U · Elemento 92 · Attinoide
L'elemento primordiale più pesante e quello che ha diviso in due il ventesimo secolo.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca uranio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 156 pm — cioè 0,156 nm, quindi ne servirebbero circa 3,21 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Uranio è liquido in un intervallo di 2999 K, da 1405 K a 4404 K.
La storia
L'uranio è il campione dei pesi massimi tra gli elementi naturali: racchiude abbastanza energia da illuminare intere città o raderle al suolo. Questo metallo radioattivo ha alimentato l'era atomica, dalla prima reazione nucleare autosostenuta nel 1942 alle moderne centrali elettriche che generano il 10% dell'elettricità mondiale. Un pellet di combustibile all'uranio delle dimensioni della punta di un dito contiene tanta energia quanta ne contiene una tonnellata di carbone. Prende il nome dal pianeta Urano; questo elemento si trasforma lentamente in piombo nel corso di miliardi di anni, agendo come un orologio naturale che ha aiutato gli scienziati a determinare l'età della Terra in 4,5 miliardi di anni. Il nucleo atomico dell'uranio è così ricco di protoni da essere appena stabile e proietta continuamente particelle ed energia. Questa instabilità alimenta sia i reattori nucleari sia le armi atomiche, rendendo l'uranio una delle sostanze più regolamentate sulla Terra. Il suo decadimento radioattivo riscalda anche il nucleo del nostro pianeta.
L'uranio fu scoperto nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth durante l'analisi di minerale di pechblenda proveniente dalle miniere di Joachimsthal in Boemia (oggi Repubblica Ceca). Klaproth, uno dei fondatori della chimica analitica, isolò quella che riteneva essere una nuova sostanza metallica e la chiamò "uranio" dal pianeta Urano, scoperto recentemente da William Herschel nel 1781.
Il campione originale di Klaproth era in realtà diossido di uranio e non uranio metallico puro, ma la sua analisi chimica identificò correttamente la presenza di un elemento precedentemente sconosciuto. Descrisse la nuova sostanza come dotata di proprietà chimiche uniche e distinte da quelle dei metalli conosciuti, anche se non riuscì a produrre il metallo puro con le tecniche del XVIII secolo.
L'uranio metallico puro fu isolato solo nel 1841 dal chimico francese Eugène-Melchior Péligot, che ridusse il tetracloruro di uranio con potassio metallico. Il lavoro di Péligot stabilì il vero peso atomico dell'uranio e ne confermò l'identità di elemento distinto, correggendo alcune idee errate dell'analisi originale di Klaproth.
La proprietà più importante dell'uranio fu scoperta nel 1896 da Henri Becquerel, che constatò che i sali di uranio emettevano spontaneamente radiazioni in grado di impressionare lastre fotografiche. Questa scoperta della radioattività naturale diede origine ai campi della fisica e della chimica nucleare, portando alle scoperte del radio, del polonio e della fissione nucleare.
La scoperta della fissione nucleare nell'uranio-235 da parte di Otto Hahn e Fritz Strassmann nel 1938, interpretata da Lise Meitner e Otto Frisch, rivoluzionò la scienza e la tecnologia. Questa svolta portò sia alle armi nucleari sia all'energia nucleare, rendendo l'uranio uno degli elementi di maggiore importanza strategica nella storia moderna.
La scoperta dell'uranio e le ricerche successive hanno cambiato profondamente la nostra comprensione della struttura atomica, dell'energia e dell'universo. Dall'identificazione iniziale di Klaproth all'era nucleare, la ricerca sull'uranio ha prodotto numerosi premi Nobel e continua a promuovere progressi nella scienza nucleare, nella produzione di energia e nell'esplorazione spaziale.
Applicazioni
L'uranio è il combustibile principale delle centrali nucleari di tutto il mondo e fornisce circa il 10% della produzione globale di elettricità. L'uranio naturale contiene lo 0,7% di uranio-235, l'isotopo fissile che subisce la fissione nucleare. Per la maggior parte dei reattori nucleari, l'uranio deve essere arricchito fino a una concentrazione del 3-5% di U-235 attraverso processi complessi che coinvolgono gas di esafluoruro di uranio e cascate di centrifughe.
I reattori ad acqua pressurizzata (PWR) e i reattori ad acqua bollente (BWR) usano pellet di diossido di uranio arricchito impilati in barre di combustibile in lega di zirconio. Progetti avanzati come i reattori Canada Deuterium Uranium (CANDU) possono usare uranio naturale grazie al moderatore ad acqua pesante, mentre i reattori autofertilizzanti veloci possono convertire l'uranio-238 in plutonio-239, estendendo di fatto le riserve di combustibile all'uranio di 60 volte.
