Большая Советская Энциклопедия (УР)

Фигура У. сильно сжата у полюсов (сжатие – около 1: 33), что отражает факт быстрого его вращения вокруг оси: период осевого вращения У. составляет 10,8 ч. Поскольку на диске У. не заметно никаких деталей, установить факт его вращения из прямых наблюдений невозможно. Период вращения У. установлен по периодическим изменениям его блеска с амплитудой до 0,15 звёздной величины, а также по величине смещения линий в его спектре вследствие эффекта Доплера, что позволяет определить линейную скорость вращения У. на его экваторе. В отличие от большинства планет, у которых осевое вращение, если смотреть на планету со стороны Сев. полюса, происходит против часовой стрелки, т. е. в ту же сторону, в которую движется и сама планета вокруг Солнца, У. (как и Венера) вращается в сторону, противоположную орбитальному движению; ось вращения У. лежит почти в плоскости орбиты, составляя с нормалью к орбите угол 98°.

Из-за большого удаления от Солнца У. получает от него очень мало света и тепла – почти в 370 раз меньше, чем Земля, но его отражательная способность очень велика – самая высокая среди планет: сферическое альбедо У. равно 0,93, геометрическое альбедо – 0,57. Если У. столь же эффективно отражает всё тепловое излучение Солнца, то его температура на поверхности должна быть очень низкой – ниже 90 К (–180 °С); это подтверждается измерениями в инфракрасной области спектра, где средняя температура оказалась равной всего лишь 55 ± 3 К. В то же время температура, измеренная в сантиметровом диапазоне, заметно превышает 100 К, что свидетельствует о существовании потока тепла из недр планеты. Большое альбедо У. говорит о наличии мощной атмосферы. Спектроскопическим методом на планете обнаружен молекулярный водород H₂ мощностью 100 км-атм над уровнем облачного слоя и метан CH₄ мощностью от 3 до 150 км-атм (по разным оценкам). Давление атмосферы на уровне облаков оценивается в 3 атм. Теоретические исследования внутреннего строения У. привели к следующим результатам: внешняя газовая оболочка состоит из газов H₂ , Не, CH₄ , общая масса которых составляет около 10% полной массы планеты; толщина оболочки – 27% радиуса У.; ниже находится жидкое ядро, состоящее преимущественно из воды.

У. имеет 5 спутников, которые движутся в экваториальной плоскости У. в направлении вращения планеты. Все они слабы и доступны наблюдениям лишь с помощью крупных телескопов. Два спутника, более удалённые и самые яркие, – Титания и Оберон – были открыты Гершелем в 1787, менее яркие – Ариель и Умбриэль – У. Ласселлом в 1851 и, наконец, самый близкий к планете спутник – Миранда – амер. астрономом Дж. Койпером в 1948 фотографическим путём (блеск 16,5 звёздной величины). Размеры спутников можно лишь грубо оценить по их блеску: самый крупный из них – Титания – имеет диаметр между 0,5 и 1,3 тыс. км, самый малый – Миранда – от 150 до 500 км.

Лит.: Мороз В. И., Физика планет, М., 1967; Мартынов Д. Я.. Планеты. Решенные и нерешенные проблемы, М., 1970.

Д. Я. Мартынов.

Уран (хим. элемент)

Ура'н (лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов , атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный У. состоит из смеси трёх изотопов: ²³⁸ U – 99,2739% с периодом полураспада T¹ /₂ = 4,51·10⁹ лет, ²³⁵ U – 0,7024% (T¹ /₂ = 7,13·10⁸ лет) и ²³⁴ U – 0,0057% (T¹ /₂ = 2,48·10⁵ лет). Из 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240 долгоживущий – ²³³ U (T¹ /₂ = 1,62·10⁵ лет); он получается при нейтронном облучении тория. ²³⁸ U и ²³⁵ U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

Историческая справка. У. открыт в 1789 нем. химиком М. Г. Клапротом и назван им в честь планеты Уран, открытой В. Гершелем в 1781. В металлическом состоянии У. получен в 1841 франц. химиком Э. Пелиго при восстановлении UCl₄ металлическим калием. Первоначально У. приписывали атомную массу 120, и только в 1871 Д. И. Менделеев пришёл к выводу, что эту величину надо удвоить.

Длительное время уран представлял интерес только для узкого круга химиков и находил ограниченное применение для производства красок и стекла. С открытием явления радиоактивности У. в 1896 и радия в 1898 началась промышленная переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях и медицине. С 1942, после открытия в 1939 явления деления ядер (см. Ядра атомного деление ), У. стал основным ядерным топливом.

Распространение в природе. У. – характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание У. в земной коре (кларк) 2,5·10^{– 4} % по массе, в кислых изверженных породах 3,5·10^{– 4} %, в глинах и сланцах 3,2·10^{– 4} %, в основных породах 5·10^{– 5} %, в ультраосновных породах мантии 3·10^{– 7} %. У. энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Важную роль в геохимии У. играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения У., как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например, сероводородных).

Известно около 100 минералов У.; промышленное значение имеют 12 из них (см. Урановые руды ). В ходе геологической истории содержание У. в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов РЬ, Не. Радиоактивный распад У. играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.

