Urán (prvok)

Základné údaje

Urán je v čistom stave striebrobiely lesklý kov, ktorý na vzduchu postupne tmavne – pokrýva sa vrstvou oxidov. Rozomletý na prášok je samozápalný. Nie je príliš tvrdý a dá sa pri normálnej teplote kovať alebo valcovať. Pri zahrievaní sa stáva najskôr krehkým, pri ešte väčšej teplote je však plastický.
Hustota (špecifická hmotnosť) uránu pri 20 °C je cca 19 050 kg · m⁻³ (rôzne zdroje uvádzajú údaje v rozmedzí 19 050 – 19 200 kg · m⁻³; pri teplote varu je hustota uránu cca 17 300 kg · m⁻³), urán tak patrí k najťažším prvkom vôbec, je o cca 70 % ťažší ako olovo.
Z prvkov vo všeobecnosti je ťažšie napr. osmium (22 590 kg · m⁻³), irídium (22 560 kg · m⁻³), platina (21 450 kg · m⁻³) či rénium (21 020 kg · m⁻³); iba o málo menšiu hustotu má volfrám (19 250 kg · m⁻³). Vysoká hustota uránu je dôvodom pre mnohé jeho nejadrové využitie (pozri nižšie).
Elektrónová konfigurácia atómu: K: 2, L: 8, M: 18, N: 32, O: 5s-2, 5p-6, 5d-10, 5f-3 P: 6s-2, 6p-6, 6d-1 Q: 7s-2; 
Celková konfigurácia: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ 5f³ 6d¹ 7s².

História

Urán sa už v roku 79 pred Kr. používal na zafarbenie glazúr (nálezy blízko Neapola s 1% výskytom oxidu uránu).
Urán ako prvok bol objavený v roku 1789 lekárnikom a profesorem chémie Martinom Heinrichom Klaprothom (1743 – 1817), ktorý objavil alebo spoluobjavil aj niekoľko ďalších prvkov (zirkónium, titán, cér a telúr). Objav oznámil počas prejavu pred Pruskou akadémiou vied 24. septembra 1789. Pomenovaný bol podľa planéty Urán objavenej krátko predtým (1781), pôvodný názov uranit bol v roku 1790 zmenený na uranium. Klaproth analyzoval rudu z bane George Wagsfort vo Wittingshale pri Johanngeorgstadte v Sasku. Vystavil ju pôsobeniu kyseliny a prudko zohrial a získal čierny prášok, urán, ako sa domnieval. V skutočnosti išlo ale iba o jeho oxid, čistý urán sa podarilo získať až v roku 1841 Francúzovi Eugene-Melchior Peligotovi.
Urán sa potom používal na farbenie skla a glazúr (v Jáchymove od roku 1826), ťažil sa v českom Jáchymove a v britskom Cornwalle. Toto využitie podstatne kleslo v 2. polovici 20. storočia.
V roku 1896 zistil Henri Becquerel, že urán je rádioaktívny a – ak nerátame objav röntgenových lúčov krátko predtým – vlastne tým rádioaktivitu objavil. Marie Curiová so svojim manželom Pierrom Curiem potom z uránovej rudy (jáchymovského smolinca) izolovali 2 nové prvky: najskôr polónium, o niečo neskôr aj rádium. Uránové rudy boli až do 30. rokov (objav umelých izotopov) používané na výrobu rádia v nich obsiahnutého (rádium sa veľmi skoro po objave začalo v malých množstvách používať na lekárske účely). Podľa Františka Běhounka bolo však za celú túto dobu izolovaných iba okolo 1,5 kg rádia.
Pre účely jadrového priemyslu sa začal urán využívať až počas (resp. po) druhej svetovej vojny.
Prvá umelá jadrová reťazová reakcia (tzv. Fermiho reakcia) bola spustená 2. decembra 1942 talianskym fyzikom E. Fermim na ihrisku Chicagskej univerzity. Prostredníctvom jadrového reaktora (FBR1) bol po prvýkrát vyrobený elektrický prúd 20. decembra 1951, prvá jadrová elektráreň bola sprevádzkovaná v roku 1954 v ZSSR.

Výskyt a využitie

V prírode sa urán vyskytuje vo forme zmesi izotopov označovaných ako ²³⁸U (99,276 %) a ²³⁵U (0,718 %) a iba vo veľmi malom množstve ²³⁴U (0,004 %). V prírode je urán v najrôznejších rudách relatívne častý, ale iba v malých koncentráciách 0,4 – 3 %.
Najstaršou, najznámejšou a asi najdôležitejšou rudou je uraninit (prípadne uranin, smolinec) alebo nasturan UO₂ s prímesami (kubický minerál), zrejme druhou najdôležitejšou je carnotit K₂(UO₂)₂[VO₄]₂.3H₂O. Urán sa nachádza aj v ďalších rudách ako napr. v bröggerite, cleveite, nivenite (Nórsko) alebo v zipperite a johannite. V menšom množstve sa vyskytuje aj v uránových sľudách, vznikajúcich zvetrávaním pôvodných uránových rúd ako podvojné arzeničnany, sírany, fosforečnany a uhličitany. Na milión častíc v zemskej kôre pripadá 2,5 častice uránu (0,025 %). Pripravuje sa aluminotermicky z oxidov, alebo čistý do jadrových reaktorov redukciou fluoridu uraničitého kovovým vápnikom. Urán je čierny kovový prášok, ktorý sa taví na biely lesklý kov s jasnomodrým nádychom. Je hlavnou surovinou na získavanie atómovej energie a ďalšieho jadrového paliva plutónia. Urán sa stal najhľadanejším kovom na svete, pre využitie ako energetický zdroj budúcnosti. Urán je taktiež najpoužívanejšia rádioaktívna látka.

