Элементы: замечательный сон профессора Менделеева - Аркадий Курамшин

92. Уран

Уран относится к самым известным, наверное — печально известным химическим элементам, Это самый тяжелый из элементов, который можно найти в земной коре, более того — уран более распространен в земной коре, чем серебро. Уран относится к восьми химическим элементам, названным в часть небесных объектов. Блестящий чёрный порошок, который в 1789 году выделил из саксонской руды, названной впоследствии уранитом, Мартин Генрих Клапрот, был не металлическим ураном, а оксидом урана. Клапрот, не зная, что это оксид, назвал новый «элемент» ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда короля Георга», как предложил первооткрыватель этого небесного тела английский астроном Уильям Гершель). Только в 1841 году французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго установил, что уран Клапрота это диоксид UO2, превратил его в тетрахлорид урана UCl4 и восстановил хлорид урана калием до металлического урана. Металлический уран ничем не отличается от типичных металлов — вещество с серебристо-белым блеском. Уран быстро тускнеет на воздухе, окисляясь, а если его измельчить — самовозгорается.

Химические свойства урана разнообразны и удивительны. Большой заряд его ядра приводит к тому, что релятивистские эффекты (влияние ядра на электроны, которое можно интерпретировать с помощью специальной теории относительности Эйнштейна) приводят к тому, что электронная конфигурация урана и его производных значительно отличается от таковой неодима, свойства которого должны были бы совпадать со свойствами урана при формальном применении Периодической системы.

Характеризуя химические свойства урана, его называют «самым тяжёлым переходным металлом». Это не совсем метафора — к переходным мы относим металлы с частично заполненным d-электронным подуровнем, а благодаря релятивистским эффектам формула внешнего электронного слоя урана 5f36d17s2, так что его вполне можно относить к переходным металлам (хотя, как правило, при классификации его принято относить к f-элементам, и не рассматривать как переходный металл). Приближает его к свойствам переходного металла и то, что он гораздо разнообразнее неодима и других лантаноидов по химическим свойствам и по окраске своих соединений. Тетрахлорид урана, с которым работал Пелиго, ярко-зелёного цвета, трийодид урана (UI3) тёмно-синий. Большую часть соединений урана сложно получить и охарактеризовать, так как они легко взаимодействуют с кислородом и влагой воздуха, и в области химии урана еще достаточно белых пятен и перспектив для исследования. Конечно же, сейчас химики изучают свойства урана не ради соединений с яркими цветами, а из-за того, чтобы понять, как лучше разбираться с радиоактивными отходами — концентрировать уран и получать соединения, из которых он не мог бы попадать в окружающую среду. В земной коре же и в большинстве известных соединений уран присутствует в форме уранил-катиона UO22+, образующего хорошо растворимые соединения, которые нежелательно использовать для связывания урана из отработанного ядерного топлива (ОЯТ) — в соли уранил-катиона могут медленно «вымываться» водой из захоронений отходов ядерной энергетики. На настоящий момент проблему ОЯТ решают, инкасупсулируя соединения элементов из нераспавшегося ядерного топлива в прочную керамику, которая, однако, в тысячелетней и более перспективе может разрушаться из-за распада входящих в нее радиоактивных компонентов и нарушения структуры кристаллической решетки керамики.

Однако, уран больше знаком большинству людей не по химическим свойствам и окрашенным соединениям, а как ядерное топливо. Если брать гражданскую сторону атомной энергетики (с военной всё ясно и так), отношение людей к атомным электростанциям неоднозначное. С одной стороны, рассуждая рационально, понятно, что атомные электростанции практически ничего не выбрасывают в окружающую среду, работая в замкнутом контуре, а с другой — печальный опыт аварий на Три-Майл-Айленде, в Чернобыле и в Фукусиме не всегда позволяет рассуждать рационально. Для получения топлива для АЭС природный уран, который в основном представлен нуклидом 238U, обогащают — выделяют из него 235U, содержание которого в природном уране всего 0.7 %. Оставшийся после обогащения уран (так называемый обеднённый уран) содержит около 0.2 % 235U. Обеднённый уран на 40 % менее радиоактивен, чем природный материал, и именно его применяют для химических экспериментов в лаборатории (химические свойства различных изотопов химических элементов не различаются, и «рецепты», полученные для 238U, можно будет использовать и для связывания 235U).

Высокая плотность урана позволяет применять его для деталей, которым нужна высокая прочность, например, для изготовления киля морских судов и наоборот — для бронебойных боеприпасов. Радиации от обеднённого урана, который распадается с выделением α-частиц, обладающих малой длиной пробега, следует, но ещё в большей степени опасна химическая токсичность урана, сравнимая с токсичностью ртути или свинца — большей части ветеранов войн в Персидском Заливе, имевшим дело с боеприпасами из обеднённого урана и обратившимся к врачам в связи с ухудшением состояния здоровья было продиагностировано не радиационное поражение, а химическое отравление.

Однако все же не стоит считать уран чем-то демоническим, несущим только тревогу и боль. Атомные электростанции вырабатывают около 17 % мировой электроэнергии, согревая дома. Уран согревает и Землю — предполагается, что внутреннее тепло Земли, обеспечивающее существование расплавленной мантии, обеспечивается распадом урана и тория.

И еще одно, возможно, неожиданное для многих применение хрусталя — в конце девятнадцатого — начале двадцатого века производители стекла получали особый «урановый хрусталь», добавляя к смеси для выплавки стекла неорганические производные урана, главным образом его оксиды.

При обычном дневном освещении урановый хрусталь и изделия из него выглядели желтовато-зелёными, а вот при облучении УФ-светом из-за способности производных урана к флуоресценции начинали светиться ярко-зеленым светом. Урана в стекло добавляли мало, посуда из уранового хрусталя считалась (и на самом деле являлась) не более опасной, чем посуда из хрусталя обычного (того который со свинцом — сервировать и есть пищу можно, а вот использовать для ее длительного хранения — не стоит).

С 1943 года уран стал стратегическим сырьем, на такую ерунду как посуда тратить его было запрещено. К 1958 году стало понятно, что обедненный (не использующийся для получения атомной энергии) уран точно также можно использовать для получения не менее красивого стекла, но к тому времени популярность уранового хрусталя упала, а радиофобия возросла, поэтому такое стекло больше не производится, а изделия из него остались только в музеях и частных коллекциях. Единственное, когда может быть опасен урановый хрусталь — когда его кусочки входят в состав браслета или бус — вот тут-то при длительном контакте такой красивой стекляшки с кожей поток α-частиц может стать причиной радиационного ожога.