Химические свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома У. 7s2 6d1 5f3. У. относится к реакционноспособным металлам, в соединениях проявляет степени окисления + 3, + 4, + 5, + 6, иногда + 2; наиболее устойчивы соединения U (IV) и U (VI). На воздухе медленно окисляется с образованием на поверхности плёнки двуокиси, которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии У. пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует двуокись UO2 , трёхокись UO3 и большое число промежуточных окислов, важнейший из которых U3 O8 . Эти промежуточные окислы по свойствам близки к UO2 и UO3 . При высоких температурах UO2 имеет широкую область гомогенности от UO1,60 до UO2,27 . С фтором при 500–600°C образует тетрафторидирд (зелёные игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF6 (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4°C); с серой – ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее). При взаимодействии У. с водородом при 220 °С получается гидрид UH3 ; с азотом при температуре от 450 до 700 °С и атмосферном давлении – нитрид U4 N7 , при более высоком давлении азота и той же температуре можно получить UN, U2 N3 и UN2 ; с углеродом при 750–800°C – монокарбид UC, дикарбид UC2 , а также U2 C3 ; с металлами образует сплавы различных типов (см. Урановые сплавы ). У. медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO2 и H2 , с водяным паром – в интервале температур 150–250 °С; растворяется в соляной и азотной кислотах, слабо – в концентрированной плавиковой кислоте. Для U (VI) характерно образование иона уранила UO22 + ; соли уранила окрашены в жёлтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зелёный цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганическими, так и с органическими веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и др. комплексы. Известно большое число уранатов (солей не выделенной в чистом виде урановой кислоты), состав которых меняется в зависимости от условий получения; все уранаты имеют низкую растворимость в воде.
У. и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.
Получение. У. получают из урановых руд, содержащих 0,05–0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом У. в кислый раствор в виде UO2 SO4 или комплексных анионов [UO2 (SO4 )3 ]4- , а в содовый раствор – в виде [UO2 (CO3 )3 ]4- . Для извлечения и концентрирования У. из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органическими растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щёлочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидроокись U (OH)4 . Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO3 или U3 O8 ; эти окислы при 650–800°C восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO2 с последующим переводом его в UF4 обработкой газообразным фтористым водородом при 500–600°C. UF4 может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF4 ·nH2 O плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450°C в токе водорода. В промышленности основным способом получения У. из UF4 является его кальциетермическое или магниетермическое восстановление с выходом У. в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.
Очень важным процессом в технологии У. является обогащение его изотопом 235 U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изотопа в чистом виде (см. Изотопов разделение ), поскольку именно 235 U – основное ядерное горючее; осуществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и др. методами, основанными на различии масс 235 U и 238 U; в процессах разделения У. используется в виде летучего гексафторида UF6 . При получении У. высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критические массы; наиболее удобный способ в этом случае – восстановление окислов У. кальцием; образующийся при этом шлак CaO легко отделяется от У. растворением в кислотах.
Для получения порошкообразного У., двуокиси, карбидов, нитридов и др. тугоплавких соединений применяются методы порошковой металлургии.
Применение. Металлический У. или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах . Природная или малообогащённая смесь изотопов У. применяется в стационарных реакторах атомных электростанций, продукт высокой степени обогащения – в ядерных силовых установках или в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. 235 U является источником ядерной энергии в ядерном оружии .238 U служит источником вторичного ядерного горючего – плутония.
В. М. Кулифеев.
Уран в организме. В микроколичествах (10-5 –10-5 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В золе растений (при содержании У. в почве около·10-4 ) его концентрация составляет 1,5·10-5 %. В наибольшей степени У. накапливается некоторыми грибами и водорослями (последние активно участвуют в биогенной миграции У. по цепи вода – водные растения – рыба – человек). В организм животных и человека У. поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки. Соединения У. всасываются в желудочно-кишечном тракте – около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в лёгких всасываются соответственно 50% и 20%. Распределяется У. в организме неравномерно. Основные депо (места отложения и накопления) – селезёнка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, – лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. В крови У. (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание У. в органах и тканях животных и человека не превышает 10-7г/г . Так, кровь крупного рогатого скота содержит 1·10-8г/мл, печень 8·10-8г/г, мышцы 4·10-8г/г, селезёнка 9·10-8г/г . Содержание У. в органах человека составляет: в печени 6·10-9г/г , в лёгких 6·10-9 –9·10-9 г/г, в селезёнке 4,7·10-9г/г , в крови 4·10-9г/мл, в почках 5,3·10-9 (корковый слой) и 1,3·10-9г/г (мозговой слой), в костях 1·10-9г/г , в костном мозге 1·10-9г/г , в волосах 1,3·10-7г/г . У., содержащийся в костной ткани, обусловливает её постоянное облучение (период полувыведения У. из скелета около 300 сут ). Наименьшие концентрации У. – в головном мозге и сердце (10-10г/г ). Суточное поступление У. с пищей и жидкостями – 1,9·10-6г, с воздухом – 7·10-9г . Суточное выведение У. из организма человека составляет: с мочой 0,5·10-7 –5·10-7 , с калом – 1,4·10-6 –1,8·10-6г, с волосами – 2·10-8 г.
