Уран-Uranium (U). Нептуний-Neptunium (Np)

В греческой мифологии Ураном назывался бог неба, сын и одновременно супруг богини Земли - Геи, отец титанов и циклопов - одноглазых гигантов. Имя Урана было присвоено седьмой планете солнечной системы, которую сначала принимали за комету. В 1789 г. М. Клапрот при исследовании смоляной руды обнаружил новое вещество, которое в честь открытия планеты Уран также было названо ураном. В 1842 г. французский химик М. Пелиго доказал, что при обжиге с углем окислов урана из них получается не свободный уран, а... опять один из окислов. По внешнему виду этот окисел напоминал медь и был принят М. Клапротом за металл. Правда, осторожный Клапрот дипломатично назвал обнаруженное вещество "полуметаллом". Эта осторожность не лишила Клапрота авторства. Выделенный Пелиго в 1842 г. металл был уже действительно ураном.

Пожалуй, ни один элемент никогда не привлекал столько внимания людей, как уран. И этот интерес вполне понятен, если вспомнить, что уран- неисчерпаемый источник энергии, владеть и управлять которой учится человек.

Почти до самого конца XIX в. урановые соединения представляла "урановая желть" (окись урана), сообщающая при добавке обычному стеклу желтый или оранжевый цвет в проходящем свете и зеленоватый в отраженном. Это же соединение урана использовали для разрисовки ценнейшего севрского фарфора (так называемая подглазурная живопись). Некоторые соединения урана давали возможность получать окраски от желтого до бархатно-черного цветов, неповторимой прочности и стойкости. Урановая руда ценилась в это время только за возможность получения из нее красителей для фарфорово-фаянсового производства.

На грани XX столетия ученые открыли в отбросах Урановой руды радий. Удаче Марии Склодовской и Пьера Кюри в открытии радия, безусловно, способствовало то, что отбросы урановой руды были в то время весьма дешевым материалом. Супруги Кюри, хотя и с большими хлопотами, получили их для своих работ почти бесплатно. С открытием радия урановая руда стала источником этого "чудесного" элемента. Однако сам уран после отделения радия почти не использовали. Для его сбыта пытались получить урановую быстрорежущую сталь, но трудности выделения чистого урана не способствовали ее распространению. Не находя значительного применения, используясь, главным образом, в фотографии, урановые соединения в 30-х годах XX в. ценились гораздо дешевле радия.

Внезапно интерес к урану, как и цены на него, возросли, а радий, занимавший среди других элементов столь исключительное место, совершенно потерял первостепенное значение. "Виновниками" такого невероятного обмена ролями радия и урана оказались советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак. В 1940 г. они установили, что атомы урана склонны к спонтанному, самопроизвольному взрыву своего ядра и что этот взрыв идет с выделением колоссального количества тепловой энергии. Правда, такой взрыв происходит в веществе очень редко: в сотни тысяч или миллионы раз реже, чем обычный альфа-распад. Однако, если бы такие "взрывы" последовательно протекали бы друг за другом, то один грамм ядер урана выделил бы такое же количество энергии, как и 18 т обычного взрывчатого вещества.

Уран, как и другие элементы имеет несколько изотопов, которые в различной степени способны к делению под действием нейтронов. Оказывается, что наиболее способным к нейтронному делению ядер является изотоп урана с массовым числом 235. При распаде ядра атома изотопа урана-235 возникают осколки (атомы элементов с массовым числом меньшим, чем уран) и 2-3 нейтрона, которые, попадая в ядра соседних, еще не распавшихся атомов урана, вызывают такое же деление. Благодаря многократному повторению этих быстро протекающих процессов распад атомов лавинообразно нарастает (цепная реакция), и выделяется то огромное количество энергии, которую и принято именовать атомной, а явление - атомным взрывом. На применении цепной реакции урана или плутония и основан принцип действия атомной бомбы. Одна из первых бомб была изготовлена из урана-235. В природной смеси изотопов ура-на-235 всего 0,715 %, т. е. на каждый килограмм природного урана приходится 7,15 г урана-235.

Поэтому для осуществления ядерной реакции необходимо было найти способы получения или разделения изотопов, или обогащения смеси их ураном-235.

Такое разделение изотопов можно было осуществить, используя шестифтористый уран с температурой кипения 55,7ёС способов газовой диффузии. Этот способ основан на более быстрой способности шестифтористого урана-235 проникать через пористый фильтр в сравнении с тем же соединением, но содержащим уран-238 (обычный, не "горючий").

Разделение изотопов урана методом термодиффузии связано с устройством Многих тысяч перегородок, насосов, холодильнике . Поэтому только пусковой период этого "деликатнейшего" технологического процесса составляет 80 -100 дней.

