אורניום (U), יסוד כימי רדיואקטיבי בסדרת האקטינואידים של הטבלה המחזורית, אטום מספר 92. זהו דלק גרעיני חשוב.
אלמנט אקטינואידי
חברי הקבוצה, כולל אורניום (המוכר ביותר), מופיעים באופן טבעי, רובם מעשה ידי אדם. נעשה שימוש הן באורניום והן בפלוטוניום
האורניום מהווה כשני חלקים למיליון מקרום כדור הארץ. כמה מינרלים חשובים באורניום הם פיצ'בלנדה (U 3 O 8 טמא), אורניניט (UO 2), קרנוט (פנדאט אורניום אשלגן), אוטוניט (פוספט אורניום סידן), וטורבנית (פוספט אורניום נחושת). עפרות אורניום ניתנות לשחזור, כמקור לדלקים גרעיניים, מכילות אנרגיה פי כמה וכמה יותר מכל המשקעים הניתנים לשחזור של דלקים מאובנים. קילו אורניום אחד מניב אנרגיה גבוהה כמו 1.4 מיליון קילוגרם (3 מיליון פאונד) פחם.
למידע נוסף על מרבצי עפרות אורניום, וכן כיסוי טכניקות כרייה, זיקוק ושחזור, עיינו בעיבוד אורניום. לנתונים סטטיסטיים השוואתיים על ייצור אורניום ראו טבלה.
אורניום
| מדינה | ייצור מכרות 2013 (טון מטרי) | % מייצור המכרות העולמי |
|---|---|---|
| * הערכה. | ||
| מקור: האגודה העולמית גרעינית, ייצור כריית אורניום עולמי (2014). | ||
| קזחסטן | 22,574 | 37.9 |
| קנדה | 9,332 | 15.6 |
| אוסטרליה | 6,350 | 10.6 |
| ניז'ר * | 4,528 | 7.6 |
| נמיביה | 4,315 | 7.2 |
| רוסיה | 3,135 | 5.3 |
| אוזבקיסטן * | 2,400 | 4.0 |
| ארצות הברית | 1,835 | 3.1 |
| חרסינה* | 1,450 | 2.4 |
| מלאווי | 1,132 | 1.9 |
| אוקראינה | 1,075 | 1.9 |
| דרום אפריקה | 540 | 0.9 |
| הודו * | 400 | 0.7 |
| הרפובליקה הצ'כית | 225 | 0.4 |
| ברזיל | 198 | 0.3 |
| רומניה * | 80 | 0.1 |
| פקיסטן * | 41 | 0.1 |
| גרמניה | 27 | 0.0 |
| סך הכל בעולם | 59,637 | 100 |
אורניום הוא אלמנט מתכתי צפוף וקשיח בצבע לבן כסוף. זה רקיע, ניתן לניפוח, ומסוגל לקחת לק גבוה. באוויר מתכת מתכתה וכאשר מחולקת דק מתפרצת ללהבות. זהו מוליך חשמל דל יחסית. אף על פי שהתגלה (1789) על ידי הכימאי הגרמני מרטין היינריך קלפרוט, שקרא לו על שם כוכב הלכת אורנוס שהתגלה לאחרונה אז, המתכת עצמה בודדה לראשונה (1841) על ידי הכימאי הצרפתי יוג'ין-מלכיור פליגוטות על ידי הפחתה של אורניום טטרכלוריד (UCl 4) עם אשלגן.
ניסוח המערכת התקופתית על ידי הכימאי הרוסי דמיטרי מנדלייב בשנת 1869 מיקד את תשומת הלב באורניום כאל היסוד הכימי ביותר, עמדה שהחזיקה בה עד לגילוי היסוד הראשון נפטוניום טרנס-אורניום בשנת 1940. בשנת 1896 גילה הפיזיקאי הצרפתי אנרי בקרל באורניום. תופעת הרדיואקטיביות, מונח ששימש לראשונה בשנת 1898 על ידי הפיזיקאים הצרפתים מארי ופייר קירי. מאפיין זה נמצא מאוחר יותר ברכיבים רבים אחרים. כיום ידוע כי אורניום, הרדיואקטיבי על כל האיזוטופים שלו, מורכב באופן טבעי מתערובת של אורניום -238 (99.27 אחוז, 4,510,000,000 שנה מחצית החיים), אורניום -235 (0.72 אחוז, מחצית החיים של 713,000,000 שנה), ו אורניום 234 (0.006 אחוז, מחצית חיים של 247,000 שנה). חיי מחצית חיים ארוכים אלה מאפשרים לקבוע את גיל כדור הארץ על ידי מדידת כמויות העופרת, תוצרת הריקבון האולטימטיבית של אורניום, בסלעים מסוימים המכילים אורניום. אורניום -238 הוא האב והאורניום -234 אחת הבנות בסדרת ריקבון האורניום הרדיואקטיבי; uranium-235 הוא האבא של סדרת דעיכת האקטניום. ראו גם אלמנט אקטינואידי.
