Ура́н (U, ; устар. название — ура́ний) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 92.
Относится к семейству актиноидов.
Простое вещество уран — слаборадиоактивный металл серебристо-белого цвета.
Уран — радиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. Самыми распространёнными изотопами урана являются уран-238 (имеет 146 нейтронов, период полураспада 4,47 лет, в природном уране составляет 99,2742 %) и уран-235 (143 нейтрона, период полураспада 7,13 лет, содержание в природном уране 0,7204 %).
История Ещё в древнейшие времена природный оксид урана использовался для изготовления жёлтой посуды. Так, возле Неаполя после извержения Везувия найден осколок жёлтого стекла, содержащий 1 % оксида урана и датируемый 79 годом н. э.
Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской руды настурана золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) в 1781 году Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда Георга», как предложил Гершель). Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 году французский химик Эжен Пелиго (1811—1890) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO2. В 1840 году Пелиго удалось получить простое вещество уран — тяжёлый металл серо-стального цвета — и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 году Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Менделеев удвоил это значение. Через 12 лет его предвидение было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана (J. Zimmermann).
В 1804 году немецкий химик Адольф Гелен открыл светочувствительность раствора хлорида уранила в эфире; это свойство французский изобретатель Абель Ньепс де Сен-Виктор в 1857 году пытался использовать в фотографии, однако обнаружил, что соли урана испускают некое невидимое излучение, экспонирующее светочувствительные материалы; на тот момент это наблюдение осталось незамеченным.
В 1896 году, исследуя уран, французский учёный Антуан Анри Беккерель случайно открыл радиоактивный распад. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа- и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. В мае 1900 года Поль Вийяр открыл третий вид излучения — гамма-лучи.
Резерфорд провёл в 1907 году первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория на основе созданной им совместно с Фредериком Содди теории радиоактивности.
В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчёте на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном в виде кинетической энергии осколков и излучения. Позднее теория этого явления была обоснована Лизой Мейтнер и Отто Фришем и независимо от них Готтфридом фон Дросте и Зигфридом Флюгге. Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.
В 1939—1940 годах химик и физик-ядерщик Ю. Б. Харитон и его ассистент Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.
2 декабря 1942 года в США была экспериментально доказана гипотеза о возможности процесса превращения урана в плутоний.
Физические свойства Полная электронная конфигурация атома урана: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f36d17s2.
Уран — очень тяжёлый, слабо радиоактивный глянцевитый металл серебристо-белого цвета. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Температура плавления 1132,3 °C. Уран имеет три кристаллические модификации: α-U (стабильна до 667,7 °C), ; β-U (стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), ; γ-U (существует от 774,8 °C до точки плавления при 1132,2 °C), .
Химические свойства Уран как химический элемент имеет следующие свойства:
Характерные степени окисления Уран может проявлять в водных растворах степени окисления от +3 до +6, вне контакта с водой наблюдается также степень окисления +2. Наиболее характерны степени окисления +4 и +6. Степень окисления Оксид Гидроксид Характер Форма Примечание +3 U2O3 Не существует -- U3+, UH3 Сильный восстановитель, вытесняет водород из воды +4 UO2 Не существует Основный UO2, галогениды +5 Не существует Не существует -- Галогениды В воде диспропорционирует +6 UO3 UO2(OH)2 Амфотерный UO22+ (уранил) UO42− (уранат) U2O72− (диуранат) Устойчив на воздухе и в воде
Кроме того, существует оксид U3O8. Степень окисления в нём формально дробная, а реально он представляет собой смешанный оксид урана(IV) и (VI).
Нетрудно видеть, что по набору степеней окисления и характерных соединений уран близок к элементам 6-й (VIB) подгруппы (хрому, молибдену, вольфраму). Из-за этого его длительное время относили к этой подгруппе («размывание периодичности»).
