Free Press

Uraani (U), radioaktiivinen kemiallinen alkuaine jaksollisen järjestelmän aktinoidien sarjassa, jonka järjestysluku on 92. Se on tärkeä ydinpolttoaine.

Britannica-tietokilpailu

118 jaksollisen järjestelmän nimet ja symbolit Tietokilpailu

Jaksollinen järjestelmä koostuu 118 alkuaineesta. Kuinka hyvin tunnet niiden symbolit? Tässä tietokilpailussa sinulle näytetään kaikki 118 kemiallista symbolia, ja sinun on valittava sen kemiallisen alkuaineen nimi, jota kukin symboli edustaa.

Uraania on noin kaksi miljoonasosaa maankuoressa. Joitakin tärkeitä uraanimineraaleja ovat pitchblende (epäpuhdas U3O8), uraniniitti (UO2), karnotiitti (kaliumuraanivanadaatti), autuniitti (kalsiumuraanifosfaatti) ja torberniini (kupariuraanifosfaatti). Nämä ja muut hyödynnettävät uraanimalmit sisältävät ydinpolttoaineiden lähteinä moninkertaisesti enemmän energiaa kuin kaikki tunnetut hyödynnettävät fossiilisten polttoaineiden esiintymät. Yhdestä kilosta uraania saadaan yhtä paljon energiaa kuin 1,4 miljoonasta kilosta hiiltä.

Lisätietoja uraanimalmiesiintymistä sekä kaivostoiminnasta, jalostuksesta ja talteenottomenetelmistä on kohdassa Uraanin jalostus. Vertailevia tilastotietoja uraanin tuotannosta, ks. taulukko.

Uraani on tiheä, kova metallinen alkuaine, joka on väriltään hopeanvalkoinen. Se on sitkeää, muokattavaa ja kestää korkeaa kiillotusta. Ilmassa metalli himmenee ja hienojakoisena hajoaa liekkeihin. Se johtaa suhteellisen huonosti sähköä. Vaikka metallin löysi (1789) saksalainen kemisti Martin Heinrich Klaproth, joka nimesi sen tuolloin hiljattain löydetyn Uranus-planeetan mukaan, itse metallin eristi ensimmäisen kerran (1841) ranskalainen kemisti Eugène-Melchior Péligot pelkistämällä uraanitetrakloridia (UCl4) kaliumilla.

Venäläisen kemistin Dmitri Mendelejevin vuonna 1869 tekemä jaksollisen järjestelmän muotoilu kiinnitti huomion uraaniin raskaimpana kemiallisena alkuaineena, ja tämä asema säilyi siihen asti, kunnes ensimmäinen transuraanielementti neptunium löydettiin vuonna 1940. Vuonna 1896 ranskalainen fyysikko Henri Becquerel havaitsi uraanissa radioaktiivisuuden ilmiön, josta ranskalaiset fyysikot Marie ja Pierre Curie käyttivät ensimmäisen kerran termiä vuonna 1898. Tämä ominaisuus havaittiin myöhemmin monissa muissa alkuaineissa. Nykyään tiedetään, että uraani, joka on radioaktiivinen kaikissa isotoopeissaan, koostuu luonnostaan uraani-238:n (99,27 prosenttia, puoliintumisaika 4 510 000 000 vuotta), uraani-235:n (0,72 prosenttia, puoliintumisaika 713 000 000 vuotta) ja uraani-234:n (0,006 prosenttia, puoliintumisaika 247 000 vuotta) seoksesta. Näiden pitkien puoliintumisaikojen ansiosta maapallon iän määrittäminen on mahdollista mittaamalla lyijyn, uraanin lopullisen hajoamistuotteen, määrää tietyissä uraania sisältävissä kivissä. Uraani-238 on uraanin radioaktiivisen hajoamissarjan emo ja uraani-234 yksi sen tyttäristä; uraani-235 on aktiniumin hajoamissarjan emo. Katso myös aktinoidinen alkuaine.

