Невероятный элемент Уран (факты, свойства, соединения, реакции, применение купить) химия

Из-за своей радиоактивности уран сегодня имеет много важных применений, в том числе для производства электроэнергии и разработки военного оружия.

10 забавных фактов об уране

• Уран имеет самый высокий атомный вес (238,03) и атомный номер (92) из всех других природных элементов на Земле.

• Название “Уран” происходит от планеты Уран, которая сама названа в честь греческого бога неба. Мартин Генрих Клапрот, ученый, которому приписывают открытие урана (1789), выбрал название в честь недавнего открытия Урана (1781).).

• Обедненный уран (не содержащий радиоактивных изотопов) находит некоторое применение в плотных бронебойных боеприпасах.

• Было обнаружено, что в Западной Африке существуют природные реакторы деления на урановом топливе, возраст которых составляет 2 миллиарда лет. Хотя сегодня он неактивен, ученые предполагают, что уран-235 мог концентрироваться у одного вида бактерий, потому что они используют уран в качестве метаболического катализатора и предпочтительно выбирают уран-235.

• До 20-го века люди в основном использовали уран в керамике и стекле для придания желто-зеленого цвета. Эта практика была особенно широко распространена в современной Германии и Чехии в средние века с использованием смоляной обманки.

• Хотя уран известен своей радиоактивностью, он представляет большую опасность из-за своей токсичности, которая может повредить органы и вызвать неврологические расстройства.

• Распад урана, а также тория и калия-40 служит движущим фактором нагрева мантии Земли. Следовательно, это тепло играет невероятно важную роль в тектонике плит.

• В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл явление радиоактивности благодаря работе с ураном.

• Уран обладает замечательной энергетической плотностью в результате ядерного деления. Один килограмм урановой руды производит 1404 мегаджоулей энергии, по сравнению с 93 МДж на 1 кг угля. Интересно, что один килограмм чистого урана-235 производит 5 184 000 МДж.

• Известно, что мелкодисперсный порошок оксида урана самопроизвольно воспламеняется при температуре 300 ° F, что представляет серьезную опасность на атомных электростанциях, которые часто работают при высоких температурах.

Уран в периодической таблице

Уран имеет атомный символ U с атомным номером 92. Он находится в f-блоке периодической таблицы Менделеева, с протактинием слева и нептунием справа. Уран занимает четвертое место в ряду актинидов периодической таблицы. Уран имеет электронную конфигурацию [Rn] 5f 3 6d 1 7s2. Кроме того, элемент имеет электроотрицательность 1,38 по шкале Полинга.

Применение урана в современном мире
Для чего используется элемент урана?
Уран имеет множество разнообразных применений в исследованиях, особенно для ученых, интересующихся радиоактивностью и ядерным делением или радиоактивным датированием. Тем не менее, война и энергетика обеспечивают наиболее известные и эффективные применения урана.

Уран в войне
После открытия урана в 1789 году этот элемент мало интересовал химиков более века. Однако в 1934 году команда, работавшая под руководством итальянского физика Энрико Ферми, обнаружила, что уран может испускать бета-лучи. Всего несколько лет спустя, в 1939 году, немецкие физики Отто Хан и Фриц Штрассман обнаружили свойства урана при осуществлении ядерного деления. Эти открытия заинтриговали многих физиков, поскольку они подразумевали, что при делении урана может выделяться огромное количество энергии. В конце 1930-х годов многие с ужасом и волнением представляли себе возможность использования ядерного деления для создания бомб с беспрецедентным разрушением. После начала Второй мировой войны эта возможность стала реальностью с рождением Манхэттенского проекта в 1942 году.

