К группе урановых металлов относят

Обновлено: 05.10.2024

В статье рассказывается о том, когда был открыт такой химический элемент, как уран, и в каких отраслях производства в наше время применяется это вещество.

Уран – химический элемент энергетической и военной промышленности

Во все времена люди пытались найти высокоэффективные источники энергии, а в идеале – создать так называемый вечный двигатель. К сожалению, невозможность его существования теоретически доказали и обосновали еще в XIX веке, но ученые все равно никогда не теряли надежды воплотить в жизнь мечту о некоего рода устройстве, которое было бы способно выдавать большое количество «чистой» энергии на протяжении очень долгого времени.

Частично это удалось воплотить в жизнь с открытием такого вещества, как уран. Химический элемент с данным названием лег в основу разработки атомных реакторов, которые в наше время обеспечивают энергией целые города, подводные лодки, полярные суда и прочее. Правда, «чистой» их энергию назвать нельзя, но в последние годы множество фирм разрабатывают для широкой продажи компактные «атомные батарейки» на основе трития – в них нет подвижных частей и они безопасны для здоровья.

Однако в этой статье мы подробно разберем историю открытия химического элемента под названием уран и реакцию деления его ядер.

Определение

Уран – химический элемент, который имеет атомный номер 92 в периодической таблице Менделеева. Атомная же масса его составляет 238,029. Обозначается он символом U. В нормальных условиях является плотным, тяжелым металлом серебристого цвета. Если говорить о его радиоактивности, то сам по себе уран – элемент, обладающий слабой радиоактивностью. Также он не имеет в своем составе полностью стабильных изотопов. А самым стабильным из существующих изотопов считается уран-338.

С тем, что собой представляет данный элемент, мы разобрались, а теперь рассмотрим историю его открытия.

История

Такое вещество, как природная окись урана, известно людям с глубокой древности, а использовали ее древние мастера для изготовления глазури, которой покрывали различную керамику для водонепроницаемости сосудов и других изделий, а также их украшения.

Важной датой в истории открытия этого химического элемента стал 1789 год. Именно тогда химик и немец по происхождению Мартин Клапрот смог получить первый металлообразный уран. А свое название новый элемент получил в честь открытой восемью годами ранее планеты.

Почти 50 лет полученный тогда уран считали чистым металлом, однако, в 1840 году химик из Франции Эжен-Мелькьор Пелиго смог доказать, что материал, полученный Клапротом, несмотря на подходящие внешние признаки, вовсе не металл, а оксид урана. Чуть позже все тот же Пелиго получил настоящий уран – очень тяжелый металл серого цвета. Именно тогда впервые и был определен атомный вес такого вещества, как уран. Химический элемент в 1874 году был помещён Дмитрием Менделеевым в его знаменитую периодическую систему элементов, причём Менделеев удвоил атомный вес вещества в два раза. И лишь спустя 12 лет опытным путем было доказано, что великий химик не ошибался в своих расчетах.

Радиоактивность

Но по-настоящему широкая заинтересованность этим элементом в научных кругах началась в 1896 году, когда Беккерель открыл тот факт, что уран испускает лучи, которые были названы в честь исследователя – лучи Беккереля. Позже одна из знаменитейших учёных в этой области – Мария Кюри, назвала это явление радиоактивностью.

Следующей важной датой в изучении урана принято считать 1899 год: именно тогда Резерфорд обнаружил, что излучение урана является неоднородным и делится на два типа – альфа- и бета-лучи. А год спустя Поль Виллар (Вийяр) открыл и третий, последний известный нам на сегодняшний день тип радиоактивного излучения – так называемые гамма-лучи.

Спустя семь лет, в 1906 году, Резерфорд на основе своей теории радиоактивности провел первые опыты, цель которых заключалась в том, чтобы определить возраст различных минералов. Эти исследования положили начало в том числе формированию теории и практики радиоуглеродного анализа.

Деление ядер урана

Но, наверное, наиважнейшее открытие, благодаря которому началась широкая добыча и обогащение урана как в мирных, так и военных целях, – это процесс деления ядер урана. Произошло это в 1938 году, открытие было осуществлено силами немецких физиков Отто Гана и Фрица Штрассмана. Позже эта теория получила научные подтверждения в работах еще нескольких немецких физиков.

