Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение уран среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 156 pm — это 0,156 нм, поэтому около 3,21 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Уран находится в жидком состоянии в диапазоне 2999 K — от 1405 K до 4404 K.
История
Уран — настоящий тяжеловес среди природных элементов: в нём достаточно энергии, чтобы осветить города или стереть их с лица земли. Этот радиоактивный металл стал основой атомной эпохи — от первой устойчивой ядерной реакции в 1942 году до современных электростанций, вырабатывающих 10% мировой электроэнергии. Одна гранула уранового топлива размером с кончик пальца содержит столько же энергии, сколько тонна угля. Названный в честь планеты Уран, этот элемент медленно превращается в свинец на протяжении миллиардов лет, служа природными часами, которые помогли учёным определить возраст Земли — 4,5 миллиарда лет. Атомное ядро урана настолько насыщено протонами, что едва сохраняет стабильность, постоянно испуская частицы и энергию. Эта нестабильность обеспечивает работу как ядерных реакторов, так и атомного оружия, поэтому уран является одним из самых строго регулируемых веществ на Земле. Его радиоактивный распад также нагревает ядро нашей планеты.
Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом при анализе урановой руды из шахт Иоахимсталя в Богемии (ныне Чехия). Клапрот, один из основателей аналитической химии, выделил вещество, которое счёл новым металлом, и назвал его «ураном» в честь недавно открытой планеты Уран, обнаруженной Уильямом Гершелем в 1781 году.
Первоначальный образец Клапрота на самом деле был диоксидом урана, а не чистым металлическим ураном, однако его химический анализ правильно показал наличие ранее неизвестного элемента. Он описал новое вещество как обладающее уникальными химическими свойствами, отличными от свойств известных металлов, хотя не смог получить чистый металл с помощью технологий XVIII века.
Чистый металлический уран был выделен лишь в 1841 году французским химиком Эженом-Мелькиором Пелиго, восстановившим тетрахлорид урана металлическим калием. Работа Пелиго установила истинную атомную массу урана и подтвердила, что это отдельный элемент, исправив некоторые заблуждения первоначального анализа Клапрота.
Самое значительное свойство урана было открыто в 1896 году Анри Беккерелем, который обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают излучение, способное засвечивать фотопластинки. Это открытие естественной радиоактивности положило начало ядерной физике и химии и привело к открытию радия, полония и ядерного деления.
Открытие ядерного деления урана-235 Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году, интерпретированное Лизе Мейтнер и Отто Фришем, произвело революцию в науке и технологиях. Этот прорыв привёл как к созданию ядерного оружия, так и к развитию атомной энергетики, сделав уран одним из важнейших в стратегическом отношении элементов современной истории.
Открытие урана и последующие исследования коренным образом изменили наше понимание строения атома, энергии и Вселенной. От первоначальной идентификации Клапрота до атомной эпохи исследования урана принесли множество Нобелевских премий и продолжают стимулировать развитие ядерной науки, энергетики и освоения космоса.
Применение
Уран — основное топливо для атомных электростанций во всём мире, обеспечивающее примерно 10% мировой выработки электроэнергии. Природный уран содержит 0,7% урана-235 — делящийся изотоп, претерпевающий ядерное деление. Для большинства ядерных реакторов уран необходимо обогащать до концентрации U-235 3–5% с помощью сложных процессов, включающих газообразный гексафторид урана и каскады центрифуг.
Водо-водяные энергетические реакторы (PWR) и кипящие водяные реакторы (BWR) используют гранулы обогащённого диоксида урана, уложенные в топливные стержни из циркониевого сплава. Передовые конструкции реакторов, такие как канадские реакторы на тяжёлой воде (CANDU), могут использовать природный уран благодаря замедлителю из тяжёлой воды, а реакторы-размножители на быстрых нейтронах способны превращать уран-238 в плутоний-239, фактически увеличивая запасы уранового топлива в 60 раз.
