bei höheren Temperaturen reagiert es mit einer Vielzahl von Legierungsmetallen unter Bildung intermetallischer Verbindungen. Die Bildung fester Lösungen mit anderen Metallen ist aufgrund der besonderen Kristallstrukturen, die von den Atomen des Elements gebildet werden, selten. Zwischen Raumtemperatur und dem Schmelzpunkt von 1132 °C liegt Uranmetall in drei kristallinen Formen vor, die als Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ) bekannt sind. Die Umwandlung vom α- in den β-Zustand erfolgt bei 668 °C und vom β- in den γ-Zustand bei 775 °C. γ-Uran hat eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur, während β eine tetragonale Kristallstruktur hat. Die α-Phase besteht aus Atomschichten in einer hochsymmetrischen orthorhombischen Struktur. Diese anisotrope verzerrte Struktur verhindert, dass legierende Metallatome Uranatome ersetzen oder den Raum zwischen ihnen im Kristallgitter besetzen. Es wurde festgestellt, dass nur Molybdän und Niob feste Lösungen bilden.

Erz

Die Erdkruste enthält etwa 2 Teile pro Million Uran, was auf sein weit verbreitetes Vorkommen in der Natur hinweist. Schätzungen zufolge enthalten die Ozeane 4,5 × 10 9 Tonnen dieses chemischen Elements. Uran ist ein wichtiger Bestandteil von mehr als 150 verschiedenen Mineralien und ein untergeordneter Bestandteil von weiteren 50. Zu den primären Mineralien, die in magmatischen hydrothermalen Adern und Pegmatiten vorkommen, gehören Uraninit und seine Variante Pechblende. In diesen Erzen kommt das Element in Form von Dioxid vor, das aufgrund der Oxidation zwischen UO 2 und UO 2,67 liegen kann. Weitere wirtschaftlich bedeutende Produkte aus Uranbergwerken sind Autunit (hydratisiertes Calciumuranylphosphat), Tobernit (hydratisiertes Kupferuranylphosphat), Coffinit (schwarzes hydratisiertes Uransilikat) und Carnotit (hydratisiertes Kaliumuranylvanadat).

Schätzungen zufolge befinden sich mehr als 90 % der bekannten kostengünstigen Uranreserven in Australien, Kasachstan, Kanada, Russland, Südafrika, Niger, Namibia, Brasilien, China, der Mongolei und Usbekistan. Große Vorkommen finden sich in den Konglomeratgesteinsformationen des Elliot Lake nördlich des Huronsees in Ontario, Kanada, und in der südafrikanischen Goldmine Witwatersrand. Sandformationen im Colorado-Plateau und im Wyoming-Becken im Westen der USA enthalten ebenfalls bedeutende Uranreserven.

Produktion

Uranerze kommen sowohl in oberflächennahen als auch in tiefen (300–1200 m) Lagerstätten vor. Unterirdisch erreicht die Mächtigkeit des Flözes 30 m. Wie bei Erzen anderer Metalle wird Uran an der Oberfläche mit großen Erdbewegungsgeräten abgebaut, und die Erschließung tiefer Lagerstätten erfolgt mit traditionellen vertikalen und geneigten Methoden Minen. Die weltweite Produktion von Urankonzentrat belief sich 2013 auf 70.000 Tonnen. Die produktivsten Uranminen befinden sich in Kasachstan (32 % der gesamten Produktion), Kanada, Australien, Niger, Namibia, Usbekistan und Russland.

Uranerze enthalten typischerweise nur geringe Mengen uranhaltiger Mineralien und können nicht mit direkten pyrometallurgischen Methoden geschmolzen werden. Stattdessen müssen hydrometallurgische Verfahren zur Gewinnung und Reinigung des Urans eingesetzt werden. Durch die Erhöhung der Konzentration wird die Belastung der Verarbeitungskreisläufe erheblich reduziert, aber keine der herkömmlichen Aufbereitungsmethoden, die üblicherweise für die Mineralverarbeitung verwendet werden, wie Schwerkraft, Flotation, elektrostatische und sogar manuelle Sortierung, sind anwendbar. Mit wenigen Ausnahmen führen diese Methoden zu erheblichen Uranverlusten.