Суть открытого ими механизма состояла в следующем: если облучать ядро изотопа урана-235 нейтроном, то, захватывая свободный нейтрон, оно начинает делиться. И, как мы все теперь знаем, процесс этот сопровождается выделением колоссального количества энергии. Происходит это в основном благодаря кинетической энергии самого излучения и осколков ядра. Так что теперь мы знаем, как происходит деление ядер урана.

Открытие этого механизма и его результатов и является отправной точкой для использования урана как в мирных, так и военных целях.

Если говорить о его применении в военных целях, то впервые теорию о том, что можно создать условия для такого процесса, как непрерывная реакция деления ядра урана (поскольку для подрыва ядерной бомбы необходима огромная энергия), доказали советские физики Зельдович и Харитон. Но чтобы создать такую реакцию, уран должен быть обогащен, поскольку в обычном своем состоянии нужными свойствами он не обладает.

С историей этого элемента мы ознакомились, теперь разберемся, где же он применяется.

Применение и виды изотопов урана

После открытия такого процесса, как реакция цепного деления урана, перед физиками стал вопрос, где можно его использовать?

В настоящее время существует два основных направления, где используют изотопы урана. Это мирная (или энергетическая) промышленность и военная. И первая, и вторая использует реакцию деления ядер изотопа урана-235, отличается лишь выходная мощность. Проще говоря, в атомном реакторе нет необходимости создавать и поддерживать этот процесс с той же мощностью, какая необходима для осуществления взрыва ядерной бомбы.

Итак, были перечислены основные отрасли, в которых используется реакция деления урана.

Но получение изотопа урана-235 – это необычайно сложная и затратная технологическая задача, и не каждое государство может позволить себе построить обогатительные фабрики. К примеру, для получения двадцати тонн уранового топлива, в котором содержание изотопа урана 235 будет составлять от 3-5%, потребуется обогатить более 153 тонн природного, «сырого» урана.

Изотоп урана-238 в основном применяют в конструктивной схеме ядерного оружия для увеличения его мощности. Также при захвате им нейтрона с последующим процессом бета-распада этот изотоп может со временем превращаться в плутоний-239 – распространенное топливо для большинства современных атомных реакторов.

Несмотря на все недостатки таких реакторов (большая стоимость, сложность обслуживания, опасность аварии), их эксплуатация окупается очень быстро, и энергии они производят несравнимо больше, чем классические тепловые или гидроэлектростанции.

Также реакция деления ядра урана позволила создать ядерное оружие массового поражения. Оно отличается огромной силой, относительной компактностью и тем, что способно делать непригодным для проживания людей большие площади земли. Правда, в современном атомном оружии применяется плутоний, а не уран.

Обедненный уран

Существует и такая разновидность урана, как обедненный. Он отличается очень низким уровнем радиоактивности, а значит, не опасен для людей. Применяется он опять-таки в военной сфере, к примеру, его добавляют в броню американского танка «Абрамс» для придания ей дополнительной крепости. Помимо этого, практически во всех высокотехнологичных армиях можно встретить различные снаряды с обедненным ураном. Помимо высокой массы, обладают они еще одним очень интересным свойством – после разрушения снаряда его осколки и металлическая пыль самовоспламеняются. И кстати, впервые такой снаряд применили во время Второй мировой войны. Как мы видим, уран – элемент, которому нашли применение в самых разных областях человеческой деятельности.

Заключение

По прогнозам ученых, примерно в 2030 году полностью истощатся все крупные месторождения урана, после чего начнется разработка труднодоступных его слоев и будет расти цена. Кстати, сама урановая руда абсолютно безвредна для людей – некоторые шахтеры работают на его добыче целыми поколениями. Теперь мы разобрались в истории открытия этого химического элемента и в том, как применяют реакцию деления его ядер.

Кстати, известен интересный факт – соединения урана долгое время применялись в качестве красок для фарфора и стекла (так называемое урановое стекло) вплоть до 1950-х годов.

Какие бывают виды металлов и сплавов?

Металлы окружают нас повсюду: их них сделаны автомобили, каркасы домов, бытовая техника, смартфоны и многие другие изобретения человечества. Но много ли мы о них знаем? Первое, что нужно знать о металлах — это то, что они делятся на черные и цветные. Из этих разновидностей металлы разделяются еще на несколько больших групп, в зависимости от их свойств. Давайте сразу же перейдем к конкретике. В этом материале мы вкратце разберемся, по каким признакам металлы разделяются по разным группам и в каких отраслях они применяются.