Отработавшее ядерное топливо содержит значительные количества неиспользованного урана-235 и вновь образовавшегося плутония-239. Переработка ядерного топлива позволяет извлекать эти материалы для повторного использования, хотя такая практика различается в разных странах из-за опасений, связанных с распространением ядерного оружия. Франция, Япония и Великобритания эксплуатируют крупные предприятия по переработке, тогда как США в настоящее время хранят отработавшее топливо для возможной переработки в будущем.
Высокообогащённый уран (>90% U-235) используется в ядерном оружии и в качестве топлива для военно-морских реакторов. Атомные подводные лодки и авианосцы используют урановое топливо оружейного качества, позволяющее им работать десятилетиями без перезагрузки топлива. Особые требования военного применения обусловливают отдельные программы обогащения урана с усиленными мерами безопасности.
Уран используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) для дальних космических миссий, где солнечной энергии недостаточно. Космические аппараты NASA Voyager, марсоходы и миссии к внешним планетам используют радиоактивный распад урана-238 для длительного производства энергии. Исследовательские реакторы по всему миру применяют урановое топливо для получения медицинских изотопов, изучения материалов и подготовки специалистов в области ядерной науки.
Обеднённый уран (в основном U-238) используется в радиационной защите, противовесах для летательных аппаратов и специальных сплавах. Его высокая плотность (19,1 g/cm³) делает его ценным для применений, требующих максимальной массы при минимальном объёме. Военное применение включает бронебойные боеприпасы и танковую броню, однако такое использование вызывает споры из-за опасений для здоровья.
К передовым ядерным технологиям, находящимся в стадии разработки, относятся малые модульные реакторы (SMR), торий-урановые топливные циклы и гибридные термоядерно-ядерные системы. Эти технологии призваны повысить безопасность, сократить количество отходов и расширить роль атомной энергетики в борьбе с изменением климата, сохраняя центральное значение урана для ядерной энергетики.
Основное применение урана — топливо для ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Более 440 ядерных энергетических реакторов по всему миру ежегодно потребляют примерно 65 000 тонн урана, производя безуглеродную электроэнергию, эквивалентную сжиганию 2,5 миллиарда тонн угля. Такие страны, как Франция, получают 70% электроэнергии от атомной энергетики.
Суда с ядерными энергетическими установками используют высокообогащённое урановое топливо, обеспечивающее десятилетия работы без перезагрузки. ВМС США эксплуатируют более 80 атомных подводных лодок и 11 авианосцев, а Россия, Китай, Франция и Великобритания также содержат военно-морские ядерные флоты, работающие на урановых реакторах.
Исследовательские реакторы, использующие урановое топливо, производят медицинские изотопы для лечения рака и диагностической визуализации. Эти реакторы также поддерживают исследования материалов, нейтронно-активационный анализ и изучение ядерной физики. Университеты и национальные лаборатории по всему миру эксплуатируют исследовательские реакторы на урановом топливе для обучения и научных исследований.
В дальних космических миссиях используют радиоизотопные источники энергии на основе урана-238, когда солнечной энергии недостаточно. Эти системы обеспечивали энергией миссии к Юпитеру, Сатурну, Плутону и дальше, надёжно вырабатывая электричество десятилетиями в суровых условиях космоса.
Обеднённый уран используется в качестве противовесов в летательных аппаратах, радиационной защиты в медицинских учреждениях и в специализированных промышленных сферах, где требуется максимальная плотность. Его уникальные свойства делают его ценным для отдельных инженерных задач, несмотря на сложности обращения.
Откуда он происходит
2,7 мг/кг земной коры · более распространён, чем 60% элементов
Уран естественным образом встречается в земной коре со средней концентрацией 2,7 части на миллион, поэтому он распространённее серебра, ртути или кадмия. Крупнейшие месторождения урана находятся в Австралии (28% мировых запасов), Казахстане (15%), Канаде (9%), России (8%) и Нигере (7%). На эти пять стран приходится более двух третей мировых ресурсов урана.
К важнейшим урановым минералам относятся уранит (диоксид урана, основная руда во многих месторождениях), настуран (разновидность уранита), карнотит (уран-ванадиевый минерал) и аутиунит (уран-фосфатный минерал). Эти минералы образуются в различных геологических условиях — от магматических пород до осадочных месторождений.
