Уран (хим. элемент)

Определение "Уран (хим. элемент)" в Большой Советской Энциклопедии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Химические свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Уран (хим. элемент) 7s²6d¹5f³. Уран (хим. элемент) относится к реакционноспособным металлам, в соединениях проявляет степени окисления + 3, + 4, + 5, + 6, иногда + 2; наиболее устойчивы соединения U (IV) и U (VI). На воздухе медленно окисляется с образованием на поверхности плёнки двуокиси, которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии Уран (хим. элемент) пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует двуокись UO₂, трёхокись UO₃ и большое число промежуточных окислов, важнейший из которых U₃O₈. Эти промежуточные окислы по свойствам близки к UO₂ и UO₃. При высоких температурах UO₂ имеет широкую область гомогенности от UO_1,60 до UO_2,27. С фтором при 500–600°C образует тетрафторидирд (зелёные игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF₆ (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4°C); с серой – ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее). При взаимодействии Уран (хим. элемент) с водородом при 220 °С получается гидрид UH₃; с азотом при температуре от 450 до 700 °С и атмосферном давлении – нитрид U₄N₇, при более высоком давлении азота и той же температуре можно получить UN, U₂N₃ и UN₂; с углеродом при 750–800°C – монокарбид UC, дикарбид UC₂, а также U₂C₃; с металлами образует сплавы различных типов (см. Урановые сплавы). Уран (хим. элемент) медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO₂ и H₂, с водяным паром – в интервале температур 150–250 °С; растворяется в соляной и азотной кислотах, слабо – в концентрированной плавиковой кислоте. Для U (VI) характерно образование иона уранила UO₂^{2 +}; соли уранила окрашены в жёлтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зелёный цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганическими, так и с органическими веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и др. комплексы. Известно большое число уранатов (солей не выделенной в чистом виде урановой кислоты), состав которых меняется в зависимости от условий получения; все уранаты имеют низкую растворимость в воде.
Уран (хим. элемент) и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.

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

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

Применение. Металлический Уран (хим. элемент) или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Природная или малообогащённая смесь изотопов Уран (хим. элемент) применяется в стационарных реакторах атомных электростанций, продукт высокой степени обогащения – в ядерных силовых установках или в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. ²³⁵U является источником ядерной энергии в ядерном оружии. ²³⁸U служит источником вторичного ядерного горючего – плутония.
В. М. Кулифеев.

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

По данным Международной комиссии по радиационной защите, среднее содержание Уран (хим. элемент) в организме человека 9·10^-8 г. Эта величина для различных районов может варьировать. Полагают, что Уран (хим. элемент) необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений, однако его физиологические функции не выяснены.
Г. П. Галибин.

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

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

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