Il combustibile nucleare esaurito contiene quantità significative di uranio-235 non utilizzato e di plutonio-239 appena creato. Il riprocessamento del combustibile nucleare può recuperare questi materiali per riutilizzarli, anche se questa pratica varia da Paese a Paese a causa dei timori di proliferazione. Francia, Giappone e Regno Unito gestiscono importanti impianti di riprocessamento, mentre gli Stati Uniti attualmente stoccano il combustibile esaurito in vista di un possibile riprocessamento futuro.
L'uranio altamente arricchito (>90% di U-235) è usato nelle armi nucleari e come combustibile per i reattori navali. I sottomarini nucleari e le portaerei usano combustibile all'uranio per armi, che consente loro di operare per decenni senza rifornimento. I requisiti specifici delle applicazioni militari determinano programmi separati di arricchimento dell'uranio con misure di sicurezza rafforzate.
L'uranio alimenta i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) per le missioni nello spazio profondo, dove l'energia solare è insufficiente. Le sonde Voyager della NASA, i rover marziani e le missioni verso i pianeti esterni dipendono dal decadimento radioattivo dell'uranio-238 per la generazione di energia a lungo termine. I reattori di ricerca di tutto il mondo usano combustibile all'uranio per produrre isotopi medicali, condurre ricerche sui materiali e formare scienziati nucleari.
L'uranio impoverito (principalmente U-238) viene utilizzato per la schermatura dalle radiazioni, come contrappeso per aeromobili e nelle leghe speciali. La sua elevata densità (19.1 g/cm³) lo rende prezioso per le applicazioni che richiedono la massima massa nel minimo spazio. Le applicazioni militari comprendono munizioni perforanti e corazze per carri armati, anche se questi usi sono controversi a causa dei rischi per la salute.
Tra le tecnologie nucleari avanzate in fase di sviluppo vi sono i reattori modulari piccoli (SMR), i cicli del combustibile torio-uranio e i sistemi ibridi fusione-fissione. Queste tecnologie mirano a migliorare la sicurezza, ridurre i rifiuti ed estendere il ruolo dell'energia nucleare nell'affrontare il cambiamento climatico, mantenendo al contempo l'importanza centrale dell'uranio nell'energia nucleare.
L'uso predominante dell'uranio è come combustibile per reattori nucleari destinati alla generazione di elettricità. Oltre 440 reattori nucleari in tutto il mondo consumano circa 65.000 tonnellate di uranio ogni anno, producendo elettricità senza emissioni di carbonio equivalente alla combustione di 2,5 miliardi di tonnellate di carbone. Paesi come la Francia generano il 70% della loro elettricità dall'energia nucleare.
Le navi a propulsione nucleare usano combustibile all'uranio altamente arricchito, che consente decenni di operatività senza rifornimento. La Marina degli Stati Uniti gestisce oltre 80 sottomarini nucleari e 11 portaerei, mentre anche Russia, Cina, Francia e Regno Unito mantengono flotte navali nucleari alimentate da reattori all'uranio.
I reattori di ricerca che usano combustibile all'uranio producono isotopi medicali per il trattamento dei tumori e la diagnostica per immagini. Questi reattori supportano anche la ricerca sui materiali, l'analisi per attivazione neutronica e gli studi di fisica nucleare. Università e laboratori nazionali di tutto il mondo gestiscono reattori di ricerca alimentati a uranio per la formazione e la ricerca scientifica.
Le missioni nello spazio profondo usano sorgenti di energia a radioisotopi di uranio-238 quando l'energia solare è insufficiente. Questi sistemi hanno alimentato missioni verso Giove, Saturno, Plutone e oltre, fornendo elettricità affidabile per decenni nel difficile ambiente dello spazio esterno.
L'uranio impoverito serve come contrappeso negli aeromobili, schermatura dalle radiazioni nelle strutture mediche e in applicazioni industriali specializzate che richiedono la massima densità. Le sue proprietà uniche lo rendono prezioso per specifiche applicazioni ingegneristiche, nonostante le difficoltà di manipolazione.
Da dove proviene
2,7 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 60% degli elementi
L'uranio è presente naturalmente nella crosta terrestre con una concentrazione media di 2,7 parti per milione, risultando più abbondante dell'argento, del mercurio o del cadmio. I maggiori depositi di uranio si trovano in Australia (28% delle riserve mondiali), Kazakistan (15%), Canada (9%), Russia (8%) e Niger (7%). Questi cinque Paesi controllano oltre due terzi delle risorse mondiali di uranio.
I minerali di uranio più importanti comprendono uraninite (diossido di uranio, il minerale principale in molti depositi), pechblenda (una varietà di uraninite), carnotite (un minerale di uranio e vanadio) e autunite (un minerale fosfato di uranio). Questi minerali si formano in diversi ambienti geologici, dalle rocce ignee ai depositi sedimentari.
