Uraani
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 U ja U, jotka ovat U ohella ainoat isotoopit, joita löydetään luonnosta. Luonnonuraanin sulamispiste on 1 135 °C ja tiheys 19 050 kg/m³. U-isotooppia voidaan käyttää ydinpolttoaineena energiantuotantoon ja ydinaseiden valmistamiseen.
Uraani on hopeanharmaa metalli, joka on helposti taottavaa ja taipuisaa. Sen sulamispiste on 1 135 °C ja kiehumispiste 4 130 °C. Sen tiheys on 19,05 g/cm³, joka on suhteellisen suuri. Uraani on paramagneettinen ja huono sähköjohde.
Uraani kuuluu aktinoideihin. Se on kohtalaisen reaktiivinen metalli. Se reagoi hyvin epämetallien, kuten hapen, rikin, fosforin ja halogeenien kanssa. Ilmassa metallinen uraani tummenee muodostaen oksidikerroksen. Uraanidioksidi UO 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.
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. Alfamuodosta tulee suprajohtavaa 0,68 K lämpötilassa.
Uraanin tavalliset hapetusluvut ovat +III, +IV, +V ja +VI, mutta se ei esiinny vesiliuoksissa vapaana hapetusluvuilla +V ja +VI, vaan ne hydrolysoituvat nopeasti jopa happamissa olosuhteissa. Samoin U hapettuu nopeasti vapauttaen vetyä vesiliuoksissa.
Uraanin elektronikonfiguraatio on [Rn] 5f6d7s. Sen ensimmäinen ionisaatioenergia on 597,6 kJ/mol.
Uraanin yhdisteet ovat tyypillisesti vihreitä tai keltaisia. Uraani muodostaa hyvin monipuolisella stoikiometrilla yhdisteitä hapen kanssa. Musta UO on uraanin käytetyin muoto. Sitä käytetään muun muassa polttoaineissa. Lisäksi uraani muodostaa kelta-oranssia uraanitrioksidia (UO, myös uranyylioksidi) ja vihreää triuraanioktaoksidia (UO). Lisäksi uraani muodostaa peroksideja, kuten kidevedellistä UO (UO·HO·HO). 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 uraanihydridi (UH) hajoaa reversiibelisti. Tämän ominaisuuden ansiosta sitä käytetään muun muassa karbidien ja nitridien lähtöaineena. UH on pyroforista. Uraanikarbideja ja -nitridejä tunnetaan stoikiometrioilla UX, UX ja U,X, 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.
Uraani muodostaa monipuolisesti yhdisteitä halidien kanssa. Kloorin kanssa se muodostaa tri-, tetra-, penta- sekä heksakloridin. Fluorin kanssa uraani muodostaa sekä tetra- että heksafluoridin. Näistä heksafluoridia käytetään erityisesti uraanin väkevöinnissä. Se on voimakkaan korrosoivaa ja reagoi kiivaasti veden ja öljyn kanssa.
Uraanyylinitraatti UO(NO) on hyvin myrkyllistä. Uraani muodostaa sulfaatin UOSO.
Uraani voi muodostaa kompleksiyhdisteitä hapetusluvuilla +III, +IV, +V ja +VI, ja näistä tyypillisimmät hapetusluvut ovat +III ja +VI. Se on voimakas Lewis-happo, joten se voi muodostaa komplekseja erilaisten ligandien kanssa. Usein ligandina on fluoridi-ioni, ja uraanin fluorokomplekseja tunnetaan esimerkiksi [UF], [UF] ja [UF]. Usein uraani esiintyy kompleksiyhdisteissään uranyylikationina UO ja UO. Toinen yleinen kompleksityyppi on happea tai typpeä sisältävät ligandit. Uraanista tunnetaan myös useita organometalliyhdisteitä, joista pysyvimpiä ovat syklopentadienyylijohdannaiset. Syklopentadienyyliligandin lisäksi näissä yhdisteissä voi olla myös halogeeniligandeja. Uranoseenissa orgaanisena rakenneosana on syklo-oktatetraeeni.
Uraani muodostaa myös lejeerinkejä. Uraani-rodium-germanium-lejeerinki oli ensimmäinen tunnettu seos, joka muuttui suprajohteeksi voimakkaassa magneettikentässä.