На сегодняшний день науке известно более 90 видов металлов и все они используются в самых разных сферах

Характеристика металлов

Металлы — это группа из более 90 простых веществ из периодической таблицы Менделеева. В природе они редко обнаруживаются в чистом виде, поэтому их чаще всего добывают из руды. Так называют вид полезных ископаемых, которые представляют собой соединение нескольких химических компонентов, вроде минералов и тех же самых металлов. Металлам характерны несколько свойств, по которым их разделяют по группам:

твердость — сопротивление к проникновению в материал другого, более твердого тела;
прочность — стойкость к разрушению под воздействием внешней нагрузки;
упругость — изменение формы материала под воздействием внешних сил и восстановление ее после того, как эти силы перестают на нее воздействовать;
пластичность — изменение формы материала под внешним воздействием и сохранение ее после устранения этого воздействия;
износостойкость — сохранение хорошего внешнего вида и физических свойств материала после сильного трения;
вязкость — способность материала вытягиваться под воздействием внешних сил;
усталость — свойство материала выдерживать многократные нагрузки;
жароустойчивость — сопротивление окислительным процессам при нагревании до высоких температур.

Недавно ученые создали улучшенный алюминиевый сплав 6063, который уничтожает бактерии. Считается, что из него можно будет изготавливать ручки дверей больниц и других общественных мест.

Черные металлы

Три главные особенности черных металлов: большая плотность, высокая температура плавления и темная окраска. Так как с черными металлами в чистом виде тяжело работать, в них добавляют легирующие компоненты — примеси для изменения физических и химических свойств основного материала.

Чтобы придать черным металлам форму, их сначала нагревают до высоких температур, а потом прессуют

Черные металлы делятся на 5 подгрупп:

Железные металлы

К ним относятся кобальт, никель и марганец. Они применяются как добавки к железу — чаще всего, из сплавов получают прочную сталь, которая используется в изготовлении различных деталей для крупной техники, ножей и других изделий.

Из стали изготавливаются прочные и красивые ножи причем не только кухонные

Тугоплавкие металлы

К этой подгруппе относятся ниобий, молибден, вольфрам и рений. Их общей чертой является то, что ох температура плавления выше, чем у железа — то есть, составляет более 1539 градусов Цельсия. Из них, как правило, изготавливают детали для техники и нити накаливания для различных лампочек.

Нити накаливания в лампочках, как правило, сделаны из вольфрама

Урановые металлы

В эту группу входят уран, калифорний и другие радиоактивные металлы. Они используются исключительно в отрасли атомной энергетики.

В древние времена уран использовался для изготовления желтой посуды

Редкоземельные металлы

В эту классификацию входят лаптан, празеодим, неодим и другие металлы. Все они серебристо-белого цвета и имеют практически полностью одинаковые химические свойства. Свое название редкоземельные материалы получили потому, что их трудно найти в земной коре. Они используются в атомной энергетике и машиностроении. Например, из редкоземельных металлов можно создавать стекла, которые не пропускают через себя ультрафиолетовые лучи.

Редкоземельный элемент скандий используется в ртутно-газовых лампах

Щелочноземельные металлы

В эту подгруппу входят бериллий, магний, кальций, радий и другие металлы. Все они окрашены природой в серый цвет и при комнатной температуре всегда остаются в твердом состоянии. В чистом виде они практически нигде не применяются, за исключением атомных реакторов.

Щелочноземельный элемент бериллий используют для изготовления рентгеновских трубок, через которые лучи выходят наружу

Цветные металлы

Цветные металлы стоят дороже черных, потому что более востребованы в мире. Они нужны при изготовлении автомобилей, строительстве домов и в области высоких технологий — именно они являются основными материалами при изготовлении смартфонов и другой электроники. В сфере строительства они нужны для изготовления всевозможных арматур, балок, уголков и так далее.

Железо и его сплавы относятся к черным металлам, а все остальное — это цветные металлы

Цветные металлы принято разделять на три группы:

Тяжелые металлы

Самыми яркими представителями этой категории цветных металлов считаются медь, латунь и бронза. Наибольшим спросом среди них пользуется медь, потому что она — отличный проводник электрического тока и широко применяется в электронике. Из латуни изготавливают различные проволоки, подшипники и другие металлические элементы. Из бронзы нередко делают памятники, потому что она не боится дождя, снега и механических повреждений.