Jadrové využitie

Dnes sa po tzv. obohatení uránu (zvýšení koncentrácie izotopov ²³⁵U) používa ako palivo v jadrových reaktoroch alebo ako náplň atómových bômb. Pre využitie uránu ako jadrového paliva je potrebné zvýšiť koncentráciu izotopu ²³⁵U z 0,72 % väčšinou na 6 – 8 %. Pre použitie v atómovej bombe je potrebné zvýšiť koncentráciu na hodnotu okolo 90 %.
Ako jadrové palivo sa dá v tzv. ťažkovodných reaktoroch využiť aj ²³⁸U, je to však omnoho náročnejšie, preto sa táto možnosť zatiaľ v praxi príliš nevyužíva. Nadkriticky štiepiteľný je aj ²³⁴U. Z 1 gramu 235U vznikne úplným štiepením až 75 600 MJ tepelnej energie.
Z izotopu ²³⁸U sa v rýchlych množivých reaktoroch dá vyrábať plutónium, ktoré tiež môže slúžiť ako jadrové palivo alebo náplň atómových bômb, tento postup sa však zatiaľ príliš nepoužíva kvôli vysokým investičným nákladom a technologickej náročnosti.

Nejadrové využitie

Ako odpad po obohacovaní uránu zostane tzv. ochudobnený urán – ochudobnený preto, že bol zbavený podstatnej časti izotopu ²³⁵U) využiteľného ako palivo pre jadrové reaktory. V angličtine sa často označuje skratkou DU (depleted uranium) alebo zriedkavejšie tuballoy.
Ochudobnený urán je pre svoju vysokú hustotu využívaný všade tam, kde je potrebná vysoká hmotnosť (vyváženie, nutnosť dosiahnuť vysokú kinetickú energiu pri malom objeme). Tá je potrebná napr. pre výrobu protipancierových projektilov (tzv. šípovej, presnejšie podkalibernej strely – priemer strely je menší ako priemer hlavne, z ktorej je vystrelená). Pôsobí tu síce najmä vysoká kinetická energia strely, účinok však zosiluje aj to, že po prieniku projektilu za pancier sa tlakom a trením rozžhavené častice uránu vznietia, čo zvyšuje ničivý účinok vo vnútri obrneného priestoru K dosiahnutiu tohto efektu sa strela musí pohybovať rýchlosťou zvuku. Je potrebné upozorniť na to, že toto použitie ako také nemá absolútne žiadnu súvislosť s jadrovým využívaním uránu, jeho dôvodom je iba vysoká hustota uránu, ľahká vznietlivosť a relatívna lacnosť. Ako vedľajší produkt však napriek tomu môže dôjsť k rádioaktívnemu zamoreniu, miera jeho neškodnosti alebo škodlivosti nie je dosiaľ doriešená. Veľkú úlohu pritom zohráva síce nízka rádioaktivita ochudobneného uránu, ale jeho veľké rozptýlenie v prostredí a možnosť dostať sa priamo do tela živých organizmov (potravou, pitím alebo vdýchnutím). Tieto strely boli použité spojencami v Iraku v roku 1992, v Srbsku a Čiernej Hore, v Kosove v roku 1999 a pravdepodobne aj v Afganistane v roku 2002.
V staršom, ale ešte používanom Boeingu B747 sa urán používa ako vyrovnávacie závažie. Uvádza sa, že bolo vyrobených okolo 600 exemplárov tohto modelu obsahujúceho ochudobnený urán, pričom jednotlivé exempláre obsahujú 400 – 600 kg ochudobneného uránu (iný prameň uvádza dokonca 400 – 1 500 kg). Podobným spôsobom sa využíva aj v amerických vrtuľníkoch McDonnell Douglas DC 10. Ako záťaž sa využíva aj v plachetniciach, rotoroch gyroskopov, ropných vrtných súpravách, údajne dokonca aj vo vozoch Formuly 1. V niektorých amerických tankoch (napr. M1 Abrams) sa používa ako súčasť panciera. Ochudobnený urán môže byť použitý ako tienenie pred rádioaktivitou.
V zlúčenine dvojuránan sodný (Na₂U₂O₇.6H₂O) dodnes slúži pod názvom uránová žlť na farbenie skla a glazúr (farbí na žlto až žltozeleno). Asi sa ňou však dá farbiť aj na oranžovo až červeno. Miera tohto použitia sa však oproti minulosti výrazne znížila.
Vo fotografovaní sa zlúčeniny uránu (napr. UO₂(NO₃)₂ – dusičnan uranylu) používa na zosilnenie negatívov, do tónovacích kúpeľov a ako zosilňovačov svetlotlače. Kvôli chemickej toxicite sa dusičnan uranylu používa na experimentálne vyvolanie patologického stavu obličiek na pokusných zvieratách.
Urán obsahujúci svoj karbid je vhodným katalyzátorom pre syntézu amoniaku Haberovým spôsobom.