Уран (U)

Чистый уран — серебристо-белый, слабо радиоактивный металл, который твёрже большинства элементов. Он ковкий, тягучий, слабо парамагнитный, сильно электроположительный и является плохим проводником электричества. Металлический уран имеет очень высокую плотность, примерно на 70% выше, чем у свинца, но немного ниже, чем у золота. Металлический уран существует в трёх кристаллографических модификациях: alpha > (688°C) > beta > (776°C) > gamma. Уран пирофорен в мелкодисперсном состоянии. Он немного мягче стали и в мелкодисперсном состоянии разлагается холодной водой. На воздухе металлический уран покрывается слоем оксида. Кислоты растворяют металл с образованием состояния окисления +3, которое быстро окисляется водой и воздухом с образованием более высоких степеней окисления. Металлический уран не подвергается воздействию щелочей. Металлический уран можно получить восстановлением галогенидов урана щелочными или щёлочноземельными металлами либо восстановлением оксидов урана кальцием, алюминием или углеродом при высоких температурах. Металл также можно получить электролизом KUF5 или UF4, растворённых в расплавленной солевой смеси CaCl2 и NaCl. Высокочистый уран можно получить термическим разложением галогенидов урана на раскалённой нити.

Металлический уран реагирует почти со всеми неметаллическими элементами и их соединениями, причём реакционная способность возрастает с повышением температуры. Соляная и азотная кислоты растворяют уран, однако неокисляющие кислоты, кроме соляной, действуют на элемент очень медленно. В мелкодисперсном состоянии он может реагировать с холодной водой. На воздухе металлический уран окисляется и покрывается тёмным слоем оксида урана. Уран образует разнообразные сплавы и соединения, при этом наиболее важными степенями окисления являются уран(IV) и уран(VI), а соответствующие им два оксида — это, соответственно, диоксид урана, UO2, и триоксид урана, UO3. Помимо оксидов, к другим важным соединениям урана относятся фториды, хлориды, бромиды, йодиды, карбонаты, гидриды, карбиды, нитриды, фосфаты и т. д. При комнатной температуре гексафторид урана, UF6, имеет высокое давление пара, что делает его полезным в процессе газовой диффузии, используемом для разделения редкого изотопа U-235 от распространённого изотопа U-238. Гидриды, нитриды и карбиды урана представляют собой относительно инертные полуметаллические соединения, мало растворимые в кислотах, и использовались в качестве стабильных топливных таблеток в технологии ядерных энергетических реакторов.

Уран существует в водных растворах в степенях окисления +3, +4, +5 и +6. Степень окисления +6 в виде иона UO22+ (жёлтого цвета) является наиболее стабильной в растворе. Уран в степени +5 в виде иона UO2+ бесцветен, довольно нестабилен и диспропорционирует (реагирует сам с собой) с образованием состояний +6 и +4. Состояние +4 (зелёное) достаточно стабильно в растворе, но состояние +3 (тёмно-зелёное или тёмно-красное в зависимости от источника освещения — дневной свет или люминесцентный свет) нестабильно и легко окисляется до +4. Состояние +4 в растворах с почти нейтральным pH легко гидролизуется с образованием чёрных осадков оксигидроксида.

Название происходит от планеты Уран, которая в римской мифологии была «Отцом Неба». Немецкий химик Мартин-Генрих Клапрот открыл этот элемент в 1789 году, после открытия Уильямом Гершелем планеты в 1781 году. Металлический уран был впервые выделен французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго в 1841 году.

Уран был открыт Мартином Генрихом Клапротом, немецким химиком, в минерале смоляная обманка (главным образом смесь оксидов урана) в 1789 году. Хотя Клапрот, как и все научное сообщество, считал, что вещество, извлеченное им из смоляной обманки, является чистым ураном, на самом деле это был диоксид урана (UO2). Обнаружив, что «чистый» уран странно реагирует с тетрахлоридом урана (UCl4), французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго выделил чистый уран, нагревая диоксид урана с калием в платиновом тигле. Радиоактивность была впервые обнаружена в 1896 году, когда французский физик Антуан Анри Беккерель выявил ее в образце урана. В настоящее время уран получают из урановых руд, таких как смоляная обманка, уранинит (UO2), карнотит (K2(UO2)2VO4·1-3H2O) и отенит (Ca(UO2)2(PO4)2·10H2O), а также из фосфатных пород (Ca3(PO4)2), лигнита (бурого угля) и монацитового песка ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO4). Поскольку спрос на металлический уран невелик, уран обычно продается в форме натрийдиураната (Na2U2O7·6H2O), также известного как yellow cake, или оксида триурана (U3O8).

Использование урана в его природной оксидной форме восходит к 79 году н. э., когда он применялся в качестве желтого красящего вещества в керамических глазурях. Желтое стекло с 1% оксида урана было найдено в древнеримской вилле близ Неаполя, Италия. В позднем Средневековье смоляную обманку добывали на серебряных рудниках и использовали в качестве красителя в стекольной промышленности. Открытие урана как элемента обычно приписывают Мартину Г. Клапроту. Проводя опыты со смоляной обманкой в 1789 году, он пришел к выводу, что она содержит новый элемент, который он назвал в честь недавно открытой планеты Уран (названной в честь греческого бога неба). На самом деле Клапрот идентифицировал не чистый элемент, а оксид урана. Чистый металл был впервые выделен в 1841 году Эженом-Мельхиором Пелиго, который восстановил безводный тетрахлорид урана металлическим калием.

В 1896 году Антуан Анри Беккерель обнаружил, что уран испускает невидимый свет или лучи; это была радиоактивность. В 1934 году исследования Энрико Ферми и других в конечном итоге привели к использованию деления урана в первом ядерном оружии, примененном в войне, а позднее — к мирному использованию урана в качестве топлива для производства ядерной энергии. Последовавшая гонка вооружений в период холодной войны между Соединенными Штатами и Советским Союзом привела к созданию десятков тысяч ядерных боезарядов, использовавших металлический уран и полученный из урана плутоний-239. Безопасность этого оружия и их делящегося материала после распада Советского Союза в 1991 году остается предметом постоянной обеспокоенности.

В 1972 году французский физик Франсис Перрен открыл древние и более не действующие доисторические природные ядерные реакторы деления в урановых рудных залежах на руднике Окло в Габоне, Западная Африка, получившие коллективное название ископаемых реакторов Окло. Рудное месторождение имеет возраст 1,7 миллиарда лет; в то время уран-235 составлял около 3% всего урана на Земле (0,72% сегодня). Этого достаточно, чтобы обеспечить устойчивую цепную реакцию ядерного деления при наличии других необходимых геологических условий.