Между лабораториями в Лос-Аламосе, Нью-Йорк, Ок-Ридж, Теннесси и Чикаго международная группа ученых начала работу над первым ядерным оружием. В эту команду входили Энрико Ферми, Роберт Оппенгеймер, Лео Силард, Гленн Сиборг и десятки других. После многих лет исследований и испытаний 16 июля 1945 года в сельской местности Нью-Мексико произошло первое испытание ядерной бомбы. Менее чем через месяц урановая ядерная бомба под кодовым названием “Малыш” будет впервые и единственный раз использована в боевых действиях 6 августа в японском городе Хиросима, в результате чего погибло более 200 000 мирных жителей. После бомбардировки Нагасаки 9 августа бомбой “Толстяк” на основе плутония началась эпоха ядерной войны.

С окончанием Второй мировой войны Холодная война впоследствии подтолкнула многие страны по обе стороны конфликта к разработке своих программ создания ядерного оружия. Даже после окончания холодной войны большинство стран, таких как Соединенные Штаты, Россия и Китай, сохранили свои запасы ядерного оружия. К счастью, ни одна война со времен Второй мировой войны не была связана с ядерными бомбами.

Уран в ядерной энергетике
Помимо войны, уран также имеет важное применение в производстве электроэнергии путем ядерного деления. В частности, когда ядра урана расщепляются, они выделяют невероятное количество энергии, которая быстро превращается в тепло. Когда в воде происходит деление, вода нагревается и превращается в пар, который затем может активировать турбины, вырабатывая электричество.

Однако ученые-ядерщики должны интенсивно перерабатывать урановую руду для производства пригодного для использования ядерного топлива. Атомная промышленность чаще всего использует желтую урановую руду (U3o8) в качестве источника урана. Из атомов урана в желтом кеке только 0,7% составляют уран-235, изотоп, необходимый для надежного ядерного деления. Чтобы обогатить уран до минимальной доли в 3% от 235 U, оксид урана в желтом кеке вступает в реакцию с образованием UF6 (см. Соединения урана и реакции). При преобразовании в газовую фазу UF6 позволяет легко отделить 235 U посредством газовой диффузии.

Ядерная энергия существует с тех пор, как уран впервые заинтересовал ученых и военных для использования в военных целях. Однако в последние годы ядерная энергетика приобрела значительный интерес как способ борьбы с изменением климата. В отличие от угля или природного газа, ядерные реакторы, работающие на уране или плутонии, не выделяют CO2 напрямую для производства электроэнергии. Тем не менее, такие вопросы, как безопасность, доступность урановой руды, эффективность и стоимость, заставили многих усомниться в том, что ядерная энергия является лучшим источником энергии для борьбы с изменением климата.

Где находится элемент урана?
Горнодобывающие компании обычно добывают уран в форме окиси триурания (U3o8), содержащей от 0,25% до 23% в минеральных рудах. Чтобы сконцентрировать оксид урана, руды обрабатывают и выщелачивают сильной кислотой или щелочью, в результате чего образуется желтый уран (> 75% U3o8).

Большая часть урановых руд находится в центральной Евразии, Северной Америке и Австралии, при этом Казахстан, Канада и Австралия производят почти половину мирового урана желтого кека. Значительные операции по добыче урана также существуют в России, Нигере, России и Соединенных Штатах.

Когда и как был открыт элемент уран?
Элемент уран впервые стал известен человечеству в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом. В частности, Клапрот получил зеленовато-желтое вещество в форме гексагональных призм, растворив образец смоляной обманки в азотной кислоте. Хотя Клапрот позже утверждал, что выделил новый элемент, многие ученые правильно предположили, что он обнаружил только оксидное соединение. Только более чем полвека спустя, в 1841 году, кто-то (французский химик Эжен-Мельхиор Пилиго) успешно выделил элементарный уран.

Химия урана – соединения, реакции, изотопы, степени окисления
Соединения и реакции урана
Многие различные соединения включают уран. Наиболее известные классы соединений урана включают:

Оксиды: U3O8, UO2, UO3, UO, U2O5
Карбиды: UC, U2c3, UC2
Нитриды: UN, U2n3, UN2
Галогениды: UF6, UF4, UCl 4, UCl 3, UBr 3, UBr 4, UI 3, UI 4
Для преобразования между этими различными соединениями уран выполняет широкий спектр реакций.

