- Молярная масса Урана
- Уран и его характеристики
- Общая характеристика урана
- Атомная и молекулярная масса урана
- Изотопы урана
- Ионы урана
- Молекула и атом урана
- Уран: физические и химические свойства
- Открытие урана (элемента)
- Физические свойства Урана
- Химические свойства Урана
- Получение Урана
- Применение Урана
- Уран в организме
- Токсическое действие Урана
Молярная масса Урана
Порядковый номер – 92. Металл d-семейства.
В обычных условиях уран представляет вещество серебристого цвета с глянцевой поверхностью. Тяжелый. Ковкий, гибкий и мягкий. Присущи свойства парамагнетиков.
Для урана характерно наличие трех модификаций: α-уран (ромбическая система), β-уран (тетрагональная система) и γ-уран (кубическая система), каждая из которых существует в определенном температурном диапазоне.
Молярная масса урана равна 238,0289г/моль.
Данное значение показывает отношение массы вещества (m) е число моль данного вещества (n), обозначается M и может быть рассчитано по формуле:
M = m / n.
Иными словами, молярная масса вещества – это масса 1 моль данного вещества, выраженная в г/моль или ккмоль.
Уран не может существовать в виде газа, только в форме твердого вещества, поэтому для нахождения значения его молярной массы нельзя использовать величину молярного объема или производить расчеты по формуле Менделеева-Клапейрона.
Уран и его характеристики
Общая характеристика урана
Содержание урана в земной коре оценивается в 3×10-4% (масс.), что соответствует общему количеству 1,3×1014 т металла.
Природные соединения урана многообразны; важнейшими минералами являются уранит (диоксид урана UO2), настуран (фаза переменного состава UO2,0-2,5) и карнотит (уранил-ванадат калия K2(UO2)2×(VO4)2×3H2O).
Уран представляет собой метал серебристого цвета с глянцевой поверхностью (рис.
1). Тяжелый. Ковкий, гибкий и мягкий.
Присущи свойства парамагнетиков. Для урана характерно наличие трех модификаций: α-уран (ромбическая система), β-уран (тетрагональная система) и γ-уран (кубическая система), каждая из которых существует в определенном температурном диапазоне.
Атомная и молекулярная масса урана
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии уран существует в виде одноатомных молекул U, значения его атомной и молекулярной масс совпадают.
Они равны 238,0289.
Изотопы урана
Известно, что в стабильных изотопов уран не имеет, однако природный уран состоит из смеси тех изотопов 238U (99,27%), 235U и 234U, которые являются радиоактивными.
Имеются нестабильные изотопы урана с массовыми числами от 217-ти до 242-х.
Ионы урана
На внешнем энергетическом уровне атома урана имеется три электрона, которые являются валентными:
1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25р 65d105f36s26р 66d17s2.
В результате химического взаимодействия уран отдает свои валентные электроны, т.е.
является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
U0 -3e → U3+.
Молекула и атом урана
В свободном состоянии уран существует в виде одноатомных молекул U. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу урана:
Энергия ионизации атома, эВ | 7,11 |
Относительная электроотрицательность | 1,38 |
Радиус атома, нм | 0,138 |
Уран: физические и химические свойства
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 состоит из смеси трех изотопов: 238U — 99,2739% с периодом полураспада T½ = 4,51·109 лет, 235U — 0,7024% (T½ = 7,13·108 лет) и 234U — 0,0057% (T½ = 2,48·105 лет).
Из 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240 долгоживущий — 233U (T½ = 1 ,62·105 лет); он получается при нейтронном облучении тория.
238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.
Открытие урана (элемента)
Уран открыт в 1789 немецким химиком М. Г. Клапротом и назван им в честь планеты Уран, открытой В. Гершелем в 1781.
В металлическом состоянии Уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго при восстановлении UCl4 металлическим калием. Первоначально Уран приписывали атомную массу 120, и только в 1871 году Д. И. Менделеев пришел 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 Урана в 1896 году и радия в 1898 году началась промышленного переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях и медицине. С 1942 года, после открытия в 1939 году явления деления ядер, Уран стал основным ядерным топливом.
Распространение Урана в природе. Уран — характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание Урана 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 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 Урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения Урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например, сероводородных).
Известно около 100 минералов Урана; промышленное значение имеют 12 из них. В ходе геологической истории содержание Урана в земной коре уменьшилось за счет радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов Рb, He.
Радиоактивный распад Урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.
Физические свойства Урана
Уран по цвету похож на сталь, легко поддается обработке.
Имеет три аллотропических модификации — α, β и γ с температурами фазовых превращений:
- α → β 668,8 °С, β → γ 772,2 °С; α-форма имеет ромбическую решетку (а = 2,8538Å, b = 5.8662Å, с = 4.9557Å),
- β-форма — тетрагональную решетку (при 720 °С а = 10,759Å, b = 5,656Å),
- γ-форма — объемноцентрированную кубическую решетку (при 850 °С а = 3,538Å).
Плотность Урана в α-форме (25 °С) 19,05 г/см3; t пл 1132 °С; t кип 3818 °С;
- теплопроводность (100-200 °С), 28,05 вт/(м·К) [0,067 кал/(см·сек·°С)], (200-400 °С) 29,72 вт/(м·К) [0,071 кал/(см·сек·°С)];
- удельная теплоемкость (25 °С) 27,67 кдж/(кг·К) [6,612 кал/(г·°С)];
- удельное электросопротивление при комнатной температуре около 3·10-7 ом·см, при 600 °С 5,5·10-7ом·см;
- обладает сверхпроводимостью при 0,68 К;
- слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10-6.