Uraani on haitallista niin kemiallisesti kuin radiologisesti. Se tiedetään teratogeneettiseksi ja karsinogeeniseksi aineeksi, eli se voi elimistöön joutuessaan vahingoittaa DNA:ta, myös sukusolun DNA:ta, ja siten aiheuttaa epämuodostumia kehittyvässä alkiossa, keskenmenon riskiä ja alkion kuoleman. DNA-vaurio tai geenimutaatio voi olla myös piilevä ja periytyä usean sukupolven.
Kemiallinen terveysriski eli myrkytysriski muodostuu, jos uraania kertyy munuaisiin, maksaan ja luustoon. Suurina annoksina uraani on erityisen myrkyllistä munuaisille ja luustolle. Uraani vahingoittaa munuaisen proksimaalitiehyttä, minkä seurauksena pienten proteiinien ja glukoosin eritys virtsaan lisääntyy. Suomessa porakaivonkäyttäjät saattavat altistua merkittävälle määrälle uraania, 1–2 mg/l (WHO:n ohjearvosuositus 2 μg/l), 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. Myös uraanin hajoamistuotteet, kuten radon, strontium ja jodi, voivat olla kemiallisesti ja radiologisesti haitallisia terveydelle. REACH-asetuksen mukaan uraani on haitallista.
Uraani ei ole voimakkaan radioaktiivista. Kaksi tärkeintä isotooppia ovat U ja U. Luonnosta löydetään myös pieni määrä U, jota syntyy U hajoamisen seurauksena. Kaikki kolme isotooppia hajoavat alfasäteilyn kautta. Teollisesti merkittävin isotooppi on U, jota käytetään ydinpolttoaineena. U on uraanin pitkäikäisin isotooppi, jonka puoliintumisaika on 4,468 miljardia vuotta.
Lähde:
Uraanin löytäjänä pidetään saksalaista apteekkaria ja kemistiä Martin Klaprothia. 1780-luvun lopulla Klaproth tutki uraniniittia eli pikivälkettä (, "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 "uran", joka oli kunnianosoitus muutama vuosi aikaisemmin löydetylle Uranus-planeetalle. Sittemmin se muotoutui muotoon "uranium". Pikivälkettä alettiin lopulta 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 1896 Henri Becquerel havaitsi uraanin radioaktiivisuuden. Toisessa maailmansodassa elokuussa 1945 Yhdysvallat pudotti Hiroshiman kaupunkiin uraaniin perustuvan ydinpommi Little Boyn. Sähköä tuotettiin ensimmäisen kerran uraanin avulla vuonna 1951. Ydinvoimaa hyödynnettiin vuonna 1954 "USS Nautiluksella". Ensimmäinen ydinvoimala avattiin lokakuussa 1956 Sellafieldissä.
Uraanin pitoisuudeksi maankuoressa arvioidaan 1–4 ppm, eli se on yhtä yleistä kuin tina ja 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 prosenttia, jotta malmi olisi kaupallisesti merkittävää. Sen radioaktiivinen hajoaminen on yksi merkittävimmistä maalämmön aiheuttajista.
Uraanin suurimmat tuottajat ovat Kanada, Australia ja Niger. Myös Yhdysvalloilla, Venäjällä, Kongolla, Etelä-Afrikalla, Gabonilla ja Kiinalla on merkittävät uraanivarannot. 40 prosenttia 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 suurin uraanin tuottaja. Yhteensä tunnetut uraanivarannot on kolme miljoonaa tonnia, ja arvioidaan, että merissä on viisi miljardia tonnia lisää uraania. Uraanikaivokset ovat tyypillisesti avokaivoksia. Uraania myydään vain maille, jotka ovat ratifioineet ydinsulkusopimuksen eli käyttävät uraania vain rauhanomaisiin tarkoituksiin.
Suomessa ei ole tällä hetkellä yhtäkään uraanikaivosta. Suomessa on louhittu uraania 1950- ja 1960-luvuilla Paukkajanvaarassa, Enossa (nykyään osa Joensuuta). Paukkajanvaarasta louhittiin yhteensä 30 tonnia uraania. 
Talvivaaran kaivosta aiemmin pyörittäneellä yhtiöllä on ollut lupa tuottaa uraania sivutuotteena, mutta kaivoksen 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, jolle on ilmoitettava kaikki luonnonvarojen hyödyntäminen, jos uraanin pitoisuus on yli 0,01 prosenttia.