Легкие металлы

Самые популярные легкие металлы, это алюминий, магний и титан. Их довольно легко расплавить, а также они легче черных металлов. Благодаря устойчивости к коррозии, высокой пластичности и небольшой массе, алюминий активно используется в строительстве самолетов и автомобилей. Магний широко применяется в изготовлении корпусов для различной техники, начиная с фотоаппаратов и заканчивая двигателями. Титан отличается высокой прочностью и небольшой массой, поэтому применяется при изготовлении космических ракет.

В воздухе алюминий мгновенно покрывается пленкой, которая защищает ее от возникновения ржавчины

Благородные металлы

К благородным металлам относятся золото, серебро и платина. Из-за сложности добычи и своей красоты, они считаются самыми дорогими разновидностями металлов. Их стоимость постоянно меняется и их можно купить в банках, тем самым вложив в них свои деньги. Также благородные металлы широко используются в ювелирном деле. Из них изготавливаются кольца, браслеты и прочие украшения.

Про алюминий можно почитать в материале про самые ценные металлы в мире

Виды сплавов

Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, сплавы состоят из основы, в которую входят несколько металлов, и так называемых легирующих элементов — они необходимы, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов.

В большинстве своем металлы, с которыми мы взаимодействуем — это сплавы

Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах.

Из металлических сплавов сегодня изготавливается практически все, вплоть до скамеек

По назначению сплавы делятся на конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей. Из инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты — например, различные молотки и ножи. А специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения — например, для предотвращения трения.

Как видно, металлов очень много и они сильно друг от друга отличаются. На тему металлов также рекомендую почитать материал, в котором я рассказал о самых интересных разновидностях этого материала. Вот знаете ли вы, как называется самый редкий металл на нашей планете и как его добывают?

Как добывается радиоактивный уран и для чего он используется?

Уран является редким и дорогим радиоактивным металлом, который окрашен в серебристый цвет. Раньше он использовался в качестве красящего вещества для изготовления керамики и цветного стекла. Однако, сегодня уран высоко ценится за способность его ядер к делению и выделению тепла — этот материал является основой атомной энергетики и атомного оружия. Существует мнение, что в будущем уран можно будет использовать для создания ракетных двигателей. Получается, что этот радиоактивный химический элемент играет в науке и даже в жизни обычных людей очень большую роль — от него зависит не только добыча электроэнергии и уровень вооружения, но и способность людей в будущем посещать далекие планеты вроде Марса и так далее. Поэтому, давайте выясним, как добывается уран, сколько он стоит и другую интересную информацию.

Образец урана — нужного в промышленности, но опасного для здоровья химического элемента

Как добывается уран?

Уран является редким радиоактивным металлом, по распространенности он находится на 38 месте. Его довольно много в земной коре, однако он очень рассеян и не образует мощных месторождений. В чистом виде он практически не встречается, поэтому его выделяют из минералов. Наиболее распространенным минералом урана считается урановая смолка, которая также известна как настуран. Помимо самого урана, в состав этого минерала входят радий, актиний, полоний и другие элементы — продукты радиоактивного распада его изотопов. Примерно 99,4% земного урана представляет собой уран-238, оставшиеся 0,6% приходятся на уран-235.

Настуран — минерал, содержащий в себе уран

Так как уран является радиоактивным металлом, его месторождения можно найти при помощи оборудования для измерения уровня радиации. Но добыча этого металла — очень опасная затея, потому что радиация вредит человеческому здоровью. Так как уран играет очень большую роль в современной промышленности, без его добычи никуда.

Существует три основных вида добычи урана:

открытый, применяемый в случаях, когда урановая руда находится на поверхностных слоях земной коры. Рабочие копают бульдозерами большую яму, загружают руду в грузовики и отправляют в перерабатывающий комплекс;
подземный, применяемый при глубоком расположении радиоактивного материала. Рабочие бурят вертикальную шахту глубиной до двух километров и поднимают руду при помощи специальных грузовых лифтов. Порода измельчается и очищается от примесей, в результате чего остается только осадок солей урана — он называется желтый кек (yellow cake) и после процесса прокаливания превращается в закись-окись урана, которым торгуют на бирже;
скважинное подземное выщелачивание, которое в корне отличается от первых двух способов. В этом случае рабочие бурят 6 скважин по углам шестиугольника, через которые в руду закачивают серную кислоту. После этого, в центре фигуры бурят еще одну дыру, которая используется для извлечения насыщенного солями урана раствора. Он пропускается через специальные колонны, чтобы соли урана остались только на специальной смоле. Далее из смолы изготавливается желтый кек, а из него — закись-окись урана.