היסוד אורניום הפך לנושא מחקר אינטנסיבי ועניין נרחב לאחר שכימאים גרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן גילו בסוף 1938 את תופעת הביקוע הגרעיני באורניום שהופגז על ידי נייטרונים איטיים. הפיזיקאי האמריקני יליד איטליה אנריקו פרמי הציע (תחילת 1939) כי נויטרונים עשויים להיות בין תוצרי הביקוע ובכך יוכל להמשיך את הביקוע כתגובת שרשרת. הפיזיקאי האמריקני יליד הונגריה ליאו סילארד, הפיזיקאי האמריקני הרברט ל. אנדרסון, הכימאי הצרפתי פרדריק ג'וליוט-קארי, ועמיתיהם לעבודה אישרו (1939) את התחזית הזו; בחקירה לאחר מכן הראו כי בממוצע 2 1 / 2 נויטרונים לכל אטום שפורסמו במהלך ביקוע. תגליות אלה הובילו לתגובת שרשרת הגרעין הראשונה שמקיימת את עצמה (2 בדצמבר 1942), מבחן הפצצה האטומית הראשונה (16 ביולי 1945), פצצת האטום הראשונה שנפלה במלחמה (6 באוגוסט 1945), הראשונה שהופעלה על האטום הצוללת (1955), והגנרטור החשמלי הראשון המונע על גרעין בקנה מידה מלא (1957).
ביקוע מתרחש עם נויטרונים איטיים באורנוט -235 האיזוטופ הנדיר יחסית (החומר הבסיסי היחיד המתרחש באופן טבעי), אותו יש להפריד מאיזוטופ האורניום -238 בשפע לשימושים שונים. אורניום -238, לעומת זאת, לאחר ספיגת נויטרונים ועבר ריקבון בטא שלילי, מועבר ליסוד הסינתטי פלוטוניום, שהוא קליל עם נויטרונים איטיים. לפיכך, ניתן להשתמש באורניום טבעי בכורים ממירים ומגדלים, בהם מתממש ביקוע על ידי האורניום -235 הנדיר, ופלוטוניום מיוצר באותו זמן על ידי העברת האורניום -238. אורניום -233 פיסילי ניתן לסנתז לשימוש כדלק גרעיני מהאיזוטופ תוריום -232 הלא-פיסילי, השופע באופיו. האורניום חשוב גם כחומר העיקרי ממנו הוכנו יסודות הטרנס-אורניום הסינתטיים על ידי תגובות טרנספורמציה.
האורניום, שהוא אלקטרופוזיטיבי חזק, מגיב עם מים; זה מתמוסס בחומצות אך לא באלקיות. מצבי החמצון החשובים הם +4 (כמו בתחמוצת UO 2, טטרההלידים כמו UCl 4, והיון המימי הירוק U 4 +) ו- +6 (כמו בתחמוצת UO 3, ה- Hexafluoride UF 6, וה האורניל הצהוב יון UO 2 2+). בתמיסה מימית אורניום הוא הכי יציב כמו יון האורניל, שיש לו מבנה ליניארי [O = U = O] 2+. האורניום מציג גם מצב +3 ו- +5, אך היונים בהתאמה אינם יציבים. יון ה- U 3+ האדום מתחמצן לאט אפילו במים שאינם מכילים חמצן מומס. צבעו של ה- UO 2 + אינו ידוע מכיוון שהוא עובר פרופורציה (UO 2 + מצטמצם בו זמנית ל- U 4 + ומחומצן ל- UO 2 2+) אפילו בתמיסות מאוד מדוללות.
תרכובות אורניום שימשו כחומרי צביעה לקרמיקה. אורניום hexafluoride (UF 6) הוא מוצק עם לחץ אדי גבוה באופן יוצא דופן (115 טור = 0.15 אטם = 15,300 פא"ה) ב 25 מעלות צלזיוס. UF 6 הוא מאוד תגובתי מבחינה כימית, אך למרות אופיו המאכל במצבו האדי, UF 6 נעשה שימוש נרחב בשיטות דיפוזיה וגז-צנטריפוגות של הפרדת אורניום -235 מאורניום -238.
תרכובות אורגנו-מתכתיות הן קבוצה מעניינת וחשובה של תרכובות בהן יש קשרים מתכתיים-פחוניים המקשרים מתכת לקבוצות אורגניות. אורנוצן הוא תרכובת אורגנו-אורניום U (C 8 H 8) 2, בו אטום אורניום מכובל בין שתי שכבות טבעת אורגניות הקשורות cyclooctatetraene C 8 H 8. תגליתו בשנת 1968 פתחה תחום חדש של כימיה אורגנו-מטאלית.
מאפייני אלמנט
| מספר אטומי | 92 |
|---|---|
| משקל אטומי | 238.03 |
| נקודת המסה | 1,132.3 ° C (2,070.1 ° F) |
| נקודת רתיחה | 3,818 ° C (6,904 מעלות צלזיוס) |
| כוח משיכה ספציפי | 19.05 |
| מצבי חמצון | +3, +4, +5, +6 |
| תצורת אלקטרונים של מצב אטומי גזי | [Rn] 5f 3 6d 1 7s 2 |