Verbrennung

Der hydrometallurgischen Verarbeitung von Uranerzen geht häufig eine Hochtemperatur-Kalzinierungsstufe voraus. Durch das Brennen wird der Ton entwässert, kohlenstoffhaltige Materialien entfernt, Schwefelverbindungen zu harmlosen Sulfaten oxidiert und alle anderen Reduktionsmittel oxidiert, die die nachfolgende Verarbeitung beeinträchtigen könnten.

Auslaugen

Uran wird aus gerösteten Erzen sowohl durch saure als auch alkalische wässrige Lösungen gewonnen. Damit alle Laugungssysteme erfolgreich funktionieren, muss das chemische Element entweder zunächst in der stabileren sechswertigen Form vorliegen oder während der Verarbeitung in diesen Zustand oxidiert werden.

Die Säurelaugung erfolgt üblicherweise durch 4–48-stündiges Rühren einer Mischung aus Erz und Auslaugmittel bei Umgebungstemperatur. Außer in besonderen Fällen wird Schwefelsäure verwendet. Es wird in ausreichenden Mengen zugeführt, um die Endlauge mit einem pH-Wert von 1,5 zu erhalten. Bei Schwefelsäurelaugungssystemen wird typischerweise entweder Mangandioxid oder Chlorat verwendet, um vierwertiges U4+ zu sechswertigem Uranyl (UO22+) zu oxidieren. Typischerweise reichen für die U 4+ -Oxidation etwa 5 kg Mangandioxid oder 1,5 kg Natriumchlorat pro Tonne aus. In beiden Fällen reagiert oxidiertes Uran mit Schwefelsäure unter Bildung des Uranylsulfat-Komplexanions 4-.

Erz, das erhebliche Mengen an essentiellen Mineralien wie Calcit oder Dolomit enthält, wird mit einer 0,5-1 molaren Natriumcarbonatlösung ausgelaugt. Obwohl verschiedene Reagenzien untersucht und getestet wurden, ist Sauerstoff das Hauptoxidationsmittel für Uran. Typischerweise wird das Erz in Luft bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur von 75–80 °C für einen Zeitraum ausgelaugt, der von der spezifischen chemischen Zusammensetzung abhängt. Alkali reagiert mit Uran unter Bildung des leicht löslichen Komplexions 4-.

Lösungen, die durch Säure- oder Carbonatauslaugung entstehen, müssen vor der Weiterverarbeitung geklärt werden. Eine großflächige Trennung von Ton und anderen Erzschlämmen wird durch den Einsatz wirksamer Flockungsmittel erreicht, darunter Polyacrylamide, Guarkernmehl und tierischer Leim.

Extraktion

Die 4- und 4-Komplexionen können aus ihren jeweiligen Ionenaustauschharz-Auslaugungslösungen sorbiert werden. Diese Spezialharze zeichnen sich durch ihre Sorptions- und Elutionskinetik, Partikelgröße, Stabilität und hydraulischen Eigenschaften aus und können in einer Vielzahl von Verarbeitungstechnologien eingesetzt werden, wie z. B. Festbett-, Bewegtbett-, Korbharz- und kontinuierliche Harze. Typischerweise werden Lösungen aus Natriumchlorid und Ammoniak oder Nitraten verwendet, um sorbiertes Uran zu eluieren.

Uran kann durch Lösungsmittelextraktion aus sauren Erzlösungen isoliert werden. In der Industrie werden Alkylphosphorsäuren sowie sekundäre und tertiäre Alkylamine eingesetzt. Im Allgemeinen wird die Lösungsmittelextraktion bei Säurefiltraten mit mehr als 1 g/L Uran den Ionenaustauschmethoden vorgezogen. Diese Methode ist jedoch nicht auf die Karbonatauslaugung anwendbar.

Anschließend wird das Uran durch Auflösen in Salpetersäure zu Uranylnitrat gereinigt, extrahiert, kristallisiert und zu UO 3 -Trioxid kalziniert. Reduziertes Dioxid UO2 reagiert mit Fluorwasserstoff zu Thetafluorid UF4, aus dem bei einer Temperatur von 1300 °C Uranmetall durch Magnesium oder Calcium reduziert wird.