Процесс добычи урана из карьера

Опасность урана для здоровья человека

Уран опасен не только потому, что обладает ионизирующим излучением — он является тяжелым металлом, имеющим свойство накапливаться в организме. Ионизирующее излучение провоцирует развитие раковых заболеваний, что многим из нас уже хорошо известно. А накапливание в организме тяжелых металлов ведет к их разрушению: в опасности находятся головной мозг, сердце, легкие, почки и другие важные органы человеческого организма. А если уран попадает в организм беременной женщины или ребенка, могут возникнуть серьезные проблемы в развитии. Опасные частицы урана могут проникнуть в тело самыми разными способами: при заглатывании, вдыхании и даже через трещины на коже.

Уран может нанести серьезный вред здоровью

Что такое обогащение урана?

В природном уране содержится три изотопа: уран-238, уран-235 и уран-234. Выше я уже отметил, что большая часть земного урана представляет собой изотоп 238, который достаточно стабилен и не способен к самостоятельному поддержанию цепной ядерной реакции. Чтобы создать ядерное топливо, среди всех изотопов нужно выделить именно изотоп уран-235 — этот процесс и называется обогащением урана.

Уран-235 является самым ценным изотопом

Газовые центрифуги для обогащения урана

Где добывается больше всего урана?

Уран можно найти практически в любой точке земного шара, но лидерами по его добыче являются Австралия, Канада и Казахстан. В некоторые годы в список самых крупных производителей урана попадают Китай и некоторые африканские страны. Безусловным лидером по запасам урана в мире уже много лет является Австралия. Если верить данным Всемирной ядерной ассоциации, в этой стране хранится около 31% всех мировых запасов урана. В этом нет ничего удивительного, потому что на территории Австралии имеется целых 19 месторождений урана. Среди них есть шахта Олимпик Дам, где ежегодно добывается до 3 000 тонн сырья для ядерного топлива.

Австралийская шахта Олимпик Дам

Как можно понять, Россия редко оказывается лидером в добыче урана. Но не все так плохо — страна занимает первое место по производству обогащенного урана, что является еще более сложной задачей, чем добыча. В большом успехе России в обогащении урана тоже нет ничего удивительного, потому что страна сама производит газовые центрифуги и владеет 40% мировых мощностей для обогащения химического элемента.

В России больше всего урана добывается в Краснокаменске

Сколько стоит уран?

Сырьем для изготовления ядерного топлива является закись-окись урана. Урановый рынок находился в не лучшем состоянии после ужасной аварии на японской атомной электростанции «Фукусима-1» в 2011 году. Но в 2020 году ситуация стала улучшаться и стоимость урана значительно возросла. По данным за начало марта 2022 года, цена за фунт (0,4 килограмма) закиси-окиси урана составляет около 48 долларов.

В продажу уран поступает в виде «таблеток»

Сообщается, что в основном уран необходим для питания 437 атомных энергоблоков, находящихся в разных уголках нашей планеты. Если верить открытым источникам, каждый год они потребляют до 62,5 тысяч тонн урана.

Если вам интересно, как работают атомные электростанции, рекомендую почитать этот материал. Также можете почитать о том, что будет, если на АЭС полностью отключат электричество — вот ссылка.

Уран – полезные свойства, особенности и угроза металла

Первое, что приходит на ум при упоминании этого химического элемента, – ядерная бомба и атомные станции. Уран используют ученые, энергетики, стеклодувы.

Что представляет собой

Уран – это химический элемент, занимающий ячейку 92 в периодической системе Д.Менделеева.

Относится к металлам семейства актиноидов (сюда же причислен плутоний). Радиоактивен, блестит подобно глянцевой стали.

По составу это смесь из трех изотопов: 234, 235, 238. Доля последнего – 99,3%. Он же (вместе с U 234) создает радиоактивность.

Схема деления 235U

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (жирным выделены природные изотопы):

Массовое число	Период полураспада	Основной тип распада
233	1,59⋅105 лет	α
234	2,45⋅105 лет	α
235	7,13⋅108 лет	α
236	2,39⋅107 лет	α
237	6,75 сут.	β−
238	4,47⋅109 лет	α
239	23,54 минуты	β−
240	14 часов	β−

Создано 11 искусственных изотопов.

Международное обозначение – U (Uranium).

История открытия

Человек начал использовать вещество еще до новой эры. Первой продукцией стала глазурь для керамики: разновалентные соединения урана создавали желтый, бурый, зеленый, черный цвет.

