Свойства урана

Таблица изотопов урана

 

Символ  нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа  (а. е. м.)	Период  полураспада  (T1/2)
	Энергия возбуждения (кэВ)
217U	92	125	217,024370(90)	26(14) мс
218U	92	126	218,023540(30)	6(5) мс
219U	92	127	219,024920(60)	55(25) мкс
220U	92	128	220,024720(220)	60 нс
221U	92	129	221,026400(110)	700 нс
222U	92	130	222,026090(110)	1,4(7) мкс
223U	92	131	223,027740(80)	21(8) мкс
224U	92	132	224,027605(27)	940(270) мкс
225U	92	133	225,029391(12)	61(4) мс
226U	92	134	226,029339(14)	269(6) мс
227U	92	135	227,031156(18)	1,1(1) мин
228U	92	136	228,031374(16)	9,1(2) мин
229U	92	137	229,033506(6)	58(3) мин
230U	92	138	230,033940(5)	20,8 сут
231U	92	139	231,036294(3)	4,2(1) сут
232U	92	140	232,0371562(24)	68,9(4) года
233U	92	141	233,0396352(29)	1,592(2)·105 лет
234U	92	142	234,0409521(20)	2,455(6)·105 лет
234Um	1421,32(10)			33,5(20) мкс
235U	92	143	235,0439299(20)	7,04(1)·108 лет
235Um	0,0765(4)			26 мин
236U	92	144	236,0455680(20)	2,342(3)·107 лет
236Um	2750(10)			115 нс
237U	92	145	237,0487302(20)	6,75(1) сут
238U	92	146	238,0507882(20)	4,468(3)·109 лет
238Um	2 557,9(5)			280(6) нс
239U	92	147	239,0542933(21)	23,45(2) мин
239Um	20(20)			>250 нс
239Un	133,7990(10)			780(40) нс
240U	92	148	240,056592(6)	14,1(1) ч
241U	92	149	241,060330(320)	5 мин
242U	92	150	242,062930(220)	16,8(5) мин

 

 

1.5 Кристаллическая структура, атомный и ионный радиусы.

Металлический уран существует в трех кристаллических модификациях.

α-уран устойчив до 660°, он имеет ромбическую кристаллическую решетку, которую лучше всего можно представить как искаженную плотнейшую гексагональную упаковку. Структура α-урана совершенно отлична от структуры хрома, молибдена и вольфрама. Атомы металлического урана обладают такими свойствами, какими они обладали бы, если бы не имели сферической формы, и поэтому атомам урана в металлическом состоянии невозможно приписать определенного радиуса. β -уран устойчив между 660 и 770° и имеет, по-видимому, тетрагональную элементарную ячейку. β -уран по своей структуре родственен α-урану, но имеет элементарную ячейку значительно больших размеров и заметно более низкой симметрии.

Высокотемпературная γ-форма устойчива выше 770° и имеет объемноцентрированную кубическую структуру. В чистом уране и γ-модификации не могут быть фиксированы закалкой. Их структура изучена при помощи высокотемпературной камеры или путем стабилизации структуры молибденом или хромом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица полиморфных модификаций урана.

 

Фаза	Сингония	Характеристики элементарной ячейки	Период решетки			Схема элементарной ячейки
			a	b	c
α-U	Орторомбическая Cmcm	a ≠b ≠c; α = β = γ =90	0,2858	0,5877	0,4955
β-U	Тетрагональная P 42/mnm	a=b ≠c; α = β = γ =90	1,0759	___	0,5656
γ-U	Кубическая I m3m	a=b=c; α = β = γ =90	0,3524	___	___

 

1.6 Химические свойства урана.

Характерные степени окисления.

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

 

Кроме того, существует оксид U3O8. Степень окисления в нём формально дробная, а реально он представляет собой смешанный оксид урана (V) и (VI).

Нетрудно видеть, что по набору степеней окисления и характерных соединений уран близок к элементам 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 пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице.

 

Неметалл	Условия	Продукт
F2	20oC, бурно	UF6
Cl2	180oC для измельченного  500—600oC для компактного	Смесь UCl4, UCl5, UCl6
Br2	650oC, спокойно	UBr4
I2	350oC, спокойно	UI3, UI4
S	250—300oC спокойно  500oC горит	US2, U2S3
Se	250—300oC спокойно  500oC горит	USe2, U2Se3
N2	450—700oC  то же под давлением N  1300o	UN1.75  UN2  UN
P	600—1000oC	U3P4
C	800—1200oC	UC, UC2

 

 

Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

 

U + 2H2O →UO2 + 2H2 ↑

 

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO2 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(+3) (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:

 

4UCl3 + 2H2O →3UCl4 + UO2 + 2H2 ↑

 

Галогениды урана III образуются при восстановлении галогенидов урана (IV) водородом:

 

2UCl4 + H2 →2UCl3 + 2HCl (550—590оC)

 

или иодоводородом:

 

2UCl4 + 2HI →2UCl3 + 2HCl + I2 (500оC)

 

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 225оС, а выше 350оС он разлагается. Большую часть его реакций (например, реакцию с парами воды и кислотами) можно формально рассматривать как реакцию разложения с последующей реакцией металлического урана:

 

UH3 + 3HCl →UCl3 + 3H2 ↑

 

2UH3 + 7Cl2 →2UCl4 + 6HCl

 

Соединения урана IV

Уран (+4) образует легко растворимые в воде соли зелёного цвета. Они легко окисляются до урана (+6)

 

Соединения урана V

Соединения урана(+5) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

 

2UO2Cl →UO2Cl2 + UO2

 

Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:

 

2UCl5 →UCl4 + UCl6

 

а частично отщепляет хлор:

 

2UCl5 →2UCl4 + Cl2

 

Соединения урана VI

Степени окисления +6 соответствует оксид UO3. В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO22+:

 

UO3 + 2CH3COOH →UO2(CH3COO)2 + H2O

 

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:

 

2UO2(CH3COO)2 + 6NaOH →Na2U2O7 + 4CH3COONa + 3H2O

 

Из соединений урана (+6), не содержащих кислород, известны только гексахлорид UCl6 и фторид UF6. Последний играет важнейшую роль в разделении изотопов урана.

Соединения урана (+6) наиболее устойчивы на воздухе и в водных растворах.

Ураниловые соли, такие, как уранилхлорид, распадаются на ярком свету или в присутствии органических соединений.

Уран также образует ураноорганические соединения.

 

1.7 Механические свойства.

Уран — блестящий белый металл, по внешнему виду напоминающий сталь. Он хорошо поддается полировке. Уран недостаточно тверд для того, чтобы царапать стекло. Низкотемпературная форма полупластична и несколько тягуча, среднетемпературная форма хрупка, а высокотемпературная — пластична. Металл можно ковать, протягивать или выдавливать при высокой температуре; его можно также подвергать холодной обработке.

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 нейтронов238U 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.

 

1.8 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.