Tetrafluorid kann bei 350 °C fluoriert werden, um UF 6 -Hexafluorid zu bilden, das zur Abtrennung von angereichertem Uran-235 durch Gasdiffusion, Gaszentrifugation oder flüssige Thermodiffusion verwendet wird.

Elektronische Konfiguration 5f 3 6d 1 7s 2 Chemische Eigenschaften Kovalenter Radius 142 Uhr Ionenradius (+6e) 80 (+4e) 21 Uhr Elektronegativität
(nach Pauling) 1,38 Elektrodenpotential U←U 4+ -1,38V
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V Oxidationsstufen 6, 5, 4, 3 Thermodynamische Eigenschaften einer einfachen Substanz Dichte 19,05 /cm³ Molare Wärmekapazität 27,67 J/(mol) Wärmeleitfähigkeit 27,5 W/(·) Schmelztemperatur 1405,5 Schmelzhitze 12,6 kJ/mol Siedetemperatur 4018 Verdampfungswärme 417 kJ/mol Molares Volumen 12,5 cm³/mol Kristallgitter einer einfachen Substanz Gitterstruktur orthorhombisch Gitterparameter 2,850 c/a-Verhältnis n / A Debye-Temperatur n / A

U	92
238,0289
5f 3 6d 1 7s 2
Uranus

Uranus(alte Bezeichnung Uran) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 92 im Periodensystem und der Atommasse 238,029; gekennzeichnet durch das Symbol U ( Uran), gehört zur Familie der Aktiniden.

Geschichte

Schon in der Antike (1. Jahrhundert v. Chr.) wurde natürliches Uranoxid zur Herstellung gelber Glasur für Keramik verwendet. Die Uranforschung entwickelte sich wie eine von ihr ausgelöste Kettenreaktion. Informationen über seine Eigenschaften kamen zunächst, wie die ersten Impulse einer Kettenreaktion, mit langen Unterbrechungen von Fall zu Fall. Das erste wichtige Datum in der Geschichte des Urans ist das Jahr 1789, als der deutsche Naturphilosoph und Chemiker Martin Heinrich Klaproth die aus sächsischem Harzerz gewonnene goldgelbe „Erde“ in eine schwarze, metallähnliche Substanz umwandelte. Zu Ehren des damals am weitesten entfernten Planeten (acht Jahre zuvor von Herschel entdeckt) nannte Klaproth die neue Substanz Uran, da sie sie als Element betrachtete.

Fünfzig Jahre lang galt Klaproths Uran als Metall. Erst 1841 bewies Eugene Melchior Peligot, ein französischer Chemiker (1811-1890), dass Klaproths Uran trotz des charakteristischen metallischen Glanzes kein Element, sondern ein Oxid ist UO 2. Im Jahr 1840 gelang es Peligo, echtes Uran, ein stahlgraues Schwermetall, zu gewinnen und dessen Atomgewicht zu bestimmen. Der nächste wichtige Schritt in der Erforschung von Uran wurde 1874 von D. I. Mendeleev gemacht. Basierend auf dem von ihm entwickelten Periodensystem platzierte er Uran in der hintersten Zelle seiner Tabelle. Früher galt das Atomgewicht von Uran als 120. Der große Chemiker verdoppelte diesen Wert. 12 Jahre später wurde Mendelejews Vorhersage durch die Experimente des deutschen Chemikers Zimmermann bestätigt.

Die Erforschung von Uran begann im Jahr 1896: Der französische Chemiker Antoine Henri Becquerel entdeckte zufällig die Becquerel-Strahlen, die Marie Curie später in Radioaktivität umbenannte. Gleichzeitig gelang es dem französischen Chemiker Henri Moissan, eine Methode zur Herstellung von reinem Uranmetall zu entwickeln. Im Jahr 1899 entdeckte Rutherford, dass die Strahlung von Uranpräparaten inhomogen ist, dass es zwei Arten von Strahlung gibt – Alpha- und Betastrahlen. Sie tragen unterschiedliche elektrische Ladungen; Ihr Materiebereich und ihre Ionisierungsfähigkeit sind bei weitem nicht gleich. Wenig später, im Mai 1900, entdeckte Paul Villar eine dritte Strahlungsart – Gammastrahlen.