18 век

Систематическое изучение характеристик элемента началось в 18 веке:

Немецкий естествоиспытатель Генрих Клапрот исследовал золотисто-желтый концентрат, извлеченный из местной смоляной руды. Полученное вещество окрестил ураном – в честь обнаруженной незадолго до этого новой планеты Солнечной системы.
Через полвека француз Эжен Пелиго установил, что это не моновещество, а окисел. Он получил чистый металл и «взвесил» его.
В1874 году Дмитрий Менделеев отвел новому элементу последнюю ячейку таблицы, «вычислив» атомный вес – 240 (вдвое больше принятого тогда).

Предвидение Менделеева подтвердил экспериментально немец Циммерман.

19-20 века

История изучения вещества на новом уровне продолжилась на границе 19-20 веков:

Французский химик Анри Беккерель открыл лучи (позже названные его именем).
Мария Кюри назвала этот феномен радиоактивностью.
Анри Муассан (творец ювелирных муассанитов) создал пошаговую инструкцию по получению урана в форме металла.
Великий Эрнест Резерфорд выявил виды излучения урановых фрагментов – альфа- и бета-лучи. Поль Вийар пополнил список гамма-лучами.
Французско-немецкая команда – Фредерик Лиза Мейтнер, Жолио-Кюри, Отто Фриш – открыла феномен и формулу ядерной реакции.

Резерфорд первым начал экспериментировать с урановым материалом, пытаясь установить возраст горных пород.

Прорыв сотворили советские физики-теоретики Юлий Харитон и Яков Зельдович. Они доказали: незначительное обогащение урана изотопом 235 делает возможным процесс ядерного синтеза.

Нахождение в природе

Уран не относится к редким элементам.

Тонна земной коры содержит 3 грамма урана.

Локации нахождения вещества в природе:

Собственные образования вещества: урановые руды (настуран, или урановая смолка; уранинит, карнотит).

Минерал	Основной состав минерала	Содержание урана, %
Уранинит	UO2, UO3 + ThO2, CeO2	65-74
Карнотит	K2(UO2)2(VO4)2·2H2O	~50
Казолит	PbO2·UO3·SiO2·H2O	~40
Самарскит	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6	3,15-14
Браннерит	(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15	40
Тюямунит	CaO·2UO3·V2O5·nH2O	50-60
Цейнерит	Cu(UO2)2(AsO4)2·nH2O	50-53
Отенит	Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Шрекингерит	Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O	25
Уранофан	CaO·UO2·2SiO2·6H2O	~57
Фергюсонит	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4	0,2-8
Торбернит	Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Коффинит	U(SiO4)(OH)4	~50

В месторождениях урану сопутствуют кварц, молибденит, галенит, кальцит, другие минералы.

Месторождения

В литосфере вещество представлено массивами четырех видов.

Они рассредоточены по планете:

Уранинитовые жилы. Богатый, но редкий вид. Ценность вещества повышается наличием радия. Канада, Заир, Чехия,Франция.
Фосфатные руды, железоурановые сланцы. Швеция, Марокко, США, ЦАР, Ангола.
Осадочные породы, богатые карнотитом (с ванадием в составе). США.
Залежи ториево-урановой руды плюс золото,серебро, другие ценные компоненты минералов. Россия, Канада, Австралия, ЮАР.

В России главный поставщик сырья – Читинская область (93%).

Остальное дают рудники Курганской области и Бурятии.

Физико-химические характеристики

Чистый уран чуть мягче стали, пластичный, ковкий. Слабый парамагнетик. Структура кристаллической решетки вещества меняется при разных температурах.

Даже в обычных условиях металл химически активен:

Быстро окисляясь, покрывается переливчатой оксидной пленкой.
Измельченный до порошка спонтанно воспламеняется при 151°C.
Разъедается водой: чем выше температура и мельче фракции, тем быстрее.
Растворяется кислотами, устойчив к щелочам.
Соли вещества распадаются на ярком свету либо под воздействием органики.

Энергичное встряхивание сосуда с урановой стружкой заставляет ее светиться. По этому признаку элемент легко отличить от других.

Химические свойства вещества также определяются валентностью.

