Uran (pierwiastek)

Uran (U, łac. uranium) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców w układzie okresowym. Wśród pierwiastków występujących naturalnie na Ziemi ma największą liczbę atomową – 92 (nie licząc śladowych ilości
93Np i
94Pu)^[5].

Uran

protaktyn ← uran → neptun
Nd ↑ U ↓ Uqb 92 U
Wygląd
srebrzystobiały
Widmo emisyjne uranu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	uran, U, 92 (łac. uranium)
Grupa, okres, blok	–, 7, f
Stopień utlenienia	III, IV, V, VI[1]
Właściwości metaliczne	aktynowiec
Właściwości tlenków	słabo zasadowe
Masa atomowa	238,03 ± 0,01[a][2]
Stan skupienia	stały
Gęstość	19 050 kg/m³
Temperatura topnienia	1135 °C[3]
Temperatura wrzenia	4131 °C[3]
Numer CAS	7440-61-1
PubChem	23989
Właściwości atomowe Promień • atomowy • van der Waalsa 175 pm 186 pm Konfiguracja elektronowa [Rn]5f36d17s2 Zapełnienie powłok 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,38 1,22 Potencjały jonizacyjne I 597,6 kJ/mol II 1420 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 477 kJ/mol Ciepło topnienia 15,48 kJ/mol Konduktywność 3,8×106 S/m Ciepło właściwe 120 J/(kg·K) Przewodność cieplna 27,6 W/(m·K) Układ krystalograficzny rombowy Twardość • w skali Mohsa 4,5 Prędkość dźwięku 3155 m/s (293,15 K) Objętość molowa 12,49×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 232U {syn.} 68,9 roku α 5,414 228Th 233U {syn.} 1,592×104 lat α 4,909 229Th 234U 0,006% 2,455×105 lat α 4,859 230Th 235U 0,72% 7,038×108 lat α 4,679 231Th 236U {syn.} 2,342×107 lat α 4,572 232Th 238U 99,275% 4,468×109 lat α 4,270 234Th
Niebezpieczeństwa Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie Rozporządzenia CLP, zał. VI[4] Niebezpieczeństwo Zwroty H H300, H330, H373, H413 Zwroty P brak wiarygodnych danych
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Właściwości

Właściwości atomowe

W uranie naturalnym występuje głównie słabo promieniotwórczy izotop 238
U (około 99,3%), któremu towarzyszy 235
U (około 0,7%) i ślady 234
U. Jądra wszystkich izotopów uranu ulegają rozpadowi radioaktywnemu. Jądra izotopów 235
U i 233
U ulegają samoistnemu i wymuszonemu rozszczepieniu.

Przykładowe reakcje rozszczepienia wymuszonego (tj. następującego w wyniku zderzenia jądra np. z neutronem, n) 235
U^[6]:

235
U + n → 144
Ba + 90
Kr + 2n + ok
. 200 MeV

235
U + n → 141
Ba + 92
Kr + 3n + 170 MeV

235
U + n → 139
Te + 94
Zr + 3n + 197 MeV

W reakcjach tych generowanych jest więcej neutronów niż jest zużywanych. Średnio 1 zużyty neutron powoduje uwolnienie 2,45 neutronów potomnych. W odpowiednich warunkach – gdy co najmniej jeden neutron potomny wywołuje rozpad kolejnego jądra – proces ten może mieć charakter samopodtrzymującej się lub wybuchowej reakcji łańcuchowej^[6][7].

Właściwości fizyczne

Czysty uran jest srebrzystobiałym metalem o dużej gęstości – 65% większej niż gęstość ołowiu – lecz w odróżnieniu od niego jest jednym z najtwardszych metali (HB = 2400 MN/m²)^[8]. Jest plastyczny i kowalny, jest słabym paramagnetykiem i przewodnikiem elektrycznym (opór właściwy 28×10⁻⁸ Ω·m; 16 razy większy od miedzi)^[9].

Tworzy formy alotropowe^[9]:

• alfa (rombowa) stabilna do 668 °C;
• beta (tetragonalna) stabilna w zakresie od 668 do 775 °C;
• gamma (regularna centrowana objętościowo b.c.c) od 775 °C do temperatury topnienia.

Właściwości chemiczne

Jest silnie elektrododatni. Reaguje z prawie wszystkimi pierwiastkami niemetalicznymi i z wieloma ich związkami. Kwas solny i azotowy roztwarzają uran, ale kwasy nieutleniające poza kwasem solnym roztwarzają go bardzo powoli. Silnie rozdrobniony jest piroforyczny i reaguje z zimną wodą. Na powietrzu pokrywa się ciemną warstwą tlenku. Ze względu na reaktywność z rud ekstrahuje się go w układach wodnych i przekształca w tlenek uranu(IV) lub inne formy używalne w przemyśle^[9].