Ernest Rutherford führte 1907 die ersten Experimente zur Bestimmung des Alters von Mineralien durch, als er radioaktives Uran und Thorium untersuchte, basierend auf der Radioaktivitätstheorie, die er zusammen mit Frederick Soddy (Soddy, Frederick, 1877-1956; Nobelpreis für Chemie, 1921) erstellte. Im Jahr 1913 führte F. Soddy das Konzept ein Isotope(aus dem Griechischen ισος – „gleich“, „gleich“ und τόπος – „Ort“), und 1920 sagte er voraus, dass Isotope zur Bestimmung des geologischen Alters von Gesteinen verwendet werden könnten. 1928 führte Niggot die ersten Gleichungen zur Altersberechnung ein und 1939 erstellte A.O.K. Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 – 1994) die ersten Gleichungen zur Berechnung des Alters und verwendete ein Massenspektrometer zur Isotopentrennung.

Im Jahr 1939 entdeckten Frederic Joliot-Curie und die deutschen Physiker Otto Frisch und Lise Meitner ein unbekanntes Phänomen, das bei der Bestrahlung eines Urankerns mit Neutronen auftritt. Es kam zu einer explosionsartigen Zerstörung dieses Kerns unter Bildung neuer Elemente, die viel leichter als Uran waren. Diese Zerstörung war explosiver Natur, Essensfragmente wurden mit enormer Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen verstreut. So wurde ein Phänomen namens Kernreaktion entdeckt.

1939-1940 Yu. B. Khariton und Ya. B. Zeldovich waren die ersten, die theoretisch zeigten, dass es mit einer geringen Anreicherung von natürlichem Uran mit Uran-235 möglich ist, Bedingungen für die kontinuierliche Spaltung von Atomkernen zu schaffen, also die zu geben Verarbeiten Sie ein Kettenzeichen.

In der Natur sein

Uraninit-Erz

Uran ist in der Natur weit verbreitet. Der Clarke-Wert von Uran beträgt 1·10 -3 % (Gew.). Die Uranmenge in einer 20 km dicken Schicht der Lithosphäre wird auf 1,3 · 10 14 Tonnen geschätzt.

Der Großteil des Urans kommt in sauren Gesteinen mit hohem Gehalt vor Silizium. Eine beträchtliche Menge Uran ist in Sedimentgesteinen konzentriert, insbesondere in solchen, die mit organischem Material angereichert sind. Uran ist in großen Mengen als Verunreinigung in Thorium und Seltenerdmineralien (Orthit, Sphen CaTiO 3, Monazit (La,Ce)PO 4, Zirkon ZrSiO 4, Xenotim YPO4 usw.) vorhanden. Die wichtigsten Uranerze sind Pechblende (Uranpech), Uraninit und Carnotit. Die wichtigsten Mineralien, die Satelliten des Urans sind, sind Molybdänit MoS 2, Bleiglanz PbS, Quarz SiO 2, Calcit CaCO 3, Hydromuskovit usw.

Mineral	Grundzusammensetzung des Minerals	Urangehalt, %
Uraninit	UO 2, UO 3 + ThO 2, CeO 2	65-74
Carnotit	K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O	~50
Kasolit	PbO 2 UO 3 SiO 2 H 2 O	~40
Samarskit	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn) 2 O 6	3.15-14
Branerit	(U, Ca, Fe, Y, Th) 3 Ti 5 O 15	40
Tyuyamunit	CaO 2UO 3 V 2 O 5 nH 2 O	50-60
Tseynerit	Cu(UO 2) 2 (AsO 4)2 nH 2 O	50-53
Otenitis	Ca(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O	~50
Schreckingerit	Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O	25
Ouranophane	CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O	~57
Fergusonit	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4	0.2-8
Torburnit	Cu(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O	~50
Sarg	U(SiO 4) 1-x (OH) 4x	~50

Die wichtigsten in der Natur vorkommenden Formen von Uran sind Uraninit, Pechblende (Uranpech) und Uranschwarz. Sie unterscheiden sich lediglich in ihren Standortformen; es gibt eine Altersabhängigkeit: Uraninit kommt hauptsächlich in alten (präkambrischen Gesteinen) vor, Pechblende – vulkanogen und hydrothermisch – hauptsächlich in paläozoischen und jüngeren Hoch- und Mitteltemperaturformationen; Uranschwarze - hauptsächlich in jungen - känozoischen und jüngeren Formationen - hauptsächlich in Sedimentgesteinen mit niedriger Temperatur.

