X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Уран: свойства, история открытий и применение
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Ведение
1. Цель работы:
Обощить информацию об уране как химическом элементе и веществе, информацию о его открытии и использовании в современной промышленности, науке и техники.
2. Методы работы:
- Анализ;
- Синтез;
- Индуктивный метод;
- Дедуктивный метод;
Основная часть
Уран представляет собой тяжелый металл глянцевого серебристо-белого оттенка. Его плотность 19,05 г/см3 температура плавления 1405,5 К. В чистом виде он гораздо мягче стали, ковкий, гибкий, относится к парамагнетикам. Изотопы урана неустойчивы и распадаются, что позволяет отнести уран к радиоактивным элементам.
Изотоп уран-238 является долгоживущим. Его период полураспада составляет 4,4млрд лет, что сопоставимо с возрастом планеты Земля. Уран-238 относится к слаборадиоактивным элементам.
Другой изотоп, уран-235 обладает периодом полураспада 0,7 млрд лет и способен к самоподдерживающейся ядерной реакции. Оба изотопа претерпевают альфа-распад превращаясь в соответствующие изотопы тория.
Уран достаточно распространён не только в земной коре. В некотором количестве он содержится в организме человека. Скелет может содержать до 60 микрограмм урана, почки около 7 микрограмм.
Ещё в I-й век до нашей эры уран находил своё применение в человеческой деятельности: природная окись урана применялась при изготовлении жёлтой глазури для керамики. Это доказывают находки осколков керамики с желтой глазурью, в составе которой определили 1 % оксида урана.
Первым научным исследованием этого минерала считаются экспериметны немецкого химика Мартина Генриха Клапрота, датируемые 1789 годом. По результатам кислотно-щелочной обработки минерала учёный получил спекшуюся массу черного цвета с включениями в виде небольших частиц металла. Клапрот назвал обнаруженный металл в честь недавно открытой планеты Уран. Следующие 50 лет после описанных опытов уран считали чистым металлом, пока в 1840 французский химик Эжен-Мелькор Пелиго не установил, что полученный Клапротом материал вовсе не чистый металл, а оксид. Именно Пелиго в дальнейшем получил чистый уран из тяжелого металла серого цвета и определил атомный вес урана, хотя и примерно.
В 1874 году элемент помещён в таблицу химических элементов её автором Дмитрием Менделеевым. Менделеев, на основе собственных разработок и алгоритмов понял, что на самом деле атомный вес урана должен быть больше в два раза, а спустя 12 лет химик Циммермана опытным путём подтвердил доагдку Менделева.
В 1896 году состоялось ещё одно знаменательное открытие. Антуан Анри Беккерель проводил эксперименты по изучению рентгеновских лучей и явления флуоресценции. Во время работ, он завернул кристаллы солей урана в чёрную, непроницаемую для света сбумагу и положил свёрток на фотопластинку. Спустя пару дней фотопластинка была проявлена, на ней обнаружилось чёткое изображение кристаллов. Это свидетельствовало о том, что соли урана без внешнего влияния, самопроизвольно создают излучение.
Лучи, испускаемые ураном, поначалу назвали «лучами Беккереля». Значительно позже знаменитая учёная Мария Кюри, исходя из собственных исследований, назвала это явление радиоактивностью.
В 1899 году Эрнест Резерфорд открыл неоднородности в излучении разных лабораторных препаратов из урана и предположил что существуют два вида излучения. Их назвали альфа- и бета-лучами. Через год Поль Вийяр открыл третий вид излучения — гамма-лучи.
Уже в 1938 немецкие физики Гани Штрассман году открыли другое явление, которое происходит с ядром урана при взаимодействии его с нейтронами. Если облучать ядро урана-235 пучком нейтронов, то, захватывая нейтроны, уран начинается делиться. При этом процесс сопровождается выделением большого количества энергии. Так родилась теория цепной ядерной реакции, которая завершила эпоху значительных открытий, связанных с изотопами урана.
В современной науке, медицине и промышленности широко используют уран. Изотоп урана-235U применяют в качестве топлива в ядерных реакторах благодаря самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.
Если изотоп U-235 изъять из природного урана, то оставшийся материал носит название "обедненный уран", т. к. лишён 235-го изотопа. Он уже не может быть использован как топливо для реактора, однако вполне подходит для других целей. Две важнейшие сферы использования этого вещества таковы: применение в целях радиационной защиты и в аэрокосмическом деле, при создании прочных деталей для летательных аппаратов различного назначения. Обеднённый уран применяется при бурении некоторых нефтяных скважин как материал для создания массивных ударных штанг, чей вес погружает инструмент в скважины. Обеднённый уран, благодаря своим физическим характеристикам, нашёл применение в высокоскоростных роторах гироскопов, маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах. В оружейном деле этот материал используется в качестве сердечников для бронебойных снарядов, повышая их эффективность в уничтожении брони. Его стоимость гораздо ниже аналогичным по эффективности монокристаллическому вольфраму, что делает использование обеднённого урана экономически выгодным.
Изотоп U238 обладает способностью делиться в результате бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами. Это свойство лего в основу увеличения мощности термоядерного оружия. Некоторые конструкции термоядерные боезарядов предусматривают слой обеднённого урана, окружающий основной термоядерный заряд.
Важная область применения изотопа урана это производство радиоактивного нуклида плутония-239, используемого в ядерных реакторах. В результате захвата нейтрона и дальнейшего бета-распада U238 может превратиться в 239Pu. Отмечу, что реакторное топливо, содержащее природный или обогащённый уран содержит в себе определенную долю плутония после нескольких лет использования в технологическом процессе.
Заключение
Таким образом, в данной информационно-реферативной работе были обобщены сведения о физических свойствах, истории открытий и сферах применения урана, природного слаборадиоактивного элемента.
Список используемой литературы:
Гайсинский М., Адлов Ж. Уран // Радиохимический словарь элементов. — Атомиздат, 1968.
Справочник по геологии нефти и газа / Под ред. Еременко Н. А. — М: Недра, 1984.
Изотопы: свойства, получение, применение. В. 2 т / Под ред. В. Ю. Баранова. — М: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — Т. 2.
УРАН // Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В. URL: https://бмэ.орг/index.php/%D0%A3%D0%A0%D0%90%D0%9D (дата обращения: 2.08.20).
Мотыляев А. Уран: факты и фактики // «Химия и жизнь» . 8. №2014.
7