Występowanie

Bryłka rudy uranu

Uran występuje na Ziemi naturalnie w postaci związków chemicznych, w skorupie ziemskiej w ilości 1,8 ppm, zajmując 51. miejsce wśród pierwiastków. Można znaleźć go w skałach (w granicie 2 – 10 mg/kg skały), glebie, wodzie (w oceanie 0,0033 ppm), roślinach, zwierzętach, a także w ciele ludzkim^[10]. Występuje w większym stężeniu w rudach uranu. Tworzy minerały; najważniejszymi minerałami uranu są:

• blenda uranowa
• uraninit UO
  2 + UO
  3
• karnotyt K
  2(UO
  2)
  2(VO
  4)
  2·2H
  2O

Złoża rud uranu klasyfikuje się głównie według kosztów wydobycia 1 funta uranu. Najniższe koszty wydobycia wynoszą poniżej 80 $/lb, takie zasoby stanowią kilkanaście procent znanych zasobów. Znane i realnie rozpoznane złoża, w 2013 roku, o kosztach wydobycia poniżej 130 $/lb sięgają 5,9 mln ton. Największe zasoby znajdują się na terenie Australii (28% zasobów światowych), Kazachstanu (15%), Kanady (9%), Rosji (8%) i Namibii (7%)^[11].

Państwa o największym wydobyciu rud uranu w 2014 roku (w tys. ton U)
Kazachstan	23,1
Kanada	9,1
Australia	5,0
Niger	4,1
Namibia	3,3
Rosja	3,0
Uzbekistan	2,4
Stany Zjednoczone	1,9
Chiny	1,5
Ukraina	0,9
Łącznie na świecie	56,2
Źródło: World Uranium Mining[12]

Najwięksi wydobywcy uranu (przedsiębiorstwa) w 2022 roku^[13]:

1. Kazatomprom (11 373 ton; 23% produkcji światowej)
2. Cameco (5675 ton; 12% produkcji światowej)
3. Orano (5519 ton; 11% produkcji światowej)

Syntetyczny rozszczepialny izotop 233
U otrzymuje się przez bombardowanie toru 232
Th neutronami^[14].

Występowanie w Polsce

Niezbyt wydajne złoża uranu występują w Polsce w Rudawach Janowickich (Miedzianka, Kowary), w okolicach Masywu Śnieżnika (Kletno), w Górach Świętokrzyskich oraz w Górach Izerskich (Kromnów, Kopaniec^[15]), zostały one jednak w znacznym stopniu wyeksploatowane na potrzeby ZSRR do lat 50. XX wieku. W latach 60. XX w. złoża uranu odkryto w okolicach wsi Rajsk niedaleko od Bielska Podlaskiego.

Rabunkowe wydobycie rud uranu w Miedziance doprowadziło do zniszczenia i wysiedlenia miasta. W Kowarach u stóp Karkonoszy dla turystów otwarta jest kopalnia uranu Podgórze. W latach 1974–1989 działało w Kowarach Inhalatorium Radonowe; zamknięto je po 15 latach działalności, po zawaleniu się nieeksploatowanej części kopalni stanowiącej źródło radonu. Później uruchomiono nowe, komercyjne inhalatorium radonowe w dawnej kopalni uranu i fluorytu „Liczyrzepa”. Po poprowadzeniu tam podziemnej trasy turystycznej kompleks nazwano „Sztolnie Kowary”^[16]. Występująca tam koncentracja radonu jest bardzo niska. Jest to jedna z pięciu tego typu atrakcji na świecie. Wyrobisko Kopaliny w pobliżu Kletna jest także udostępnione do zwiedzania przez turystów.

Związki chemiczne uranu

Konfiguracja elektronowa uranu

Uran reaguje z tlenem z powietrza, pokrywając się stopniowo najpierw złotożółtą, a następnie czarną warstwą tlenków. W podwyższonych temperaturach jest reaktywny. Podgrzany do 450 °C reaguje z azotem, tworząc azotki, ogrzany w wodorze tworzy wodorek UH
3, a w temperaturze wrzenia wydziela z wody wolny wodór. Uran roztwarza się łatwo w rozcieńczonych kwasach. Zapala się w powietrzu już po umiarkowanym ogrzaniu, a sproszkowany nawet w temperaturze pokojowej. Reaguje z kwasami, siarką, chlorem, fluorem. Wszystkie rozpuszczalne związki chemiczne uranu są trujące.