Der Urangehalt in der Erdkruste beträgt 0,003 % und kommt in der Oberflächenschicht der Erde in Form von vier Arten von Ablagerungen vor. Erstens gibt es Uraninit-Adern oder Uranpech (Urandioxid UO2), das sehr reich an Uran ist, aber selten. Sie werden seitdem von Radiumablagerungen begleitet Radium ist ein direktes Produkt des Isotopenzerfalls von Uran. Solche Adern finden sich in Zaire, Kanada (Great Bear Lake), Tschechien Und Frankreich. Die zweite Uranquelle sind Konglomerate aus Thorium und Uranerzen zusammen mit Erzen anderer wichtiger Mineralien. Konglomerate enthalten in der Regel ausreichende Mengen, um gefördert zu werden Gold Und Silber und die Begleitelemente sind Uran und Thorium. Große Vorkommen dieser Erze befinden sich in Kanada, Südafrika, Russland und Australien. Die dritte Uranquelle sind Sedimentgesteine und Sandsteine, die reich an dem Mineral Carnotit (Kaliumuranylvanadat) sind, das neben Uran eine erhebliche Menge enthält Vanadium und andere Elemente. Solche Erze kommen in den westlichen Bundesstaaten vor USA. Eisen-Uran-Schiefer und Phosphaterze bilden eine vierte Sedimentquelle. Reichhaltige Vorkommen im Schiefer gefunden Schweden. Einige Phosphaterze in Marokko und den Vereinigten Staaten enthalten erhebliche Mengen an Uran und Phosphatvorkommen in Angola und die Zentralafrikanische Republik sind sogar noch reicher an Uran. Die meisten Braunkohlen und einige Kohlen enthalten normalerweise Uranverunreinigungen. In North und South Dakota (USA) wurden uranreiche Braunkohlevorkommen sowie Steinkohlen entdeckt Spanien Und Tschechien

Isotope von Uran

Natürliches Uran besteht aus einer Mischung von drei Stoffen Isotope: 238 U - 99,2739 % (Halbwertszeit T 1/2 = 4,468×10 9 Jahre), 235 U – 0,7024 % ( T 1/2 = 7,038×10 8 Jahre) und 234 U – 0,0057 % ( T 1/2 = 2,455×10 5 Jahre). Letzteres Isotop ist nicht primär, sondern radiogen; es gehört zur radioaktiven 238 U-Reihe.

Die Radioaktivität des natürlichen Urans ist hauptsächlich auf die Isotope 238 U und 234 U zurückzuführen; im Gleichgewicht sind ihre spezifischen Aktivitäten gleich. Die spezifische Aktivität des 235 U-Isotops in natürlichem Uran ist 21-mal geringer als die Aktivität von 238 U.

Es sind 11 künstliche radioaktive Uranisotope mit Massenzahlen von 227 bis 240 bekannt. Das langlebigste davon ist 233 U ( T 1/2 = 1,62×10 5 Jahre) wird durch Bestrahlung von Thorium mit Neutronen gewonnen und kann durch thermische Neutronen spontan gespalten werden.

Die Uranisotope 238 U und 235 U sind die Vorfahren zweier radioaktiver Serien. Die letzten Elemente dieser Reihe sind Isotope führen 206 Pb und 207 Pb.