Uraani-alkuaineesta tuli intensiivisen tutkimuksen ja laajan kiinnostuksen kohde sen jälkeen, kun saksalaiset kemistit Otto Hahn ja Fritz Strassmann havaitsivat loppuvuodesta 1938 ilmiön, jossa hitaiden neutronien pommittamassa uraanissa tapahtuu ydinfissio. Italialaissyntyinen amerikkalainen fyysikko Enrico Fermi ehdotti (alkuvuodesta 1939), että neutronit saattaisivat olla fissiotuotteiden joukossa ja voisivat siten jatkaa fissiota ketjureaktiona. Unkarilaissyntyinen yhdysvaltalainen fyysikko Leo Szilard, yhdysvaltalainen fyysikko Herbert L. Anderson, ranskalainen kemisti Frédéric Joliot-Curie ja heidän työtoverinsa vahvistivat (1939) tämän ennusteen; myöhemmät tutkimukset osoittivat, että fissiossa vapautuu keskimäärin 21/2 neutronia atomia kohti. Nämä löydöt johtivat ensimmäiseen itseään ylläpitävään ydinketjureaktioon (2. joulukuuta 1942), ensimmäiseen atomipommikokeeseen (16. heinäkuuta 1945), ensimmäiseen sodankäynnissä pudotettuun atomipommiin (6. elokuuta 1945), ensimmäiseen atomikäyttöiseen sukellusveneeseen (1955) ja ensimmäiseen täydessä mittakaavassa toimivaan ydinkäyttöiseen sähkögeneraattoriin (1957).

Fissio tapahtuu hitaiden neutronien avulla suhteellisen harvinaisessa isotoopissa uraani-235 (ainoa luonnossa esiintyvä halkeamiskelpoinen aine), joka on erotettava runsaasta isotoopista uraani-238 sen eri käyttötarkoituksia varten. Uraani-238 kuitenkin muuttuu neutronien absorboimisen ja negatiivisen beetahajoamisen jälkeen synteettiseksi alkuaineeksi plutoniumiksi, joka on hitaasti neutronien avulla halkeava. Luonnonuraania voidaan siis käyttää konvertteri- ja kasvatusreaktoreissa, joissa fissiota ylläpitää harvinainen uraani-235 ja plutoniumia valmistetaan samanaikaisesti uraani-238:n transmutaation avulla. Fissioituvaa uraani-233:a voidaan syntetisoida ydinpolttoaineena käytettäväksi luonnossa runsaasti esiintyvästä ei-hajoavasta toriumin isotoopista torium-232:sta. Uraani on tärkeä myös primaarimateriaalina, josta synteettisiä transuraanisia alkuaineita on valmistettu transmutaatioreaktioilla.

Uraani, joka on vahvasti sähköpositiivinen, reagoi veden kanssa; se liukenee happoihin mutta ei emäksiin. Tärkeät hapetusasteet ovat +4 (kuten oksidissa UO2, tetrahalogenideissa kuten UCl4 ja vihreässä vesi-ionissa U4+) ja +6 (kuten oksidissa UO3, heksafluoridissa UF6 ja keltaisessa uranyyli-ionissa UO22+). Vesiliuoksessa uraani on vakaimmillaan uranyyli-ionina, jolla on lineaarinen rakenne 2+. Uraanilla on myös +3- ja +5-tila, mutta vastaavat ionit ovat epävakaita. Punainen U3+ -ioni hapettuu hitaasti jopa vedessä, joka ei sisällä liuennutta happea. UO2+-ionin väriä ei tunneta, koska se disproportionoituu (UO2+ pelkistyy samanaikaisesti U4+:ksi ja hapettuu UO22+:ksi) jopa hyvin laimeissa liuoksissa.

Uraaniyhdisteitä on käytetty keramiikan väriaineina. Uraaniheksafluoridi (UF6) on kiinteä aine, jolla on epätavallisen korkea höyrynpaine (115 torr = 0,15 atm = 15 300 Pa) 25 °C:ssa (77 °F). UF6 on kemiallisesti hyvin reaktiivinen, mutta huolimatta sen syövyttävästä luonteesta höyrymäisessä tilassa, UF6:ta on käytetty laajalti kaasudiffuusio- ja kaasusentrifugimenetelmissä uraani-235:n erottamiseksi uraani-238:sta.

Organometalliyhdisteet ovat mielenkiintoinen ja tärkeä ryhmä yhdisteitä, joissa on metallin ja orgaanisten ryhmien välisiä metalli-hiilisidoksia. Uranoseeni on orgaaninen uraaniyhdiste U(C8H8)2, jossa uraaniatomi on kahden orgaanisen rengaskerroksen välissä, jotka ovat sukua syklooktatraeenille C8H8. Sen löytäminen vuonna 1968 avasi uuden metalliorgaanisen kemian alueen.