При производстве ядерного топлива ученые должны выполнить серию реакций для превращения оксида урана в гексафторид урана:

U3O8 + 6HNO 3 > 3UO2(NO3)2 + 2H2O + 2H+

4UO 2(NO3)2 + 4NH3 + 4H+ + 3O2 > 2(NH4)2 U2o7 + 4NO 3–

(NH4)2 U2o7 + 2H2 > 2UO2 + 2NH3 + 3H2O

UO2 + 4HF > UF4 + 2H2O
МКФ 4 + F2 > МКФ 6

Кроме того, уран может превращаться в свою элементарную форму, где его степень окисления равна нулю. Затем элементарный уран может превращаться во все оксиды, карбиды, нитриды и галогениды с другими элементарными формами при высоких температурах:

4U + 5O2 > 2U2O5

C + U > UC

N2 + U > UN2

U + nx2 > ux2n (X = F, Cl, Br, I) (n = 2-3)

Выделение элементарного урана
По сравнению с большинством других металлов, уран имеет репутацию чрезвычайно трудного для выделения. В 1841 году Эжен-Мельхиор Пилиго успешно выделил уран, нагрев тетрахлорид урана с калием.

Вместо этого ученые-ядерщики используют уран для ядерной энергетики и военного вооружения в виде таблеток диоксида урана (UO2). После обогащения путем газовой диффузии гексафторида урана (UF6) ученые затем восстанавливают уран до UO2.

Изотопы урана
Уран в основном состоит из трех изотопов:

Уран-238 (238 U)
Естественное содержание: 99,28%
Период полураспада радиоактивного вещества: 4,47 x 10 9 лет
Цепочка распада: серия уран / радий
Примечания: Изотоп, наиболее часто встречающийся на Земле. Хотя 238 U не используется при делении ядра, он может подвергаться поглощению нейтронов, которое превращается в плутоний-239 посредством бета-излучения. 239 Pu, наоборот, может подвергаться ядерному делению.
Уран-235 (235 U)
Естественное содержание: 0,71%
Период полураспада радиоактивного вещества: 7,13 x 10 8 лет
Цепочка распада: серия актиний
Примечания: Изотоп, обычно используемый в ядерном оружии и ядерной энергии. В отличие от других изотопов, 235 U является делящимся, что означает, что он может расщепляться на фрагменты в результате ядерного деления. Затем эти фрагменты сталкиваются с последующими ядрами 235 U, начиная ядерную цепную реакцию.
Уран-234 (234 U)
Естественное содержание: 0,0054%
Период полураспада радиоактивного вещества: 2,48 x 10 5 лет
Цепочка распада: серия уран / радий
Степени окисления урана

Обычные степени окисления урана включают:

U(-I): U–, [U(CO)8]–
U(I): U+, U(C6h6)+
U(II): U2+, UO, UO2F2
U(III): U3+, UN, UH3
U(IV): U4+, UO2, UF4
U(V): U5+, U2o5, UF5
U(VI): U6+, UN2, UF6
Свойства элемента урана
Атомный символ: U
Температура плавления: 1503 К; 1132 ° C; 2070 °F
Температура кипения: 4404 К; 4131 °C; 7468 °F
Плотность: 19,1 г /мл
Атомный вес: 238,0289
Атомный номер: 92
Электроотрицательность: 1,38
Молярная теплоемкость: 27,67 Дж/ (моль * К)
Классификация: Актинид
Естественное содержание в земной коре: 2,7 промилле
Конфигурация электронной оболочки: [Rn] 5f 3 6d 1 7s 2
Стабильные изотопы: 234, 235, 238
Встречается в природе в минералах: уранинит (смоляная обманка), финчит, карнотит, коффинит
Токсичность: Токсичный

Где я могу купить элемент урана?
Небольшие количества чистого урана-238 можно купить у онлайн-продавцов, специализирующихся на образцах для образовательных целей. Поставщики химических веществ, такие как Sigma Aldrich, также продают определенные соли урана.