Unter natürlichen Bedingungen sind die häufigsten Isotope 234 U: 235 U : 238U= 0,0054: 0,711: 99,283. Die Hälfte der Radioaktivität von natürlichem Uran ist auf das Isotop zurückzuführen 234 U. Isotop 234 U entsteht durch Zerfall 238U. Die letzten beiden zeichnen sich im Gegensatz zu anderen Isotopenpaaren und ungeachtet der hohen Migrationsfähigkeit von Uran durch eine geografische Konstanz des Verhältnisses aus. Die Größe dieses Verhältnisses hängt vom Alter des Urans ab. Zahlreiche Feldmessungen zeigten leichte Schwankungen. Bei Brötchen schwankt der Wert dieses Verhältnisses zum Standard also im Bereich von 0,9959 - 1,0042, bei Salzen zwischen 0,996 und 1,005. Bei uranhaltigen Mineralien (Pech, Uranschwarz, Kyrtolit, Erze seltener Erden) liegt der Wert dieses Verhältnisses zwischen 137,30 und 138,51; Darüber hinaus wurde der Unterschied zwischen den Formen U IV und U VI nicht festgestellt; in Sphen - 138,4. Bei einigen Meteoriten wurde ein Isotopenmangel festgestellt 235 U. Die niedrigste Konzentration unter terrestrischen Bedingungen wurde 1972 vom französischen Forscher Bujigues in der Stadt Oklo in Afrika (Vorkommen in Gabun) festgestellt. So enthält normales Uran 0,7025 % Uran 235 U, während er in Oklo auf 0,557 % reduziert ist. Dies stützte die Hypothese, dass ein natürlicher Kernreaktor zu einem Isotopenabbrand führt, vorhergesagt von George W. Wetherill von der University of California in Los Angeles und Mark G. Inghram von der University of Chicago sowie Paul K. Kuroda, einem Chemiker an der University of California Arkansas beschrieb den Prozess bereits 1956. Darüber hinaus wurden in denselben Bezirken natürliche Kernreaktoren gefunden: Okelobondo, Bangombe usw. Derzeit sind etwa 17 natürliche Kernreaktoren bekannt.

Quittung

Die allererste Stufe der Uranproduktion ist die Konzentration. Das Gestein wird zerkleinert und mit Wasser vermischt. Schwere Aufhängungskomponenten setzen sich schneller ab. Enthält das Gestein primäre Uranminerale, fallen diese schnell aus: Dabei handelt es sich um Schwerminerale. Sekundäre Uranmineralien sind leichter, wodurch sich das schwere Abfallgestein früher absetzt. (Allerdings ist es nicht immer wirklich leer; es kann viele nützliche Elemente enthalten, einschließlich Uran).

Der nächste Schritt ist die Auslaugung der Konzentrate, bei der Uran in Lösung überführt wird. Es kommen saure und alkalische Auslaugungen zum Einsatz. Ersteres ist billiger, da zur Gewinnung von Uran Schwefelsäure verwendet wird. Aber wenn im Ausgangsmaterial, wie etwa Uran, enthalten ist Teer Liegt Uran in einem vierwertigen Zustand vor, ist diese Methode nicht anwendbar: Vierwertiges Uran ist in Schwefelsäure praktisch unlöslich. In diesem Fall müssen Sie entweder auf eine alkalische Auslaugung zurückgreifen oder das Uran vorab in einen sechswertigen Zustand oxidieren.

Auch wenn das Urankonzentrat Dolomit oder Magnesit enthält, die mit Schwefelsäure reagieren, kommt eine Säurelaugung nicht zum Einsatz. Verwenden Sie in diesen Fällen Natronlauge (Hydroxid). Natrium).

Das Problem der Uranauslaugung aus Erzen wird durch Sauerstoffeinblasen gelöst. Einem auf 150 °C erhitzten Gemisch aus Uranerz und Sulfidmineralien wird ein Sauerstoffstrom zugeführt. Dabei entsteht aus Schwefelmineralien Schwefelsäure, die das Uran auswäscht.

Im nächsten Schritt muss Uran selektiv aus der resultierenden Lösung isoliert werden. Moderne Methoden – Extraktion und Ionenaustausch – können dieses Problem lösen.

Die Lösung enthält nicht nur Uran, sondern auch andere Kationen. Einige von ihnen verhalten sich unter bestimmten Bedingungen genauso wie Uran: Sie werden mit denselben organischen Lösungsmitteln extrahiert, auf denselben Ionenaustauscherharzen abgeschieden und fallen unter denselben Bedingungen aus. Um Uran selektiv zu isolieren, ist es daher notwendig, viele Redoxreaktionen durchzuführen, um in jeder Phase den einen oder anderen unerwünschten Begleiter loszuwerden. Auf modernen Ionenaustauscherharzen wird Uran sehr selektiv freigesetzt.

