Γεγονότα ουρανίου – Ατομικός αριθμός 92 Σύμβολο στοιχείου U

Το ουράνιο είναι ένα ραδιενεργό στοιχείο με ατομικό αριθμό 92 και σύμβολο στοιχείου U. Αυτό το γκρι μέταλλο χρησιμοποιείται σε πυρομαχικά, πανοπλίες, πυρηνικά όπλα και πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Ακολουθεί μια συλλογή από ενδιαφέροντα στοιχεία για το ουράνιο, όπως η ανακάλυψη, οι χρήσεις, οι πηγές και η τοξικότητα του στοιχείου.

Στοιχεία για το στοιχείο ουρανίου

Όνομα: Ουράνιο

Ατομικός αριθμός: 92

Σύμβολο στοιχείου: U

Ατομικό βάρος: 238.02891(3)

Εμφάνιση: Ασημί-γκρι μέταλλο

Περίοδος: Περίοδος 7

Αποκλεισμός: f-block

Οικογένεια στοιχείων: Ακτινίδη

Διαμόρφωση ηλεκτρονίου: [Rn] 5f 6d 7s

Ηλεκτρόνια ανά κέλυφος: 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2

Ανακάλυψη: Martin Klaproth (1789)

Προέλευση ονόματος: Πλανήτης Ουρανός

Ιστορία της Ανακάλυψης

Πριν από την ανακάλυψη του ουρανίου ως στοιχείου, το οξείδιο του χρησιμοποιήθηκε από τους Ρωμαίους τουλάχιστον ήδη από το 79 CE ως κίτρινη κεραμική χρωστική ουσία. Στο Μεσαίωνα, το pitchblende χρησιμοποιήθηκε ως χρωστική για γυαλί.

Ο Γερμανός χημικός Martin Heinrich Klaproth ανακάλυψε το ουράνιο το 1789. Ο Klaproth έλαβε μια κίτρινη ένωση διαλύοντας pitchblende σε νιτρικό οξύ και εξουδετερώνοντας το διάλυμα με υδροξείδιο του νατρίου. Πίστευε ότι η ένωση ήταν το οξείδιο ενός νέου στοιχείου, το οποίο ονόμασε για τον πλανήτη Ουρανό (ο οποίος ονομάζεται, με τη σειρά του, από τον Έλληνα θεό του ουρανού).

Το 1841, ο Γάλλος χημικός Eugène-Melchior Péligot έγινε ο πρώτος άνθρωπος που απομόνωσε ουράνιο. Πήρε το μέταλλο θερμαίνοντας τετραχλωριούχο ουράνιο με κάλιο.

Ισότοπα ουρανίου

Όλα τα ισότοπα ουρανίου είναι ραδιενεργά. Το φυσικό στοιχείο αποτελείται από τρία ισότοπα:ουράνιο-238 (99,28%), ουράνιο-235 (0,71%) και ουράνιο-234 (0,0054%). Αυτά τα ισότοπα εκπέμπουν σωματίδια άλφα και έχουν μικρή πιθανότητα αυθόρμητης σχάσης. Πέντε άλλα ισότοπα εμφανίζονται φυσικά σε ίχνη από ραδιενεργό διάσπαση και σύλληψη νετρονίων. Το Ουράνιο-238 είναι το πιο σταθερό ισότοπο, με χρόνο ημιζωής περίπου 4,468×10 έτη (περίπου την ηλικία της Γης).

Το «εμπλουτισμένο» ουράνιο είναι το ουράνιο που επεξεργάζεται έτσι ώστε να αποτελείται από 3% έως 5% ουράνιο-235. Η αύξηση της ποσότητας αυτού του ισοτόπου καθιστά το ουράνιο πιο σχάσιμο. Το ουράνιο εμπλουτίζεται με φυγόκεντρο αερίου. Εδώ, εξαφθοριούχο ουράνιο (UF₆ ) το αέριο σε μια φυγόκεντρο διαχωρίζεται με διάχυση μέσω μιας μεμβράνης αργύρου-ψευδαργύρου. Από το UF₆ είναι ελαφρώς βαρύτερο από το UF₆ , διαχέεται πιο αργά, οπότε το αέριο που περνά από τη μεμβράνη γίνεται ελαφρώς πλουσιότερο στο επιθυμητό ισότοπο. Άλλες μέθοδοι εμπλουτισμού ουρανίου περιλαμβάνουν τη θερμική διάχυση υγρού και τον διαχωρισμό ισοτόπων με λέιζερ ατομικού ατμού (AVLIS).

