Уран (U)

Чистый уран — серебристо-белый слаборадиоактивный металл, более твердый, чем большинство элементов. Он ковкий, пластичный, слабо парамагнитный, сильно электроотрицательный и является плохим проводником электричества. Металлический уран имеет очень высокую плотность, примерно на 70% большую, чем у свинца, но немного меньшую, чем у золота. Металлический уран существует в трех кристаллографических модификациях: alpha > (688°C) > beta > (776°C) > gamma. Уран пирофорен в мелкоизмельченном состоянии. Он немного мягче стали и в мелкодисперсном состоянии разлагается холодной водой. На воздухе металлический уран покрывается слоем оксида. Кислоты растворяют металл, образуя состояние окисления +3, которое быстро окисляется водой и воздухом с образованием более высоких степеней окисления. Металлический уран не подвержен действию щелочей. Металлический уран может быть получен восстановлением галогенидов урана щелочными или щелочноземельными металлами либо восстановлением оксидов урана кальцием, алюминием или углеродом при высоких температурах. Металл также может быть получен электролизом KUF5 или UF4, растворенных в расплавленной солевой смеси CaCl2 и NaCl. Высокочистый уран может быть получен термическим разложением галогенидов урана на раскаленной нити.

Металлический уран реагирует почти со всеми неметаллическими элементами и их соединениями, причем реакционная способность возрастает с температурой. Соляная и азотная кислоты растворяют уран, но неокисляющие кислоты, кроме соляной кислоты, очень медленно воздействуют на элемент. В мелкодисперсном состоянии он может реагировать с холодной водой. На воздухе металлический уран окисляется и покрывается темным слоем оксида урана. Уран образует разнообразные сплавы и соединения, при этом наиболее важными состояниями окисления являются уран(IV) и уран(VI), а соответствующие им два оксида — это соответственно диоксид урана, UO2, и триоксид урана, UO3. Помимо оксидов, другие важные соединения урана включают фториды, хлориды, бромиды, иодиды, 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 распространенного изотопа U-238. Гидриды, нитриды и карбиды урана представляют собой относительно инертные полуметаллические соединения, слабо 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+ (желтого цвета) является наиболее стабильной в растворе. Уран в степени +5 в виде иона UO2+ бесцветен, весьма нестабилен и диспропорционирует (реагирует сам с собой) с образованием состояний +6 и +4. Состояние +4 (зеленое) в растворе достаточно стабильно, однако состояние +3 (темно-зеленое или темно-красное в зависимости от источника освещения — дневной свет или флуоресцентный свет) нестабильно и легко окисляется до +4. Состояние +4 в растворах с близким к нейтральному pH легко гидролизуется с образованием черных оксогидроксидных осадков.

Название происходит от планеты Уран, которая в римской мифологии была «Отцом Небом». Немецкий химик Мартин-Генрих Клапрот открыл элемент в 1789 году, после открытия планеты Уильямом Гершелем 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 смолистая обманка (преимущественно смесь оксидов урана) в 1789 году. Хотя Клапрот, как и вся научная общественность, считал, что вещество, извлечённое им из смолистой обманки, является чистым ураном, на самом деле это был диоксид урана (UO2). После того как было замечено, что «чистый» уран странно реагирует с тетрахлоридом урана (UCl4), французский химик Эжен-Мельхуа́р Пелиго выделил чистый уран, нагревая диоксид урана с калием в платиновом тигле. Радиоактивность была впервые обнаружена в 1896 году, когда Антуан Анри Беккерель, французский физик, обнаружил её в образце урана. В настоящее время уран получают из урановых руд, таких как смолистая обманка, уранинит (UO2), карнотит (K2(UO2)2VO4·1-3H2O) и автунит (Ca(UO2)2(PO4)2·10H2O), а также из фосфоритной породы (Ca3(PO4)2), лигнита (бурого угля) и монацитового песка ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO4). Поскольку спрос на металлический уран невелик, уран обычно продают в виде уранилдинатрия (Na2U2O7·6H2O), также известного как yellow cake, или триоксида урана (U3O8).

Использование урана в его природной оксидной форме восходит к 79 году н. э., когда он применялся как жёлтый красящий агент в керамических глазурях. Жёлтое стекло с 1 % оксида урана было обнаружено в древнеримской вилле близ Неаполя, Италия. В позднем Средневековье смолистую обманку добывали на серебряных рудниках и использовали как красящий агент в стекольной промышленности. Идентификация урана как элемента обычно приписывается Мартину Г. Клапроту. В ходе экспериментов со смолистой обманкой в 1789 году он пришёл 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 А. 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 первой ядерной бомбе, применённой в войне, а позднее — к мирному использованию урана как топлива в атомной энергетике. Последовавшая гонка вооружений в период холодной войны между Соединёнными Штатами и Советским Союзом привела к созданию десятков тысяч ядерных боеприпасов, использовавших металлический уран и плутоний-239, полученный из урана. Безопасность этих вооружений и их делящегося материала после распада Советского Союза в 1991 году остаётся актуальной проблемой.

В 1972 году французский физик Франсис Перрен обнаружил древние и уже неактивные доисторические природные ядерные реакторы деления в залежах урановой руды на руднике Окло в Габоне, Западная Африка, вместе известные как ископаемые реакторы Окло. Месторождению руды 1,7 миллиарда лет; в то время уран-235 составлял около 3 % от общего количества урана на Земле (0,72 % сегодня). Этого достаточно для возникновения устойчивой цепной реакции ядерного деления при наличии других необходимых геологических условий.