Uraanikaivos voi olla joko avolouhos tai sijaita maan alla. Uraani eristetään malmistaan tavallisesti kemiallisesti uuttamalla. Uuttamisen jälkeen syntyy lähinnä uraanioksidia UO, joka käsitellään typpihapolla. Tällöin syntyy kidevedellistä uranyylinitraattia UO(NO) · 6 HO. Sitä kuumennettaessa syntyy uraanitrioksidia UO, joka voidaan pelkistää vedyn avulla uraanidioksidiksi UO. UO 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.
Luonnossa esiintyvästä uraanista suurin osa on isotooppia U, joka ei ole reaktiivinen fission kautta. Uraania voidaan väkevöidä, eli U-isotoopin suhteellista määrää kasvatetaan sentrifugin tai kaasudiffuusion avulla. Kaasudiffuusiossa uraaniheksafluoridi-kaasu ohjataan puoliläpäisevän kalvon läpi, jolloin raskaampi U diffuntoituu hitaammin kuin kevyempi U. 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:n ja fluorin välistä sidosta, jolloin vain U jää sitoutuneeksi fluoriin ja haluttu U saostuu metallisena. Tavallisesti U pitoisuus väkevöinnin jälkeen on 2–3 prosenttia, joka riittää ydinpolttoaineeksi. Ydinaseita varten uraani väkevöidään siten, että U pitoisuus on noin 90 prosenttia.
Uraania on käytetty 2 000 vuotta sitten lasin ja keramiikan värjäykseen. Uraanioksidit värjäävät lasin kellanvihreäksi. Uraania on käytetty myös tekstiiliteollisuudessa väriaineen tarttumisen helpottamiseksi. Sitä 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.
Nykyään uraanin pääasiallinen käyttökohde on ydinpolttoaineena ydinvoimaloissa. Noin 14 prosenttia kaikesta maailman sähköstä tuotetaan uraanin avulla. Kun neutroni osuu U nuklidiin voi tietyllä todennäköisyydellä tapahtua fissio, jossa vapautuu energiaa. Tytärnuklidien ja vapautuvien neutronien kineettinen energia sekä muiden, muun muassa tytärnuklidien, hajoamisenergiat siirtyvät ensiöpiirin veteen, joka ohjataan lämmönvaihtimeen. Toisiopiirin vesi höyrystyy ja pyörittää höyryturbiinia, ja tämä muodostaa generaattorissa sähkövirtaa. Yksi kilogramma neljäprosenttiseksi rikastettua uraanipolttoainetta tuottaa energiaa saman verran kuin 1 500 tonnia kivihiiltä eli noin 20 triljoonaa joulea. Polttoaineena käytetään yleensä väkevöityä uraania, jonka U pitoisuus on noin kolme prosenttia. CANDU-reaktorissa voidaan käyttää luonnon uraania, joka sisältää huomattavasti vähemmän kuin kolme prosenttia uraanin isotooppia U.
Uraania (90+% U) voidaan hyödyntää myös ydinaseessa. Köyhdytettyä uraania voidaan käyttää panssarin läpäisevissä ammuksissa ja panssareissa, sillä uraanilla on hyvin korkea tiheys. Uraania (U) käytetään myös suojana radioaktiivista säteilyä vastaan. Köyhdytetty uraani on myrkyllistä. Jos uraania sisältävä ammus räjähtää, voi muodostua myös kaasumaisia uraaniyhdisteitä. Jos ammus pirstoutuu tai jauhautuu pölyksi voi uraania ja uraaniyhdisteitä joutua maaperään ja vesistöihin ja aiheuttaa terveysriskejä. Muodostunut pöly on myös pyroforista.
Isotooppia U voidaan muuttaa plutoniumiksi hyötöreaktorissa. Plutoniumia voidaan hyödyntää ydinpolttoaineena.
Uraania voidaan hyödyntää myös kaikkein pitkäikäisimpien kivien iän arviointiin. Sitä voidaan käyttää röntgensäteilylähteenä. Uraania voidaan käyttää lejeeringeissä tuomaan vahvuutta, sitkeyttä ja vetolujuutta.