Uraani

Protaktinium ← Uraani → Neptunium Nd ↑ U ↓ -       Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Uraani
Tunnus	U
Järjestysluku	92
Luokka	Aktinoidi
Lohko	f-lohko
Ryhmä	-
Jakso	7
Tiheys	19,05 · 103 kg/m3
Kovuus	6,0 (Mohsin asteikko)
Väri	hopeanharmaa
Löytövuosi, löytäjä	1789, Martin Heinrich Klaproth
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)	238,02891
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)	175 pm
Van der Waalsin säde	186 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 K (1 135 °C)
Kiehumispiste	4 403 K (4 130 °C)
Höyrystymislämpö	420 kJ/mol
Sulamislämpö	8,520 kJ/mol
Höyrynpaine	1,19 · 10−6 Pa 1 405 K:ssa
Äänen nopeus	3 155 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus	1,38 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	0,116 kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus	3,6 · 106 S/m
Lämmönjohtavuus	27,5 W/(m·K)
CAS-numero	7440-61-1
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, jotka ovat ²³⁴U:n ohella ainoat isotoopit, joita löydetään luonnosta. Luonnonuraanin sulamispiste on 1 135 °C ja tiheys 19 050 kg/m³. ²³⁵U-isotooppia voidaan käyttää ydinpolttoaineena energiantuotantoon ja ydinaseiden valmistamiseen.

Ominaisuudet

Metallista uraania.

Fysikaaliset ominaisuudet

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.

Kemialliset ominaisuudet

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 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.

Uraanilla on kolme allotrooppista muotoa. Alfamuoto on rombista ja stabiilia 667,7 °C:seen asti. Lämpötilavälillä 667,7–774,8 °C uraani on betamuodossa ja tetragoninen. Yli 774,8 °C:ssa uraani on gammamuodossa, jolloin sen kiderakenne on tilakeskinen kuutio. Uraani on parhaiten työstettävissä gammamuodossa. Alfamuodosta tulee suprajohtavaa 0,68 K:n 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 U³⁺ hapettuu nopeasti vapauttaen vetyä vesiliuoksissa.

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

Yhdisteet

Uraanin yhdisteet ovat tyypillisesti vihreitä tai keltaisia. Uraani muodostaa hyvin monipuolisella stoikiometrialla yhdisteitä hapen kanssa. Musta UO₂ on uraanin käytetyin muoto. Sitä käytetään muun muassa polttoaineissa. Lisäksi uraani muodostaa kelta-oranssia uraanitrioksidia (UO₃, myös uranyylioksidi) ja vihreää triuraanioktaoksidia (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:n lämpötilassa olevan vedyn kanssa. Korkeammissa lämpötiloissa uraanihydridi (UH₃) hajoaa reversiibelisti. Tämän ominaisuuden ansiosta sitä 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.

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

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 [UF₁₀]⁴⁻, [UF₈]³⁻ ja [UF₇]²⁻. Usein uraani esiintyy kompleksiyhdisteissään uranyylikationina UO₂⁺ ja UO₂²⁺. 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.

Haitallisuus

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 useaan sukupolveen.

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.

Isotoopit ja radioaktiivisuus

Uraani ei ole voimakkaan radioaktiivista. Kaksi tärkeintä isotooppia ovat ²³⁵U ja ²³⁸U. Luonnosta löydetään myös pieni määrä ²³⁴U:ta, jota syntyy ²³⁸U:n hajoamisen seurauksena. Kaikki kolme isotooppia hajoavat alfasäteilyn kautta. Teollisesti merkittävin isotooppi on ²³⁵U, jota käytetään ydinpolttoaineena. ²³⁸U on uraanin pitkäikäisin isotooppi, jonka puoliintumisaika on 4,468 miljardia vuotta.

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:

Historia

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 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.

Esiintyminen ja eristäminen

Uraanin esiintyminen

Pääartikkeli: Uraanin esiintyminen

Uraanin tuottajat merkittynä kartalle.

Kymmenen maata vastaa 94 %:sta maailman uraanituotannosta.

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 %, 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 % maailman tunnetuista uraanivarannoista sijaitsee Australiassa, ja suurin yksittäinen lähde on Olympic Dam Mine -kaivos Etelä-Australiassa. . 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.

Kaivostoiminta

Pääartikkeli: Uraanikaivos

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. Myös nykyisellä yhtiöllä Terrafamella on ympäristölupa uraanin louhimiseen, mutta ennen louhimisen aloittamista sen tulee saada lupa valtioneuvostolta. Suomessa uraanin louhintaa valvoo Säteilyturvakeskus, jolle on ilmoitettava kaikki luonnonvarojen hyödyntäminen, jos uraanin pitoisuus on yli 0,01 %.

Uraanikaivos voi olla joko avolouhos tai sijaita maan alla. Uraani eristetään malmistaan tavallisesti kemiallisesti uuttamalla. Uuttamisen jälkeen syntyy lähinnä uraanioksidia U₃O₈, joka käsitellään typpihapolla. Tällöin syntyy kidevedellistä uranyylinitraattia UO₂(NO₃)₂ · 6 H₂O. Sitä 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.