Уран - мягкий, серебристо-белый металл, в два с половиной раза тяжелее железа, более чем в полтора раза тяжелее свинца. Этот химически активный элемент образует много соединений, легко реагирует со многими неметаллами, даст сплавы и соединения с ртутью, оловом, медью, свинцом, алюминием, висмутом, железом и другими металлами.

Можно сказать, что в настоящее время уран является одним из наиболее полно изученных элементов периодической системы.

Для металлического урана известно несколько кристаллических модификаций, переход которых сопровождается резкими объемными изменениями. Первый такой переход происходит при 660°С. Поэтому в атомных реакторах на урановом "горючем" нельзя допускать более высокую температуру.

Уже при 100°С вода немедленно разлагает уран с образованием окислов и гидридов, а при 700°С компактный уран загорается. Поэтому урановые стержни покрывают алюминием. Из-за большой химической активности (сродство к азоту, кислороду, углероду) получение металлического урана сопряжено с большими трудностями, тем более что уран нельзя получить электролизом или очистить возгонкой.

Читая книги, в которых отражена история изучения урана, нетрудно заметить, как быстро "понижалась" его температура плавления. В 1925 г. указывалось, что температура плавления урана выше 1850°С, в 1932 г. она уже "точно" определялась в 1850°С, в 1935 г.- в 1400°C, а в 1956 г. большинство авторов единодушно утверждает, что она равна 1133°С. Такое "снижение" температуры плавления урана объясняется исключительно совершенствованием техники очистки и получения "чистого" урана. Чем чище стали получать уран, тем все ниже оказывалась его температура плавления.

Внимание этому элементу в свое время уделял Д. И. Менделеев, доказавший, что атомный вес урана равен 240, а не 120, как утверждали предшественники и современники Д. И. Менделеева.

Общее содержание урана в земной коре составляет, по данным разных авторов, от двух до четырех десятитысячных долей процента, что в переводе на язык весовых единиц равняется миллиардам тонн! Достаточно указать, что урана больше, чем ртути, кадмия, серебра...

И если за 40 лет с начала XX в. было добыто всего 7500 т урана, то со времен второй мировой войны его добыча резко возросла. Правда, уран не встречается в виде мощных месторождений, но зато известно большое число минералов, содержащих уран: карнотит, отенит, уранинит, торбернит, тюямунит (Африка, Австралия, бывший СССР). Богатейшие залежи урановой менее 2000 долларов дохода в год.

Нептуний-Neptunium (Np)

В июне 1934 г. на страницах немецкого химического журнала появилось сообщение чешского инженера Одолена Коблика. Он являлся руководителем исследовательской лаборатории при Иоахимсталевских шахтах (Чехословакия), которые в начале XX в. поставляли супругам Кюри руду для получения радия. В сообщении говорилось о том, что в промывных водах урано-радиевого завода О. Кобликом обнаружен новый элемент. Место этого элемента в периодической системе Менделеева должно было находиться за ураном.

В честь своей родины Коблик назвал новый элемент богемием. Чехия - западная часть бывшей Чехословакии - раньше называлась Богемией. Предприняв более тщательное исследование, Коблик обнаружил, что выделенный им элемент весьма сходен с вольфрамом. Будучи справедливым и честным ученым, Коблик посчитал своим долгом немедленно сообщить в редакцию журнала о своей ошибке и тем самым взял свое сообщение обратно. Заметка о допущенной ошибке от имени редакции была опубликована в том же 1934 г.

В 30-40-х годах XX в. во многих лабораториях мира проводились широкие исследования результатов бомбардировки ядер устойчивых атомов нейтронами. В результате обстрела урана был получен один из новых элементов, занявших следующее за ураном место 93 с массовым числом 239. Элемент 93 был впервые выделен американскими учеными Э. Макмилланом и Ф. Абельсоном в 1940 г. и получил название нептуния.

Чтобы объяснить происхождение этого названия, необходимо сделать хотя бы весьма краткий экскурс в область истории астрономии.

До 1846 г. астрономам было известно в солнечной системе 7 планет. 1846 год ознаменовался в астрономии открытием новой, восьмой планеты, названной Нептуном. Седьмая из них, считая от Солнца, называлась Ураном. Последним же в периодической системе Менделеева был к 1940 г. элемент уран. Вот почему, когда был открыт новый заурановый элемент, его по аналогии назвали нептунием. Древние римляне Нептуном именовали таинственного бога моря. Моряки с древних времен, пересекая экватор, приносили Нептуну жертву, чтобы он "сохранил" их от бурь и непогоды, принес удачу в плавании. Потеряв религиозное содержание, праздник перехода экватора в настоящее время приобрел характер веселой инсценировки, в которой имеет место шуточный "обряд посвящения" членов экипажа, впервые пересекающих на корабле экватор. Красочное описание праздника Нептуна встречается во многих произведениях художественной литературы.

Однако вернемся к планете Нептун. Как известно, французский астроном Леверье и независимо от него английский астроном Адамc при наблюдении за планетой Уран заметили некоторые отклонения в ее движении. С помощью математических вычислений они не только установили существование никому не известной планеты, следующей за Ураном, которая своим притяжением вызывает "возмущения" Урана, но и указали место, где ее следует искать. Вскоре эта планета была обнаружена. Элемент гелий открыли на Солнце, а затем нашли на Земле. Планету Нептун "нашли" на Земле, а затем открыли на небе.

Нептуний - пластичный, серебристый металл, с температурой плавления 640°С и плотностью 19,5. По этим величинам трудно судить о тех необычайных трудностях, которые пришлось преодолеть ученым для того, чтобы получить эти цифры. Начнем с того, что измеримые количества нептуния, полученные впервые, составляли гаммы (миллионные доли грамма). Для взвешивания таких количеств веществ потребовалось создать весы исключительной точности. С их помощью можно было измерять количество вещества в одну стомиллионную долю грамма. Плотность нептуния определяли, имея всего 40 гамм (не грамм!) металла, который помещали в трубочку с диаметром отверстия в три десятых миллиметра.

Получение нептуния весьма сложно. Исходным материалом является хлористая или фтористая соль нептуния. При восстановлении этих солей парами бария при температуре 1300°С в тигле, изготовленном из окиси бериллия, получается чистый нептуний. Нагрев осуществляется танталовой проволочкой, электрический ток подводят к ней через вольфрамовые контакты.

Нептуний, как теперь установлено, имеет много радиоактивных изотопов. Самым "долгоживущим" из них является изотоп с массовым числом 237, полученный в 1942 г. Период полураспада у этого изотопа составляет более двух миллионов лет. Остальные изотопы "живут" считанные дни, часы и минуты.

Нептуний образуется в атомных реакторах из урана и является промежуточным продуктом в процессе накопления плутония.

Плутоний-Plutonium (Pu)

В 1930 г. американский астроном Персиваль Ловелл, автор фантастических очерков о жизни на Марсе, обнаружил некоторую неправильность в движении планеты Уран, но не ту, которую значительно раньше него отмечал Леверье. На основе своих наблюдений Ловелл пришел к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть еще одна, девятая планета, отстоящая от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля. Эта планета действительно была обнаружена и названа Плутоном. По имени этой планеты, расположенной в солнечной системе за Нептуном, был назван плутонием элемент 94, искусственно полученный в 1941 г. из ядер атомов урана группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом. Замечательно, что плутоний был найден в природе после того, как он был получен искусственно.

Плутоний обычно содержится в урановых рудах в качестве естественной примеси к урану как продукт радиоактивного превращения урана. Считают, что плутоний образуется в урановых рудах в результате захвата нейтронов ядрами урана. Однако плутоний образуется в таких количествах, что о добыче плутония из руд не может быть и речи.

Плутония в уране всего одна миллиардная доля процента по весу, т. е. один атом плутония приходится на 140 млрд. атомов урана. В урановой руде Конго (Африка) один грамм плутония приходится на 4 млн. т урана.

По своим свойствам и внешнему виду плутоний представляет блестящий металл с температурой плавления 640°С и плотностью от 15,4 до 19,0. Эта неопределенность плотности объясняется наличием нескольких разновидностей плутония.

Одна из этих разновидностей обладает интересным свойством. При нагревании она не расширяется, как это бывает обычно у металлов, а сжимается. Элемент плутоний имеет тринадцать изотопов с массовыми числами от 232 до 244. Практическое применение находит пока плутоний-239, у которого период полураспада равен 24 000 лет.

Из всех заурановых элементов применяется только плутоний, поэтому его химические свойства изучены лучше, чем многих "старых" элементов. В технологии плутония применен удивительный масштаб перехода от лабораторных опытов к заводскому процессу - от миллионных долей грамма в лаборатории сразу к килограммам - на заводе.

Плутоний образуется в атомных реакторах при расщеплении урана.

В античной мифологии Плутон играл роль бога подземного мира, владыки царства теней усопших.

Обсудить эту статью на нашем форуме >>>

§ УРАН-URANIUM (U). НЕПТУНИЙ-NEPTUNIUM (NP)

Ключевые слова этой страницы: уран, uranium, нептуний, neptunium.

Скачать zip-архив: Уран-Uranium (U). Нептуний-Neptunium (Np) - zip. Скачать mp3: Уран-Uranium (U). Нептуний-Neptunium (Np) - mp3.