Свойства простого вещества Химически уран весьма активен. Он быстро окисляется на воздухе и покрывается радужной плёнкой оксида. Мелкий порошок урана пирофорен — самовоспламеняется на воздухе, он загорается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице. Неметалл Условия Продукт F2 +20 °C, бурно UF6 Cl2 180 °C для измельчённого, 500—600 °C для компактного Смесь , , Br2 650 °C, спокойно UBr4 I2 350 °C, спокойно UI3, UI4 S 250—300 °C спокойно 500 °C горит US2, U2S3 Se 250—300 °C спокойно 500 °C горит USe2, U2Se3 N2 450—700 °C то же под давлением N 1300 °C U4N7 UN2 UN P 600—1000 °C U3P4 C 800—1200 °C UC, UC2
Взаимодействует с водой, вытесняя водород, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:
В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO2 (на воздухе) или соли U4+ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO22+.
С растворами щелочей уран не взаимодействует.
При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.
Соединения урана(III) Соли урана(III) (преимущественно галогениды) — восстановители. На воздухе при комнатной температуре они обычно устойчивы, однако при нагревании окисляются до смеси продуктов. Хлор окисляет их до UCl4. Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:
Галогениды урана(III) образуются при восстановлении галогенидов урана(IV) водородом:
или иодоводородом:
а также при действии галогеноводорода на гидрид урана UH3.
Кроме того, существует гидрид урана(III) UH3. Его можно получить, нагревая порошок урана в водороде при температурах до 225 °C, а выше 350 °C он разлагается. Бо́льшую часть его реакций (например, реакцию с парами воды и кислотами) можно формально рассматривать как реакцию разложения с последующей реакцией металлического урана:
Соединения урана(IV) Уран(IV) образует легко растворимые в воде соли зелёного цвета (исключение составляют оксалаты и карбонаты). Они легко окисляются до урана(VI).
Соединения урана(V) Соединения урана(V) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:
Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:
а частично отщепляет хлор:
Соединения урана(VI) Степени окисления +6 соответствует оксид UO3. В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO22+:
C основаниями UO3 (аналогично CrO3, MoO3 и WO3) образует различные уранат-анионы (в первую очередь, диуранат U2O72-). Последние, однако, чаще получают действием оснований на соли уранила:
Из соединений урана(VI), не содержащих кислород, известны только гексахлорид UCl6 и фторид UF6. Последний играет важнейшую роль в разделении изотопов урана.
На воздухе и в водных растворах наиболее устойчивы среди соединений урана именно соединения урана(VI).
Ураниловые соли, такие, как уранилхлорид, распадаются на ярком свету или в присутствии органических соединений.
Уран также образует ураноорганические соединения.
Изотопы
Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (жирным выделены природные изотопы): Массовое число Период полураспада Основной тип распада 233 1,59 лет α 234 2,45 лет α 235 7,13 лет α 236 2,39 лет α 237 6,75 сут. β− 238 4,47 лет α 239 23,54 минуты β− 240 14 часов β−
Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада ), 235U (0,7200 %, ) и 234U (0,0055 %, ). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238UВ урановых рудах в следовых количествах присутствует уран-236, образующийся из урана-235 при нейтронном захвате; в ториевых рудах имеются следы урана-233, возникающего из тория-232 после нейтронного захвата и двух последовательных бета-распадов. Однако содержание этих изотопов урана настолько мало, что может быть обнаружено лишь в специальных высокочувствительных измерениях..
Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238U и его дочерним нуклидом 234U. В равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 235U в природном уране в 21 раз меньше активности 238U.
На данный момент известно 25 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 214 до 242. Наиболее важный из них — 233U (), он получается при облучении тория-232 нейтронами и способен к делению под воздействием тепловых нейтронов, что делает его перспективным топливом для ядерных реакторов. Наиболее долгоживущим из изотопов урана, не встречающихся в природе, является 236U с периодом полураспада .
Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца 206Pb и 207Pb.