Механические свойства Урана зависят от его чистоты, от режимов механической и термической обработки.
Среднее значение модуля упругости для литого Уран 20,5·10-2 Мн/м2 [20,9·10-3кгс/мм2]; предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372-470 Мн/м2 [38-48 кгс/мм2]; прочность повышается после закалки из β- и γ-фаз; средняя твердость 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 Урана: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать Уран в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов.
Уран — 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 239Рu, ядерные свойства которого близки к 235U. Критическая масса Урана (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 Урана
Конфигурация внешней электронной оболочки атома Урана 7s26dl5f3. Уран 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 пленки оксида (IV), которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии Уран пирофорен и горит ярким пламенем.
С кислородом образует оксид (IV) UO2, оксид (VI) UО3 и большое число промежуточных оксидов, важнейший из которых U3O8.
Эти промежуточные оксиды по свойствам близки к UO2 и UO3. При высоких температуpax UO2 имеет широкую область гомогенности от UO1, 60 до UO2,27.
С фтором при 500-600 °С образует тетрафторид UF4 (зеленые игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF6 (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4 °С); с серой — ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее).
При взаимодействии Урана 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 °С — монокарбид UC, дикарбид UC2, а также U2С3; с металлами образует сплавы различных типов.
Уран медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO2 н Н2, 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 UO22+; соли уранила окрашены в желтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зеленый цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганических, так и с органических веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и других 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 и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.
Получение Урана
Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на γ-излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом Урана в кислый раствор в виде UО2SO4 или комплексных анионов [UO2(SO4)3]4-, а в содовый раствор — в виде [UО2(СО3)3]4-.
Для извлечения и концентрирования Урана из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органических растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щелочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидрооксид 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 U3О8; эти оксиды при 650-800 °С восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO2 с последующим переводом его в UF4 обработкой газообразным фтористым водородом при 500-600 °С.
UF4 может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF4·nН2О плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450 °С в токе водорода. В промышленности основные способом получения Уран из UF4 является его кальциетермическим или магниетермическим восстановление с выходом Урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.
Очень важным процессом в технологии Урана является обогащение его изотопом 235U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изотопа в чистом виде, поскольку именно 235U — основные ядерное горючее; осуществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и другими методами, основанными на различии масс 238U и 235U; в процессах разделения Уран используется в виде летучего гексафторида UF6.
При получении Урана высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критические массы; наиболее удобный способ в этом случае — восстановление оксидов Урана кальцием; образующийся при этом шлак СаО легко отделяется от Урана растворением в кислотах. Для получения порошкообразного Урана, оксида (IV), карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений применяются методы порошковой металлургии.
Применение Урана
Металлический Уран или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах.
Природная или малообогащенная смесь изотопов Урана 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.
Уран в организме
В микроколичествах (10-5-10-8%) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В золе растений (при содержании Уран в почве около 10-4%) его концентрация составляет 1,5·10-5%.
В наибольшей степени Уран накапливается некоторыми грибами и водорослями (последние активно участвуют в биогенной миграции Урана по цепи вода — водные растения — рыба — человек).
В организм животных и человека Уран поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки.
Соединения Уран всасываются в желудочно-кишечном тракте — около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в легких всасываются соответственно 50% и 20%.
Распределяется Уран в организме неравномерно. Основное депо (места отложения и накопления) — селезенка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, — легкие и бронхолегочные лимфатические узлы.
В крови Уран (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание Уран 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 4·10-11 г/г, селезенка 9·108-8 г/г. Содержание Урана в органах человека составляет: в печени 6·10-9 г/г, в легких 6·10-9-9·10-9г/г, в селезенке 4,7·10-7г/г, в крови 4-10-10 г/мл, в почках 5,3·10-9 (корковый слой) и 1,3·10-8 г/г (мозговой слой), в костях 1·10-9 г/г, в костном мозге 1 -Ю-8 г/г, в волосах 1,3·10-7 г/г.
Уран, содержащийся в костной ткани, обусловливает ее постоянное облучение (период полувыведения Урана из скелета около 300 суток). Наименьшие концентрации Урана — в головном мозге и сердце (10-10 г/г).
Суточное поступление Урана с пищей и жидкостями — 1,9·10-6 г, с воздухом — 7·10-9 г. Суточное выведение Уран из организма человека составляет: с мочой 0,5·10-7- 5·10-7г, с калом — 1,4·10-6-1,8·10-6 г, с волосами — 2·10-8 г.
По данным Международной комиссии по радиационной защите, среднее содержание Урана в организме человека 9·10-5 г. Эта величина для различных районов может варьировать. Полагают, что Уран необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений.
Токсическое действие Урана
Токсическое действие Уран обусловлено его химические свойствами и зависит от растворимости: более токсичны уранил и других растворимые соединения Урана.
Отравления Ураном и его соединениями возможны на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и других промышленного объектах, где он используется в технологическом процессе. При попадании в организм Уран действует на все органы и ткани, являясь общеклеточным ядом.
Признаки отравления обусловлены преимущественным 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 Урана связан с его способностью подавлять активность ферментов.