Uraanin väkevöinti

Pääartikkeli: Uraanin väkevöinti

Luonnossa esiintyvästä uraanista suurin osa on isotooppia ²³⁸U, joka ei ole reaktiivinen fission kautta. Uraania voidaan väkevöidä, eli ²³⁵U-isotoopin suhteellista määrää kasvatetaan sentrifugin tai kaasudiffuusion avulla. Kaasudiffuusiossa uraaniheksafluoridi-kaasu ohjataan puoliläpäisevän kalvon läpi, jolloin raskaampi ²³⁸U diffuntoituu hitaammin kuin kevyempi ²³⁵U. 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 ²³⁵U:n ja fluorin välistä sidosta, jolloin vain ²³⁸U jää sitoutuneeksi fluoriin ja haluttu ²³⁵U saostuu metallisena. Tavallisesti ²³⁵U pitoisuus väkevöinnin jälkeen on 2–3 %, joka riittää ydinpolttoaineeksi. Ydinaseita varten uraani väkevöidään siten, että ²³⁵U pitoisuus on noin 90 %.

Käyttö

Loviisan ydinvoimalaitos käyttää uraania sähköntuottamiseen.

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 % kaikesta maailman sähköstä tuotetaan uraanin avulla. Kun neutroni osuu ²³⁵U 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 4-prosenttiseksi rikastettua uraanipolttoainetta tuottaa energiaa saman verran kuin 1 500 tonnia kivihiiltä eli noin 20 biljoonaa joulea. Polttoaineena käytetään yleensä väkevöityä uraania, jonka ²³⁵U-pitoisuus on noin 3 %. CANDU-reaktorissa voidaan käyttää luonnon uraania, joka sisältää huomattavasti vähemmän kuin 3 % uraanin isotooppia ²³⁵U.

Uraania (90+% ²³⁵U) voidaan hyödyntää myös ydinaseessa. Köyhdytettyä uraania voidaan käyttää panssarin läpäisevissä ammuksissa ja panssareissa, sillä uraanilla on hyvin korkea tiheys. Uraania (²³⁸U) 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 ²³⁸U voidaan muuttaa plutoniumiksi hyötöreaktorissa. Plutoniumia voidaan hyödyntää ydinpolttoaineena.

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

Uraania voidaan hyödyntää myös kaikkein pitkäikäisimpien kivien iän arviointiin. Sitä voidaan käyttää röntgensäteilylähteenä. Uraania voidaan käyttää lejeeringeissä tuomaan vahvuutta, sitkeyttä ja vetolujuutta.

Lähteet

• Grenthe, Ingmar et al.: ”luku 5”, Uranium, s. 253–698. (Teoksessa: Morss, Lester R. et al. (toim.) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, 3. painos) Dordrecht: Springer, 2006. ISBN 1402035985 Teoksen verkkoversio (PDF). (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)
• Lehto, Jukka & Hou, Xiaolin: Chemistry and Analysis of Radionuclides. Weinheim: Wiley-VCH, 2011. (englanniksi)

Aiheesta muualla

• PubChem: Uranium (englanniksi)
• Periodictable: Uranium (englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium (englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-233 (englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-234 (englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-235 (englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Uranium-238 (englanniksi)
• Webmineral: Mineral Species containing Uranium (U) (englanniksi)
• Mindat: The Mineralogy of Uranium (englanniksi)
• Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Uranium (englanniksi)
• The Royal Society of Chemistry (RSC): Uranium (englanniksi)

Ydintekniikka

Ydinfysiikka	Atomi Fissio Fuusio Säteily Radioaktiivisuus Ionisoiva säteily Ydinräjähdys Fissiili Vaikutusala Kriittinen massa
Ydinvoima	Ydinvoiman käyttökohteet Ydinpolttoainekierto Säteilyturvallisuus Ydinturvallisuus Ydinjätehuolto Geologinen loppusijoitus Uraani Uraanin esiintyminen Uraanikaivos Uraanin väkevöinti Plutonium Torium Torium-ydinpolttoainekierto
Ydinreaktori	Kevytvesireaktori Kiehutusvesireaktori Painevesireaktori VVER-reaktori EPR-reaktori RBMK-reaktori MKER-reaktori CANDU-raskasvesireaktori AP1000-reaktori Pieni modulaarinen reaktori Hyötöreaktori Kiihdytinreaktori SCWR-reaktori Nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori Sulasuolareaktori Kaksoisfluidireaktori Fuusioreaktori
Ydinaseet	Ydinsota Vetypommi Neutronipommi Ydinaseriisunta Vaikutukset
Ydinonnettomuus	Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus Three Mile Islandin ydinvoimalaonnettomuus Luettelo ydinonnettomuuksista Luettelo ydinlaitostapahtumista Ydinvoimalan sydämen sulamisonnettomuus Ydinaseonnettomuus INES-asteikko
Ydinvoima Suomessa	Olkiluodon ydinvoimalaitos Loviisan ydinvoimalaitos Hanhikiven ydinvoimalaitos