Βιολογικός ρόλος και τοξικότητα

Το ουράνιο δεν έχει καμία γνωστή βιολογική λειτουργία στα ζώα. Το στοιχείο είναι τοξικό για τους ανθρώπους, καθώς και ραδιενεργό. Οι ακτινολογικές επιδράσεις είναι κυρίως τοπικές (συνήθως στους πνεύμονες) επειδή τα σωματίδια άλφα δρουν σε μικρή απόσταση και δεν μπορούν να διεισδύσουν στο δέρμα. Η τοξικότητα από το στοιχείο επηρεάζει το αναπαραγωγικό σύστημα, τον εγκέφαλο, την καρδιά, το ήπαρ και τα νεφρά. Επιπλέον, ορισμένα προϊόντα διάσπασης ουρανίου είναι τοξικά και ραδιενεργά. Ο χειρισμός του μετάλλου μπορεί να γίνει με ασφάλεια, εφόσον λαμβάνεται μέριμνα ώστε να μην εισπνευστεί ή καταποθεί. Οι ενώσεις του ουρανίου είναι τοξικές.

Ενώ το ουράνιο είναι επιβλαβές για τους περισσότερους οργανισμούς, ορισμένα βακτήρια μετατρέπουν την κατάσταση οξείδωσης του στοιχείου από U(VI) σε U(IV) για να λάβουν ενέργεια για την ανάπτυξή τους. Τα είδη περιλαμβάνουν την Shewanella putrefaciens , Geobacter metallireducens και Burkholderia fungorum . Το βακτήριο Citrobacter και η λειχήνα Trapelia involuta μπορεί να απορροφήσει υψηλές συγκεντρώσεις ουρανίου.

Πηγές ουρανίου

Το ουράνιο (και όλα τα φυσικά στοιχεία με ατομικούς αριθμούς μεγαλύτερους από τον σίδηρο) σχηματίζεται από την ταχεία σύλληψη νετρονίων (διαδικασία r) σε συγχωνεύσεις σουπερνόβα και αστεριών νετρονίων. Το μεγαλύτερο μέρος του ουρανίου της Γης είναι αρχέγονο (υπάρχει όταν σχηματίστηκε ο πλανήτης), αν και μια μικρή ποσότητα παράγεται από τη ραδιενεργή διάσπαση του πλουτωνίου και του κουρίου.

Το ουράνιο είναι το στοιχείο με τον υψηλότερο ατομικό αριθμό που βρίσκεται σε αξιόλογες ποσότητες στον φλοιό της Γης. Είναι το 51ο πιο άφθονο στοιχείο και εμφανίζεται στο νερό, το έδαφος και τους βράχους σε συγκεντρώσεις που κυμαίνονται από 2 έως 4 ppm. Είναι περίπου 40 φορές πιο άφθονο από το ασήμι.

Το στοιχείο βρίσκεται σε πολλά ορυκτά, συμπεριλαμβανομένου του ουρανινίτη, του καρνοτίτη, του ουρανοφάνη, του αουτουνίτη, του κοφινίτη και του τομπερνίτη. Η εξόρυξη ουρανίου γίνεται στο Καζακστάν, τον Καναδά, την Αυστραλία, τον Νίγηρα, τη Ναμίμπια και τη Ρωσία.

Χρήσεις ουρανίου

Το ουράνιο έχει πολλές χρήσεις:

• Το ουράνιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή γλάσων κεραμικής, κίτρινου γυαλιού και γυαλιού βαζελίνης. Κάποτε, χρησιμοποιήθηκε στο Fiestaware.
• Χρησιμοποιείται ως άρωμα στη βαφή μαλλιού και μεταξιού.
• Το νιτρικό ουράνιο είναι φωτογραφικός γραφίτης.
• Χρησιμοποιείται για την κατασκευή στοιχείων από υπερουράνιο.
• Το ουράνιο-238 χρησιμοποιείται για την παραγωγή πλουτωνίου-239, το οποίο είναι ένα άλλο σχάσιμο στοιχείο.
• Χρησιμοποιείται για την κατασκευή πυρηνικών όπλων.
• Το ουράνιο χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε πυρηνικούς σταθμούς.
• Το απεμπλουτισμένο ουράνιο (ουράνιο χαμηλή περιεκτικότητα σε ουράνιο-235) χρησιμοποιείται για την κατασκευή διεισδυτικών πυρομαχικών, πανοπλιών και υλικού θωράκισης για πυρηνικά υλικά.
• Οξεικό ουρανύλιο και μυρμηκικό ουρανύλιο χρησιμοποιούνται για τη χρώση δειγμάτων για ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης.
• Λόγω του μεγάλου χρόνου ημιζωής του, το ουράνιο-238 χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της ηλικίας των πυριγενών πετρωμάτων.
• Το ουράνιο χρησιμοποιείται ως στόχος ακτίνων Χ για την παραγωγή ακτινοβολίας Χ υψηλής ενέργειας.