Свойства атома
Название, символ, номер	Уран / Uranium (U), 92
Атомная масса (молярная масса)	238,02891(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f3 6d1 7s2
Радиус атома	138 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	142 пм
Радиус иона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность	1,38 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В
Степени окисления	6, 5, 4, 3
Энергия ионизации (первый электрон)	686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,05 г/см³
Температура плавления	1405,5 K
Температура кипения	4018 K
Уд. теплота плавления	12,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения	417 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,67 Дж/(K·моль)
Молярный объём	12,5 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	орторомбическая
Параметры решётки	a = 2,854 Å; b = 5,870 Å; c = 4,955 Å
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 27,5 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-61-1

Четырехвалентные образцы урана нестабильны, долго находясь на воздухе, становятся шестивалентными.

Главная характеристика урана – радиоактивность. Ее величина считается достоинством либо недостатком в зависимости от целей использования вещества.

Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Форма	Примечание
+3	Не существует	Не существует	—	U3+, UH3	Сильный восстановитель
+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

Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены ниже в таблице.

Неметалл	Условия	Продукт
F₂	+20 o C, бурно	UF₆
Cl₂	180 o C для измельчённого 500—600 o C для компактного	Смесь UCl₄, UCl₅, UCl₆
Br₂	650 o C, спокойно	UBr₄
I₂	350 o C, спокойно	UI₃, UI₄
S	250—300 o C спокойно 500 o C горит	US₂, U₂S₃
Se	250—300 o C спокойно 500 o C горит	USe₂, U₂Se₃
N₂	450—700 o C то же под давлением N 1300 o	U₄N₇ UN₂ UN
P	600—1000 o C	U₃P₄
C	800—1200 o C	UC, UC₂

Технология получения

Микродозы урана в литосфере обусловили способ получения металлического вещества:

Обогащение. Сырье измельчают, заливают водой. Тяжелые первичные минералы урана осаждаются первыми.
Выщелачивание. На концентрат воздействуют серной кислотой либо щелочью. Из комплексных руд вещество выщелачивают продувкой при 150°C.
Из полученного раствора выделяют уран – экстракцией либо ионообменом. Это многоступенчатая процедура.
Для образования твердой формы вещества из него удаляют примеси. То есть технически чистое соединение вещества растворяют кислотой, кристаллизуют, прокаливают.
На выходе образуется трехокись. Ее восстанавливают до диоксида водородом.

На него воздействуют обезвоженным фтористым водородом. Добавляют магний либо кальций, восстанавливают металлический уран.

Производство обеспечивает четыре пятых потребности – остальное достают из списанных ядерных боеприпасов.

Как используется

Сфера применения тяжелого металла зависит от его вида.

Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл – уран

Обычный уран

Имеет специфичное и ограниченное применение:

Главный потребитель вещества – атомная промышленность. Уран 235 – топливо в ядерных реакторах, начинка ядерных, термоядерных боеприпасов (как и плутоний).

Уран-233 исследуется как топливо будущего для ядерных ракетных двигателей.

Мирная отрасль использования – геохимия. Вещество используют как маркер определения возраста минералов, горных пород и выяснения картины геологических процессов.
Его применяют в нефтяной геологии при исследовании скважин.

Стекловары добавляют микродозы вещества, чтобы получить продукт с эффектом флуоресценции желто-зеленой гаммы.

Буроватый фон фотографий начала XX века – заслуга соединения урана уранилнитрата.

Обедненный уран

Гораздо популярнее обедненный уран.

«Обедненный уран» – это уран-238, из которого изъяли изотопы 234 и 235. Его радиоактивность вдвое меньше природного материала.

Ему нашлось применение в военном и гражданском сегменте:

Сердечник бронебойных снарядов.
Урановые сплавы – материал танковой брони, например, натовского танка «Абрамс».
Балласт в ракетах, самолетах, яхтах.
Компонент гироскопов, маховиков.

Вещество используют при бурении нефтяных скважин и для защиты от радиации.

Влияние на организм

Нанодозы вещества (максимум – стотысячные доли процента) зафиксированы во всех биологических организмах. У человека самые уязвимые места – почки, селезенка, кости, печень, бронхи, легкие.

Однако радиоактивный металл, его соединения (особенно в виде аэрозолей) токсичны:

Организм поражается целиком до уровня клеток.
Первыми страдают почки (в моче появляются белок и сахар).
Угнетается деятельность ферментов.

Хроническая интоксикация влечет за собой сбои в нервной системе, кроветворении. Это недуг работников, занятых на добыче и переработке сырья.