Najtrwalszym ze stopni utlenienia uranu jest VI. Tlenek uranu(VI) (UO
3) to proszek o barwie od żółtej do pomarańczowej. W temperaturze powyżej 500 °C przechodzi on w oliwkowozielony U
3O
8, który jest najtrwalszym z tlenków uranu i występuje w przyrodzie jako minerał uraninit. UO
3 jest tlenkiem amfoterycznym. W wyniku gotowania UO
3 z wodą powstaje wodorotlenek uranylu UO
2(OH)
2. Stabilne w roztworze wodnym jony uranu to czerwone U3+
, zielone U4+
oraz żółte UO2+
2.

Zastosowania

Głównym zastosowaniem jest użycie izotopu 235
U jako materiału rozszczepialnego w reaktorach jądrowych, które znalazły zastosowanie w elektrowniach jądrowych oraz w napędzie okrętów podwodnych^[17]. Ponadto jest wykorzystywany do produkcji w broni jądrowej. Zawartość izotopu 235
U w uranie naturalnym wynosi 0,7% i jest ona zbyt niska do wielu zastosowań. W związku z tym wymaga on przetworzenia zwiększającego zawartość tego izotopu w procesie zwanym wzbogacaniem. W efekcie uzyskuje się tzw. uran wzbogacony oraz produkt uboczny zwany uranem zubożonym. Do wzbogacania uranu używać można np. wirówek wzbogacających.

Rozszczepienie jądra 235
U uwalnia energię całkowitą rzędu 200 MeV^[6][18] (dla porównania, reakcja C + O
2 → CO
2 podczas spalania węgla kopalnego dostarcza 4 eV/atom węgla^[6]). Teoretycznie jeden gram tego izotopu (czyli kulka o średnicy ok. 0,5 cm) może więc dostarczyć ok. 82–87 gigadżuli energii^[6][18], co odpowiada spaleniu ok. 2,5 t węgla kamiennego lub wybuchowi 33 ton trotylu^[18]. Pomimo że rozszczepialny izotop uranu stanowi jego niewielką część, a w reaktorach rozszczepieniu ulega tylko jego część i niewielka część uranu 238, to uran jest obecnie najbardziej skondensowanym źródłem energii wykorzystywanym przez człowieka do wytwarzania energii cieplnej^[17][19].

Inne zastosowania uranu:

• Uranu używano do barwienia szkła i ceramiki, obecnie ze względu na strach przed promieniowaniem, zaniechano tego zastosowania.
• 238
  U jest przetwarzany na pluton w reaktorach powielających^[3]: 238
  U (n, γ) → 239
  U → 239
  Np + β → 239
  Pu + β

• Metaliczny uran ze względu na dużą liczbę masową jest używany jako tarcza w generatorach promieniowania X o dużej energii.
• 238
  U jako izotop o bardzo długim okresie rozpadu (4,468×10⁹ lat) oraz produkty rozpadu służą do określania wieku skał.
• Uran (w praktyce uran zubożony) jako metal o bardzo dużej gęstości używany jest jako rdzeń przeciwczołgowych pocisków podkalibrowych.
• Stosowany jest też w fotografii oraz analizie chemicznej.

Historia

Uran w postaci naturalnego tlenku był używany od co najmniej 79 roku n.e. do barwienia na żółty kolor wyrobów szklanych. Żółte szkło z zawartością 1% tlenku uranu znaleziono niedaleko Neapolu we Włoszech.

Osobny artykuł: Szkło uranowe.

Uznanie uranu za pierwiastek przypisuje się chemikowi Martinowi Heinrichowi Klaprothowi, który ogłosił to odkrycie w 1789 roku, nadając nowemu pierwiastkowi nazwę uranium, nawiązując do wcześniejszego o 8 lat odkrycia planety Uran przez astronoma niemieckiego pochodzenia Williama Herschela. Pierwiastek ten w formie czystej został wyodrębniony po raz pierwszy przez Eugène-Melchiora Péligota w 1841 roku.

Izotop 235
U oznaczano dawniej przez AcU i nazywano aktynouranem^[20].

Zobacz też

• minerały metamiktyczne
• minerały promieniotwórcze
• minerały uranylu

Uwagi

1. Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 238,02891 ± 0,00003. W dostępnych komercyjnie produktach mogą występować znaczne odchylenia masy atomowej od podanej, z uwagi na zmianę składu izotopowego w rezultacie nieznanego bądź niezamierzonego frakcjonowania izotopowego. Znane są próbki geologiczne, w których pierwiastek ten ma skład izotopowy odbiegający od występującego w większości źródeł naturalnych. Masa atomowa pierwiastka w tych próbkach może więc różnić się od podanej w stopniu większym niż wskazana niepewność. Zob. Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.