Ενώσεις ουρανίου

Το ουράνιο έχει πολλαπλές καταστάσεις οξείδωσης και σχηματίζει πολλές ενώσεις, όπως οξείδια, υδατοδιαλυτά άλατα (που σχηματίζουν πολύχρωμα διαλύματα), ανθρακικά, νιτρίδια, καρβίδια και υδρίδια. Yellowcake είναι το όνομα που δίνεται σε ένα μείγμα οξειδίων ουρανίου. Το ουράνιο εμφανίζεται πάντα σε ενώσεις και όχι ως φυσικό καθαρό μέταλλο.

Φυσικά δεδομένα

Πυκνότητα (θερμοκρασία δωματίου): 19,1 g/cm

Σημείο τήξης: 1405,3 K​(1132,2 °C, ​2070 °F)

Σημείο βρασμού: 4404 K​(4131 °C, ​7468 °F)

Κατάσταση στους 20ºC: στερεά

Heat of Fusion: 9,14 kJ/mol

Θερμότητα εξάτμισης: 417,1 kJ/mol

Μοριακή θερμική χωρητικότητα: 27.665 J/(mol·K)

Θερμική διαστολή: 13,9 μm/(m·K) (στους 25°C)

Θερμική αγωγιμότητα: 27,5 W/(m·K)

Κρυσταλλική δομή: Ορθορομβικό

Μαγνητική σειρά: Παραμαγνητικό

Ατομικά δεδομένα

Ατομική ακτίνα: εμπειρική:156 μ.μ.

Ομοιοπολική ακτίνα: 196±7 μ.μ.

Ακτίνα Van der Waals: 186 μ.μ.

Ηλεκτραρνητικότητα: Κλίμακα Pauling:1,38

1η Ενέργεια Ιονισμού: 597,6 kJ/mol

2η Ενέργεια Ιονισμού: 1420 kJ/mol

Κατάσταση οξείδωσης: +1, +2, +3, +4, +5, +6 (αμφοτερικό οξείδιο)

Ενδιαφέροντα στοιχεία για το ουράνιο

• Ο Henri Becquerel ανακάλυψε τη ραδιενέργεια το 1896 όταν παρατήρησε ένα δείγμα φωτογραφικών πλακών εκτεθειμένων σε ουράνιο που ήταν αποθηκευμένο κοντά.
• Το ουράνιο είναι πυροφορικό. Οι μεταλλικοί κόκκοι ουρανίου αναφλέγονται αυθόρμητα στον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου.
• Όπως τα περισσότερα μέταλλα, το ουράνιο είναι ελατό και όλκιμο. Σε αντίθεση με πολλά μέταλλα, είναι κακός ηλεκτρικός αγωγός.
• Το φρεσκοπαρασκευασμένο μέταλλο ουρανίου έχει ασημί χρώμα, αλλά οξειδώνεται γρήγορα στον αέρα και σκουραίνει.
• Η πλήρης σχάση ενός κιλού ουρανίου-235 παράγει θεωρητικά έως και 20 terajoules ενέργειας, που είναι τόση ενέργεια με 1,5 εκατομμύριο κιλά άνθρακα.
• Το μέταλλο ουράνιο έχει τρία αλλότροπα (κρυσταλλικές μορφές). Το άλφα αλλότροπο είναι ορθορομβικό και σταθερό μέχρι τους 668 °C. Το τετραγωνικό βήτα αλλοτρόπιο εμφανίζεται σε θερμοκρασίες μεταξύ 668 °C και 775 °C. Από τους 775 °C μέχρι το σημείο τήξης του στοιχείου, εμφανίζεται η μορφή γάμμα. Το γάμμα αλλοτρόπιο έχει κυβική δομή με επίκεντρο το σώμα και είναι η πιο εύπλαστη και εύπλαστη μορφή του μετάλλου.
• Λόγω της επίδρασης του ουρανίου στο αναπαραγωγικό σύστημα, οι ανθρακωρύχοι ουρανίου είναι πιο πιθανό να αποκτήσουν θηλυκά παιδιά.

Αναφορές

• Emsley, John (2001). "Ουράνιο". Τα δομικά στοιχεία της φύσης:Ένας οδηγός από το Α έως το Ω για τα στοιχεία . Οξφόρδη:Oxford University Press. σελ. 476–482. ISBN 978-0-19-850340-8.
• Morss, L.R.; Edelstein, Ν.Μ.; Fuger, J., eds. (2006). Η χημεία των στοιχείων ακτινιδών και τρανσακτινιδίων (3η έκδ.). Ολλανδία:Springer. ISBN 978-9048131464. doi:10.1007/1-4020-3598-5_5
• Seaborg, Glenn Τ. (1968). "Ουράνιο". Η Εγκυκλοπαίδεια των Χημικών Στοιχείων . Skokie, Illinois:Reinhold Book Corporation. σελ. 773–786. LCCCN 68-29938.