Methoden Ionenaustausch und Extraktion Sie sind auch deshalb gut, weil sie eine recht vollständige Gewinnung von Uran aus schlechten Lösungen ermöglichen (Urangehalt beträgt Zehntel Gramm pro Liter).

Nach diesen Vorgängen wird Uran in einen festen Zustand umgewandelt – in eines der Oxide oder in UF 4 -Tetrafluorid. Aber dieses Uran muss noch mit einem großen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt von Verunreinigungen gereinigt werden – Bor, Cadmium, Hafnia. Ihr Anteil im Endprodukt sollte Hunderttausendstel und Millionstel Prozent nicht überschreiten. Um diese Verunreinigungen zu entfernen, wird eine technisch reine Uranverbindung in Salpetersäure gelöst. Dabei entsteht Uranylnitrat UO 2 (NO 3) 2, das bei der Extraktion mit Tributylphosphat und einigen anderen Stoffen weiter auf die geforderten Standards gereinigt wird. Anschließend wird diese Substanz kristallisiert (bzw. Peroxid UO 4 ·2H 2 O ausgefällt) und vorsichtig kalziniert. Als Ergebnis dieses Vorgangs entsteht Urantrioxid UO 3, das mit Wasserstoff zu UO 2 reduziert wird.

Urandioxid UO 2 wird bei Temperaturen von 430 bis 600 °C trockenem Fluorwasserstoff ausgesetzt, um UF 4 -Tetrafluorid zu erzeugen. Aus dieser Verbindung wird Uranmetall gewonnen Kalzium oder Magnesium.

Physikalische Eigenschaften

Uran ist ein sehr schweres, silberweiß glänzendes Metall. In reiner Form ist es etwas weicher als Stahl, formbar, flexibel und weist leicht paramagnetische Eigenschaften auf. Uran hat drei allotrope Formen: Alpha (prismatisch, stabil bis 667,7 °C), Beta (tetragonal, stabil von 667,7 °C bis 774,8 °C), Gamma (mit kubisch-raumzentrierter Struktur, vorhanden ab 774,8 °C). bis zum Schmelzpunkt).

Radioaktive Eigenschaften einiger Uranisotope (natürliche Isotope sind hervorgehoben):

Chemische Eigenschaften

Uran kann Oxidationsstufen von +III bis +VI aufweisen. Uran(III)-Verbindungen bilden instabile rote Lösungen und sind starke Reduktionsmittel:

4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2

Uran(IV)-Verbindungen sind am stabilsten und bilden grüne wässrige Lösungen.

Uran(V)-Verbindungen sind instabil und disproportionieren in wässriger Lösung leicht:

2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2

Uran ist chemisch gesehen ein sehr aktives Metall. Es oxidiert schnell an der Luft und wird mit einem regenbogenfarbenen Oxidfilm bedeckt. Feines Uranpulver entzündet sich spontan an der Luft; es entzündet sich bei einer Temperatur von 150-175 °C und bildet U 3 O 8. Bei 1000 °C verbindet sich Uran mit Stickstoff zu gelbem Urannitrid. Wasser kann Metall korrodieren, langsam bei niedrigen Temperaturen und schnell bei hohen Temperaturen sowie beim feinen Mahlen von Uranpulver. Uran löst sich in Salz-, Salpeter- und anderen Säuren und bildet vierwertige Salze, interagiert jedoch nicht mit Alkalien. Uranus verdrängt Wasserstoff aus anorganischen Säuren und Salzlösungen von Metallen wie z Quecksilber, Silber, Kupfer, Zinn, PlatinUndGold. Bei kräftigem Schütteln beginnen die Metallpartikel des Urans zu glühen. Uran hat vier Oxidationsstufen – III-VI. Sechswertige Verbindungen umfassen Urantrioxid (Uranyloxid) UO 3 und Uran-Uranylchlorid UO 2 Cl 2 . Urantetrachlorid UCl 4 und Urandioxid UO 2 sind Beispiele für vierwertiges Uran. Stoffe, die vierwertiges Uran enthalten, sind normalerweise instabil und werden sechswertig, wenn sie längere Zeit der Luft ausgesetzt werden. Uranylsalze wie Uranylchlorid zersetzen sich in Gegenwart von hellem Licht oder organischen Stoffen.