L'estrazione dell'uranio impiega diversi metodi a seconda delle caratteristiche del deposito. L'estrazione a cielo aperto viene usata per depositi superficiali ad alto tenore, come quelli del Canada settentrionale. L'estrazione sotterranea consente di raggiungere depositi più profondi, mentre la lisciviazione in situ (ISL) estrae l'uranio da corpi minerari permeabili facendo circolare soluzioni liscivianti nel sottosuolo e rappresenta oltre il 50% della produzione mondiale di uranio.
L'uranio è presente nell'acqua di mare in concentrazione di 3,3 parti per miliardo, per una quantità di circa 4,5 miliardi di tonnellate di uranio, oltre 1.000 volte le attuali riserve terrestri conosciute. Il Giappone e altri Paesi stanno sviluppando tecnologie per estrarre l'uranio dall'acqua di mare usando materiali adsorbenti specializzati, offrendo potenzialmente una riserva di uranio praticamente illimitata.
L'uranio naturale è presente in suolo, roccia e acqua a livelli di fondo in tutto il mondo. Il carbone contiene 1-4 parti per milione di uranio e la combustione del carbone rilascia nell'ambiente più uranio delle centrali nucleari durante il normale funzionamento. Le rocce fosfatiche usate per i fertilizzanti possono contenere concentrazioni significative di uranio.
Le risorse di uranio conosciute ammontano a circa 8,1 milioni di tonnellate ai prezzi di mercato attuali, sufficienti per oltre 130 anni agli attuali tassi di consumo. Con l'aumento dei prezzi, ulteriori risorse diventano economicamente sfruttabili, compresi i minerali a basso tenore e le fonti non convenzionali, estendendo potenzialmente le riserve per secoli.
Manipolazione
Uranio è radioattivo. Non ha isotopi stabili: ogni nucleo decade. La gestione richiede schermatura e autorizzazioni adeguate.
PERICOLO: l'uranio è sia radioattivo sia chimicamente tossico. Tutti gli isotopi dell'uranio sono radioattivi e l'U-238 ha un tempo di dimezzamento di 4,5 miliardi di anni. La radiazione alfa dovuta al decadimento dell'uranio può causare tumori e danni genetici, mentre la tossicità chimica dell'uranio colpisce principalmente la funzione renale.
La polvere o le particelle di uranio comportano gravi rischi per la salute se inalate o ingerite. L'inalazione può causare tumori polmonari e problemi respiratori, mentre l'ingestione provoca danni renali e potenziali tumori ossei quando l'uranio si accumula nelle ossa. Anche piccole quantità possono avere conseguenze a lungo termine sulla salute.
La manipolazione dell'uranio richiede rigorosi protocolli di sicurezza, tra cui dispositivi di protezione individuale, monitoraggio delle radiazioni, aree ad accesso controllato e sistemi di ventilazione specializzati. I lavoratori devono ricevere una formazione approfondita sulla sicurezza dalle radiazioni e sottoporsi a controlli sanitari regolari, comprese analisi delle urine e la misurazione della radioattività corporea totale.
L'estrazione e la lavorazione dell'uranio possono creare contaminazione ambientale che richiede interventi di bonifica a lungo termine. Gli sterili degli impianti di uranio rimangono radioattivi per migliaia di anni e devono essere contenuti adeguatamente. Il trasporto dell'uranio richiede licenze speciali e misure di sicurezza a causa dei rischi radiologici e di proliferazione.
Gli incidenti di contaminazione da uranio richiedono una risposta specializzata immediata da parte di squadre addestrate alle emergenze radiologiche. Le procedure di decontaminazione sono complesse e possono richiedere interventi medici. Il monitoraggio della salute a lungo termine è essenziale per chiunque possa essere stato esposto all'uranio.
Risposte rapide
Uranio (simbolo U) è l'elemento 92 nella tavola periodica, appartenente a Attinoide nel periodo 7. L'elemento primordiale più pesante e quello che ha diviso in due il ventesimo secolo. A temperatura ambiente è un solido ed è radioattivo.
[Rn] 5f³ 6d¹ 7s², con 7 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2.Uranio fonde a 1405.3 K (1132.2 °C) ed entra in ebollizione a 4404 K (4130.9 °C).
La massa atomica standard di Uranio è 238.029 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Uranio ha una densità di 19.1 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Uranio è circa 19.1× più pesante.
Uranio ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.38. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Uranio è stato scoperto nel 1789 da Martin Heinrich Klaproth. Prende il nome da il pianeta Urano.
Uranio costituisce informazioni 2.7 mg/kg della crosta terrestre: è poco comune, ma non raro.
Sì. Uranio non ha isotopi stabili — ogni suo nucleo decade. Quantità in tracce si trovano naturalmente come prodotti del decadimento di elementi più pesanti.