Редкие металлы – перечень, классификация и значение

В «металлическом» сегменте таблицы Менделеева эта группа считается элитой. Список редких металлов невелик, но каждая позиция драгоценна. Их стоимость на мировом рынке подтверждает пословицу: «Что редко – дорого».

Понятие «редкие металлы» вошло в обиход с середины 1920-х годов. Тогда так называли элементы без собственных месторождений, рассеянные в массиве других руд.

Иногда отождествляются термины «редкий металл» и «редкий элемент». Это ошибка:

Редкие элементы – более широкое понятие.
Оно подразумевает металлы, неметаллы, инертные газы.
Из шести десятков позиций списка редких элементов на металлы приходится 50.

Второе наименование этой группы – менее обычные (привычные) металлы.

Что считается «менее обычным» материалом

К редким металлам относится элемент, соответствующий хотя бы одному критерию:

Малая распространенность в литосфере, рассеянность без коренных месторождений.
Сложная технология извлечения из руды, получения чистого вещества.
Новизна, неосвоенность материала для практического применения.

Последнее условие – самое мобильное. Развитие технологий, появление новых сфер использования, масштабирование производства переводят элемент в привычные.

Классификация

Материал распределяется по нескольким основаниям. Первая основа деления – по происхождению. Различают природный (натуральный) и созданный человеком.

Природные металлы

За основу принадлежности к группе берут свойство, более других влияющее на кондиции элемента либо благодаря которому он востребован.

По базовому признаку различают пять видов редких металлов:

Классификация однобока: многие элементы подпадают под разные группы:

Рубидий с цезием – легкие рассеянные.
Легкий тугоплав – титан.
Рассеянные тугоплавы – рений, гафний, вольфрам.

Есть деление по субъективному признаку. Редкими благородными металлами признаны золото, платина, родий. (Их второе название – драгоценные). А также платиноид осмий, плотность которого наивысшая среди веществ Земли.

Платина

Самые редкие цветные металлы, созданные природой, – осмий, галлий, тантал, рений.

Искусственные

Элементы, созданные на ядерных реакторах: технеций, нептуний, плутоний, прочие трансурановые.

Они причислены к радиоактивной группе.

Самый редкий металл на Земле – калифорний-282.

Ежегодный объем синтезирования калифорния – менее грамма. Глобальный резерв – пять граммов.

А слышали про металл туллий? Смотрите видео:

Где и как добываются

Источник редкостного материала – природные руды:

Почти всегда это конгломерат компонентов.
Доля металлов исчисляется тысячными либо меньше долями процента.
Стандартный способ добычи – закрытый (шахтный), реже – открытый карьерный.

Главный поставщик сырья на мировой рынок – Китай. Он диктует расклад, номенклатуру, цены. Главный потребитель – США.

Российский источник редкого сырья номер один – Кольский полуостров. На его руды, содержащие титан, приходится 40% разведанных запасов страны.

Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты

Редкие металлы вычленяют из отходов металлургического производства.

Обогащение сырья.
Выделение, разделение компонентов.
Очистка.
Восстановление.

Используется металлотермия, электролиз, плавка.

На тугоплавкую группу воздействуют методами порошковой металлургии.

Редкоземельные металлы « разлучают » экстракцией. Катализаторами выступают ионообменные процессы и органические растворители.

Где используются

В отличие от других сегментов промышленности, металлургия «менее привычных» элементов кризисы переносит спокойно. Это закономерно: материал добывается ограниченными партиями, дорогой, всегда востребован.

В чистом виде не используется: слишком накладно. Только как компонент сплавов либо легирующая добавка.

Традиционные сферы

Области использования редкостного материала:

Это также сплавы для нужд космического и оборонного комплекса (орудия, снаряды), взрывчатые вещества.

Новые направления

В новом тысячелетии на первый план вышло использование лития как материала компактных мощных батарей-аккумулятров и магнитов:

Батареями-аккумуляторами снабжают электромобили, смартфоны, планшеты, другие гаджеты.
Магниты присутствуют в объектах «зеленой» энергетики (солнечные панели, ветряки), автомобилях с гибридным двигателем, мониторах.

Материал поколения 2.0 – магнитопласт. Из него делают мини-динамики, гибкие панели, рекламную «инфраструктуру».

Калифорний-282 востребован геологами, физиками-ядерщиками, медициной.

Стоимость

Цены редких элементов различны, но всегда высоки.

Так, самый дорогой химический элемент – калифорний-282. Грамм оценивают в $250 млн.

Читайте также: