Uraani

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
ProtaktiniumUraaniNeptunium
Nd

U

-  
 
 
U-TableImage.svg
Yleistä
Nimi Uraani
Tunnus U
Järjestysluku 92
Luokka Aktinoidi
Lohko f-lohko
Ryhmä -
Jakso 7
Tiheys 19,05[1]×103 kg/m3
Kovuus 6,0[2] (Mohsin asteikko)
Väri hopeanharmaa
Löytövuosi, löytäjä 1789, Martin Heinrich Klaproth
Atomiominaisuudet
Atomipaino 238,02891[3] amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) 175[4] pm
Van der Waalsin säde 186[1] pm
Orbitaalirakenne [Rn] 5f36d17s2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Hapetusluvut +VI, +V, +IV, +III
Kiderakenne ortorombinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste 1 408[4] K (1 135 °C)
Kiehumispiste 4 403[4] K (4 130 °C)
Höyrystymislämpö 420[1] kJ/mol
Sulamislämpö 8,520[4] kJ/mol
Höyrynpaine 1,19 · 10−6[2] Pa 1 405 K:ssa
Äänen nopeus 3 155[1] m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus 1,38[1] (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti 0,116 kJ/kg K
Sähkönjohtavuus 3,6 · 106[2] S/m
Lämmönjohtavuus 27,5[4] W/(m×K)
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Uraani on alkuaine ja myrkyllinen raskasmetalli, jonka kaikki luonnossa esiintyvät ja keinotekoiset isotoopit ovat radioaktiivisia, useimmiten alfa-säteilijöitä. Jaksollisessa järjestelmässä sen kemiallinen merkki on U (lat. uranium), järjestysluku 92 ja CAS-numero 7440-61-1. Merkittävimmät isotoopit ovat 235U ja 238U. Luonnonuraanin sulamispiste on 1 135 °C ja tiheys 19 050 kg/m3. Uraania käytetään yleisesti ydinpolttoaineena.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraani on hopeanharmaa metalli, joka on helposti taottavaa ja taipuisaa. Sen sulamispiste on 1 408 Kelviniä ja kiehumispiste 4 403 Kelviniä. Sen tiheys on 19,05 g/cm3, joka on suhteellisen suuri. Uraani on paramagneettinen ja huono sähköjohde.[5][6][2]

Kemialliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraani kuuluu aktinoideihin. Uraani kohtuullisen reaktiivinen metalli. Se reagoi hyvin epämetallien, kuten hapen, rikin, fosforin ja halogeenien kanssa. Ilmassa metallinen uraani tummenee muodostaen oksidikerroksen. UO2 on stabiilia ilmassa ja se onkin tavallisesti muoto, jossa uraania hyödynnetään. Hienojakoinen uraani voi leimahtaa. Se reagoi myös veden kanssa. Se liukenee happoihin, mutta ei emäksiin.[5][7][6]

Uraanilla on kolme allotropista muotoa. Alfamuoto on rombista ja on stabiilia 667,7 °C asti. Lämpötilavälillä 667,7–774,8 °C uraani on betamuodossa ja se on tetragoninen. Yli 774,8 °C uraani on gammamuodossa, jolloin sen kiderakenne on tilakeskinen kuutio. Uraani on parhaiten työstettävissä gammamuodossa.[2]

Uraanin elektronikonfiguraatio on [Rn] 5f36d17s2. Sen ensimmäinen ionisaatioenergia on 597,6 kJ/mol.[8]

Yhdisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraanin yhdisteet ovat tyypillisesti vihreitä tai keltaisia. Uraani muodostaa hyvin monipuolisella stoikiometrilla yhdisteitä hapen kanssa. Musta UO2 on uraanin käytetyin muoto. Sitä käytetään muun muassa polttoaineissa. Lisäksi uraani muodostaa kelta-oranssia UO3 (uranyylioksidi) ja vihreää U3O8. Lisäksi uraani muodostaa peroksideja, kuten kidevedellistä UO4 (UO3·H2O2·H2O). Kideveden määrä vaihtelee nollasta neljään. Nämä peroksidit ovat myös ainoita peroksideja, joita on löydetty mineraaleista. Uraani muodostaa hydridin reagoidessaan noin 250 °C vedyn kanssa. Korkeammissa lämpötiloissa hydridi hajoaa reversiibelisti. Tämän ominaisuuden ansiosta uraanihydridiä käytetään muun muassa karbidien ja nitridien lähtöaineena. UH3 on pyroforista. Uraanikarbideja ja -nitridejä tunnetaan stoikiometrioilla UX2, UX3 ja U2,X3, jossa X on C tai N. Karbideja voidaan muodostaa myös antamalla hiilen tai hiilimonoksidin reagoida sulan metallisen uraanin kanssa. Nitridejä muodostetaan antamalla typen reagoida korkeassa lämpötilassa uraanin kanssa.[5][2]

Uraani muodostaa monipuolisesti yhdisteitä halidien kanssa. Uraani muodostaa sekä tetra- että heksafluoridin. Näistä heksafluoridia käytetään erityisesti uraanin väkevöinnissä. Se on voimakkaan korrosoivaa ja reagoi kiivaasti veden ja öljyn kanssa.[2]

Uraanyylinitraatti UO2(NO3)2 on hyvin myrkyllistä. Uraani muodostaa sulfaatin UO2SO4.[2]

Uraani voi muodostaa kompleksiyhdisteitä hapetusluvuilla +III, +IV, +V ja +VI ja näistä tyypillisimmät hapetusluvut ovat +III ja +VI. Usein ligandina on fluoridi-ioni ja uraanin fluorokomplekseja tunnetaan esimerkiksi [UF10]4−, [UF8]3− ja [UF7]2−. Usein uraani esiintyy kompelksiyhdisteissään uranyylikationina UO2+ ja UO22+ Uraanista tunnetaan myös eräitä organometalliyhdisteitä, joista pysyvimpiä ovat syklopentadienyylijohdannaiset. Syklopentadienyyliligandin lisäksi näissä yhdisteissä voi olla myös halogeeniligandeja.[9]

Uraani muodostaa myös lejeerinkejä. Uraani-rhodium-germanium-lejeerinki oli ensimmäinen tunnettu seos, joka muuttui suprajohteeksi voimakkaassa magneettikentässä.[2]

Haitallisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraani on haitallisesti sekä kemiallisesti että radioaktiivisen hajoamisen kautta. Uraani tiedetään teratologiseksi aineeksi eli se aiheuttaa epämuodostumisia. Uraani kertyy munuaisiin, maksaan ja luustoon. Suurina annoksina erityisen myrkyllistä uraani on munuaisille ja luustolle. Suomessa porakaivonkäyttäjät saattavat altistua merkittävälle määrälle uraania, mutta vakavia terveyshaittoja ei ole huomattu. Erityisesti Persianlahden sodassa monet sotilaat altistuivat köyhdytetylle uraanille, mutta tutkimuksissa on osoittautunut, että siitä on aiheutunut lähinnä lieviä munuaisongelmia sekä perimämyrkyllisyyttä. Altistuessaan uraanilähteille suurimpana ongelmana ei ole uraani, vaan sen hajoamistuotteet, kuten radon, strontium ja jodi. REACH-asetuksen mukaan uraani on haitallista.[6][2][10][11][8]

Isotoopit ja radioaktiivisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraani ei ole voimakkaan radioaktiivista. Kaksi tärkeintä isotooppia ovat 235U ja 238U. Luonnosta löydetään myös pieni määrä 234U, jota syntyy 238U hajoamisen seurauksena. Teollisesti merkittävin isotooppi on 235U, jota käytetään ydinpolttoaineena. 238U on uraanin pitkäikäisin isotooppi, jonka puoliintumisaika on 4,468 miljardia vuotta.[2]

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
Osuus1
218U 1,5 ms α
219U 42 μs α
220U 60 ns α
221U 700 ns α
222U 1 μs α
223U 18 μs α
224U 0,9 ms α
225U 95 ms α
226U 0,35 s α
227U 1,1 min α
228U 9,1 min EC, α
229U 58 min EC, β+, α
230U 20,8 d α
231U 4,2 d EC
232U 68,9 a α
233U 1,592 · 105 a α
Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
Osuus1
234U 2,455 · 105 a α
0,00555 %
235U 7,038 · 108 a α
0,720012 %
235mU 25 min IT
236U 2,342 · 107 a α
237U 6,75 d β
238U 4,468 · 109 a α
99,274560 %
238m1U 225 ns
238m2U 1 ns
239U 23,45 min β
240U 14,1 h β
241U 5 min β
242U 16,8 min β

1 osuus kaikesta luonnosta löytyvästä uraanista.
Lähde:[12][8]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Henri Becquerel löysi radioaktiivisen säteilyn antaessaan säteilylähteen reagoida valokuvauslevyn kanssa.

Uraanin löytäjänä pidetään saksalaista apteekkaria ja kemistiä Martin Klaprothia. 1780-luvun lopulla Klaproth tutki uraniniittia eli pikivälkettä (saks. pechblende, pech huono onni ja blende mineraali). Tuohon aikaan luultiin, että pikivälke sisältää vain rautaa ja sinkkiä. Klaproth huomasi, että osa mineraalista ei käyttäytynyt kuten rauta tai sinkki ja päätteli näin löytäneensä uuden alkuaineen. Hän ehdotti löytämälleen alkuaineelle nimeksi uranium, joka oli kunnianosoitus muutama vuosi aikaisemmin löydetylle Uranus-planeetalle. Ensin hän ehdotti nimeä uraniitti, mutta lopulta pikivälkettä aloitettiin kutsua uraniniitiksi. Syyskuussa 1789 Klaproth esitteli löytönsä Preussin tiedeakatemialle. Todellisuudessa Klaproth löysi uraanidioksidia. Vuonna 1841 ranskalainen kemisti Eugène-Melchior Péligot eristi tetraklooriuraanista puhdasta uraania kaliumin avulla. Vuonna 1867 Pariisin maailmannäyttelyssä oli esillä suuri määrä uraania. Vuonna 1896 Henri Becquerel löysi uraanin radioaktiivisuuden. Toisessa maailmansodassa elokuussa 1945 Yhdysvallat pudotti Hiroshiman kaupunkiin uraaniin perustuvan atomipommi Little Boyn. Vuonna 1951 tuotettiin ensimmäisen kerran sähköä uraanin avulla. Ydinvoimaa hyödynnettiin vuonna 1954 USS Nautiluksella. Ensimmäinen ydinvoimala avattiin lokakuussa 1956 Sellafieldissä.[2][5][13][14]

Esiintyminen ja eristäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraanin pitoisuudeksi maankuoressa arvioidaan 1–4 ppm eli se on yhtä yleistä kuin tina tai bromi. Uraania esiintyy myös vesistöissä noin 3 ppb. Nykyään tunnetut uraanivarat riittävät nykytietämyksen mukaan kymmeniä vuosia. Uraanin teollisesti merkittäviä mineraaleja ovat uraniniitti (pikivälke), karnotiitti, uranofaani ja koffiniitti. Uraanin mineraaleja tunnetaan useita satoja. Uraanin pitoisuuden pitää olla 0,1 %, jotta malmi olisi kaupallisesti merkittävää. Uraanin radioaktiivinen hajoaminen yksi merkittävimmistä maalämmön aiheuttajista.[2][5][15][7]

Suomessa ei ole tällä hetkellä yhtäkään uraanikaivosta. Suomessa on louhittu uraania 1950- ja 60-luvuilla Paukkajanvaarassa, Enossa (nykyään osa Joensuuta). Paukkajanvaarasta louhittiin yhteensä 30 tonnia uraania. Talvivaaralla on lupa tuottaa uraania sivutuotteena, mutta Talvivaaran pääasialliset louhintakohteet ovat kupari, koboltti, sinkki ja nikkeli. Marraskuussa 2012 Talvivaaran kipsisakka-altaan vuodon seurauksena uraania joutui läheisiin vesistöihin merkittäviä määriä. Suomessa uraanin louhintaa valvoo Säteilyturvakeskus. STUKille on ilmoitettava kaikki luonnonvarojen hyödyntäminen, jos uraanin pitoisuus on yli 0,01 %.[16][17]

Uraanin suurimmat tuottajat ovat Kanada, Australia ja Niger. Myös Yhdysvalloilla, Venäjällä, Kongolla, Etelä-Afrikalla, Gabonissa ja Kiinassa on merkittävät uraanivarannot. 40 % maailman tunnetuista uraanivarannoista sijaitsee Australiassa ja suurin yksittäinen lähde on Olymic Dam Mine -kaivos Etelä-Australiassa. Kanadalainen Cameco on maailman suurin uraania tuottava yritys, ja Kanada on maailman suurin uraanin tuottaja. Yhteensä tunnetut uraanivarannot on 3 miljoonaa tonnia, ja arvioidaan että merissä on viisi miljardia tonnia lisää uraania. Uraanikaivokset ovat tyypillisesti avokaivoksia. Yksi kilogramma uraanioksidia maksaa noin 73 euroa[18].[2]

Uraani eristetään malmistaan tavallisesti kemiallisesti uutamalla. Uuttamisen jälkeen syntyy lähinnä uraanioksidia U3O8, joka käsitellään typpihapolla. Tällöin synytyy kidevedellistä uranyylinitraattia UO2(NO3)2 · 6 H2O. Uranyylinitraattia kuumennettaessa syntyy uraanitrioksidia UO3, joka voidaan pelkistää vedyn avulla uraanidioksidiksi UO2. UO2 on stabiilia ilmassa. Metallista uraania voidaan tehdä elektrolyysillä uraanitetrafluoridin ja natrium- tai kalsiumkloridiseoksesta. Uraanitetrafluoridia valmistetaan antamalla uraanidioksidin reagoida kaasumaisen vetyfluoridin kanssa. Toinen vaihtoehto on pelkistää sitä metallihalidista alkali- tai maa-alkalimetallista. Hyvin puhdasta metallista uraania voidaan valmistaa hajottamalla uraanihalideja kuumalla hehkulangalla.[7][2]

Uraanin väkevöinti[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Luonnossa esiintyvästä uraanista suurin osa on isotooppia 238, joka ei ole reaktiivinen fission kautta. Uraania voidaan väkevöidä, eli U-235-isotoopin suhteellista määrää kasvatetaan, sentrifugin tai kaasudiffuusion avulla. Kaasudiffuusiossa uraaniheksafluoridi-kaasu ohjataan puoliläpäisevän kalvon läpi, jolloin raskaampi U-238 diffuntoituu hitaammin kuin kevyempi U-235. Puoliläpäisevä kalvo on tyypillisesti hopeaa ja sinkkiä. Sentrifugoinnissa käytetään uraaniheksafluoridia. Sentrifugointi on yleisin väkevöintikeino, kaasudiffuusiota käytettiin erityisesti toisen maailmansodan aikana. Muita keinoja on virittää spesifisti U-235 ja fluorin välistä sidosta, jolloin vain U-238 jää sitoutuneeksi fluoriin ja haluttu U-235 saostuu metallisena. Tavallisesti U-235 pitoisuus väkevöinnin jälkeen on 2–3 %, joka riittää ydinpolttoaineeksi. Ydinaseita varten uraani väkevöidään siten, että U-235 pitoisuus on noin 90 %.[5][6][2]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraania on käytetty 2 000 vuotta sitten lasin ja keramiikan värjäykseen. Uraanioksidit värjäävät lasin kellanvihreäksi. Uraania on käytetty myös tekstiiliteollisuudessa väriaineen tarttumisen helpottamiseksi. Uraania on käytetty myös hehkulampuissa kiinnittämään hehkulanka lamppuun. Sähkön nopeus uraanissa on pienempi kuin langassa, joten se hidastaa sähkön nopeutta ennen kuin se osuu lamppuun. Tämä estää langan katkeamista ja ylikuumenemista.[5][15]

Nykyään uraanin pääasiallinen käyttökohde on ydinpolttoaineena ydinvoimaloissa. Kun neutroni ammutaan uraanin isotooppiin U-235:een, tapahtuu fissio, jossa vapautuu suuri määrä energiaa. Energia siirretään veteen, joka höyrystyy ja pyörittää lopulta turbiinia. Tämä muodostaa generaattorissa sähkövirtaa. Yksi kilogramma U-235 tuottaa energiaa saman verran kuin 1 500 tonnia kivihiiltä eli noin 20 triljoonaa joulea. Polttoaineen käytetään yleensä väkevöityä uraania, jonka U-235 pitoisuus on noin 3 %. CANDU-reaktorissa voidaan käyttää luonnon uraania, joka sisältää huomattavasti vähemmän kuin 3 % uraanin isotooppia 235U.[5][6][2]

Uraania voidaan hyödyntää myös ydinaseissa. Köyhdytettyä uraania voidaan käyttää panssarin läpäisevissä ammuksissa, sillä uraanilla on hyvin korkea tiheys. Toisaalta köyhdytettyä uraania voidaan käyttää suojana. Erityisesti uraania käytetään suojana radioaktiivista säteilyä vastaan. Köyhdytetty uraani on kuitenkin edelleen hyvin myrkyllistä. Jos ohjuksessa käytetään köyhdytettyä uraania, niin räjähdyksen jälkeen muodostuu kaasumaista uraania.[5][15][6]

U-238 voidaan muuttaa plutoniumiksi hyötöreaktorissa. Plutoniumia voidaan hyödyntää ydinpolttoaineena.[6][2]

238U(n, γ) → 239U(β) → 239Np(β) → 239Pu

Uraania voidaan hyödyntää myös kaikista pitkäisimpien kivien iän arviointiin. Uraania voidaan käyttää röntgensäteilylähteenä. Uraania voidaan käyttää lejeeringeissä tuomaan vahvuutta, sitkeyttä ja vetolujuutta.[2][19]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • ATS Ydintekniikka. ATS Lehti, 1989, nro 2. Helsinki: Suomen Atomiteknillinen Seura. ISSN-0356-0473. Artikkelin verkkoversio (pdf).

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e Technical data for Uranium periodictable.com. Viitattu 7.7.2015. (englanniksi)
  2. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s Uranium 3rd1000.com. Viitattu 7.7.2015. (englanniksi)
  3. Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
  4. a b c d e Uranium Element Facts chemicool.com. Viitattu 7.7.2015. (englanniksi)
  5. a b c d e f g h i Uranium chemistryexplained.com. Viitattu 7.7.2015. (englanniksi)
  6. a b c d e f g Uranium Element Facts chemicool.com. Viitattu 13.7.2015. (englanniksi)
  7. a b c Uranium infoplease.com. Viitattu 11.7.2015. (englanniksi)
  8. a b c Uranium americanelements.com. Viitattu 14.7.2015. (englanniksi)
  9. N.N. Greenwood & A. Earnshaw: Chemistry of the Elements, s. 1273–1280. 2nd Edition. Butterworth Heinemann, 1997. ISBN 0-7506-3365-4. (englanniksi)
  10. Uraanin terveysvaikutukset 30. heinäkuuta 2014. Säteilyturvakeskus. Viitattu 14.7.2015.
  11. Köyhdytetty uraani 18. elokuuta 2010. Säteilyturvakeskus. Viitattu 14.7.2015.
  12. Isotopes of Uranium (Z=92) Berkeley Lab. Viitattu 14.7.2015. (englanniksi)
  13. Bertrand Goldschmidt: Uranium's Scientific History 1789 - 1939 Viitattu 7.7.2015. (englanniksi)
  14. Siegfried Engels & Alois Nowak (suom. Jouko Koskikallio): Kemian Keksintöjä - Alkuaineiden Löytöhistoria, s. 229. Jyväskylä: Gummerus Kirjapaino Oy, 1983. ISBN 952-903976-x.
  15. a b c Marko Hamilo: Pikivälkkeestä radioaktiivisuuteen 18. lokakuuta 2005. Helsingin Sanomat. Viitattu 11.7.2015.
  16. Malminetsintä ja kaivokset 23. heinäkuuta 2014. Säteilyturvakeskus. Viitattu 14.7.2015.
  17. Talvivaaran ympäristövahinko: Talvivaaran kaivoksen ympäristöstä kerättyjen vesi- ja muiden näytteiden uraanipitoisuuksia 9. tammikuuta 2015. Säteilyturvakeskus. Viitattu 14.7.2015.
  18. Uranium Prices, Uranium Price Charts and Price Trends infomine.com. Viitattu 13.7.2015. (englanniksi)
  19. ATS Ydintekniikka, 1989 nro 2., s. 14