При добыче урана применяют несколько методов в зависимости от характеристик месторождения. Открытая разработка используется для неглубоких богатых месторождений, например на севере Канады. Подземная добыча позволяет разрабатывать более глубокие месторождения, а подземное выщелачивание (ISL) извлекает уран из проницаемых рудных тел путём циркуляции выщелачивающих растворов под землёй; на этот метод приходится более 50% мировой добычи урана.
Уран содержится в морской воде в концентрации 3,3 части на миллиард, что соответствует примерно 4,5 миллиарда тонн урана — более чем в 1 000 раз превышает известные наземные запасы. Япония и другие страны разрабатывают технологии извлечения урана из морской воды с помощью специальных адсорбирующих материалов, что потенциально может обеспечить практически неисчерпаемый источник урана.
Природный уран присутствует в почве, горных породах и воде по всему миру на фоновом уровне. Уголь содержит 1–4 части урана на миллион, и при его сжигании в окружающую среду выбрасывается больше урана, чем при нормальной работе атомных электростанций. Фосфатные породы, используемые для производства удобрений, могут содержать значительные концентрации урана.
Известные ресурсы урана составляют примерно 8,1 миллиона тонн при текущих рыночных ценах, чего достаточно более чем на 130 лет при нынешних темпах потребления. С ростом цен дополнительные ресурсы становятся экономически выгодными для разработки, включая бедные руды и нетрадиционные источники, что потенциально может продлить поставки на столетия.
Обращение
Уран радиоактивен. У него нет стабильных изотопов — каждое ядро распадается. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
ОПАСНО: Уран одновременно радиоактивен и химически токсичен. Все изотопы урана радиоактивны; период полураспада U-238 составляет 4,5 миллиарда лет. Альфа-излучение при распаде урана может вызывать рак и генетические повреждения, а химическая токсичность урана в первую очередь нарушает работу почек.
Урановая пыль или частицы представляют серьёзную опасность для здоровья при вдыхании или проглатывании. Вдыхание может вызвать рак лёгких и проблемы с дыхательной системой, а проглатывание приводит к повреждению почек и возможному раку костей, поскольку уран накапливается в костной ткани. Даже небольшие количества могут иметь долгосрочные последствия для здоровья.
Обращение с ураном требует строгих протоколов безопасности, включая средства индивидуальной защиты, радиационный контроль, зоны с ограниченным доступом и специализированные вентиляционные системы. Работники должны пройти углублённое обучение радиационной безопасности и регулярно проходить медицинский контроль, включая анализ мочи и измерение содержания радионуклидов во всём теле.
Добыча и переработка урана могут приводить к загрязнению окружающей среды, требующему долгосрочной рекультивации. Хвосты урановых фабрик остаются радиоактивными тысячи лет и должны быть надёжно изолированы. Перевозка урана требует специальных лицензий и мер безопасности из-за радиологических рисков и опасности распространения ядерных материалов.
Инциденты с загрязнением ураном требуют немедленного специализированного реагирования со стороны обученных радиологических аварийных бригад. Процедуры дезактивации сложны и могут потребовать медицинского вмешательства. Длительное медицинское наблюдение необходимо для всех, кто мог подвергнуться воздействию урана.
Краткие ответы
Уран (символ U) — элемент 92 в периодической таблице, представитель семейства Актиноид в 7 периоде. Самый тяжёлый первичный элемент и тот, который разделил XX век надвое. При комнатной температуре это твёрдое вещество, и оно радиоактивно.
[Rn] 5f³ 6d¹ 7s²; она включает 7 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2.Уран плавится при 1405.3 K (1132.2 °C) и кипит при 4404 K (4130.9 °C).
Стандартная атомная масса Уран составляет 238.029 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Уран составляет 19.1 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Уран примерно в 19.1× тяжелее.
Электроотрицательность Уран по шкале Полинга составляет 1.38. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Уран был открыт в 1789 году Martin Heinrich Klaproth. Назван в честь планета Уран.
На долю Уран приходится около 2.7 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.
Да. Уран не имеет стабильных изотопов — каждое его ядро распадается. Следовые количества естественным образом образуются как продукты распада более тяжёлых элементов.