Физические свойства. У. по цвету похож на сталь, легко поддаётся обработке. Имеет три аллотропические модификации – a, b и g с температурами фазовых превращений: a®b 668,8±0,4°C, b® g 772,2 ± 0,4 °С; a-форма имеет ромбическую решётку a = 2.8538

, b = 5,8662

, с = 4,9557

), b-форма – тетрагональую решётку (при 720 °С а = 10,759

, b = 5,656

), g-форма – объёмноцентрированную кубическую решётку (при 850°C а = 3,538

). Плотность У. в a-форме (25°C) 19,05 ± 0,2 г/см³, t_пл 1132 ± 1°С; t_kип 3818 °С; теплопроводность (100–200°C), 28,05 вт/ (м ·К ) [0,067 кал/ (см ·сек ·°С)], (200–400 °C) 29,72 вт/ (м ·К ) [0,071 кал/ (см ·сек ·°С)]; удельная теплоёмкость (25°C) 27,67 кдж/(кг ·К ) [6,612 кал/(г·°С)]; удельное электросопротивление при комнатной температуре около 3·10^{– 7}ом ·см, при 600°C 5,5·10^{– 7} ом ·см; обладает сверхпроводимостью при 0,68 ± 0,02К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10^{– 6} .

Механические свойства У. зависят от его чистоты, от режимов механической и термической обработки. Среднее значение модуля упругости для литого У. 20,5·10^{– 2}Мн/м² [20,9·10^{– 3}кгс/мм² ] предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372–470 Мн/м² [38–48 кгс/мм² ], прочность повышается после закалки из b- и g-фаз; средняя твёрдость по Бринеллю 19,6–21,6·10²Мн/м² [200–220 кгс/мм² ].

Облучение потоком нейтронов (которое имеет место в ядерном реакторе ) изменяет физико-механические свойства У.: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать У. в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов.

У. – радиоактивный элемент . Ядра ²³⁵ U и ²³³ U делятся спонтанно, а также при захвате как медленных (тепловых), так и быстрых нейтронов с эффективным сечением деления 508·10^{– 24} см² (508 барн ) и 533·10^{– 24} см² (533 барн ) соответственно. Ядра ²³⁸ U делятся при захвате только быстрых нейтронов с энергией не менее 1 Мэв; при захвате медленных нейтронов ²³⁸ U превращается в ²³⁹ Pu, ядерные свойства которого близки к ²³⁵ U. Критич. масса У. (93,5% ²³⁵ U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара – около 50 кг, для шара с отражателем – 15 – 23 кг; критическая масса ²³³ U – примерно ¹ /₃ критической массы ²³⁵ U.

Химические свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома У. 7s² 6d¹ 5f³. У. относится к реакционноспособным металлам, в соединениях проявляет степени окисления + 3, + 4, + 5, + 6, иногда + 2; наиболее устойчивы соединения U (IV) и U (VI). На воздухе медленно окисляется с образованием на поверхности плёнки двуокиси, которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии У. пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует двуокись UO₂ , трёхокись UO₃ и большое число промежуточных окислов, важнейший из которых U₃ O₈ . Эти промежуточные окислы по свойствам близки к UO₂ и UO₃ . При высоких температурах UO₂ имеет широкую область гомогенности от UO_1,60 до UO_2,27 . С фтором при 500–600°C образует тетрафторидирд (зелёные игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF₆ (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4°C); с серой – ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее). При взаимодействии У. с водородом при 220 °С получается гидрид UH₃ ; с азотом при температуре от 450 до 700 °С и атмосферном давлении – нитрид U₄ N₇ , при более высоком давлении азота и той же температуре можно получить UN, U₂ N₃ и UN₂ ; с углеродом при 750–800°C – монокарбид UC, дикарбид UC₂ , а также U₂ C₃ ; с металлами образует сплавы различных типов (см. Урановые сплавы ). У. медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO₂ и H₂ , с водяным паром – в интервале температур 150–250 °С; растворяется в соляной и азотной кислотах, слабо – в концентрированной плавиковой кислоте. Для U (VI) характерно образование иона уранила UO₂^{2 +} ; соли уранила окрашены в жёлтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зелёный цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганическими, так и с органическими веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и др. комплексы. Известно большое число уранатов (солей не выделенной в чистом виде урановой кислоты), состав которых меняется в зависимости от условий получения; все уранаты имеют низкую растворимость в воде.

У. и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.

Получение. У. получают из урановых руд, содержащих 0,05–0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом У. в кислый раствор в виде UO₂ SO₄ или комплексных анионов [UO₂ (SO₄ )₃ ]^4- , а в содовый раствор – в виде [UO₂ (CO₃ )₃ ]^4- . Для извлечения и концентрирования У. из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органическими растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щёлочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидроокись U (OH)₄ . Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO₃ или U₃ O₈ ; эти окислы при 650–800°C восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO₂ с последующим переводом его в UF₄ обработкой газообразным фтористым водородом при 500–600°C. UF₄ может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF₄ ·nH₂ O плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450°C в токе водорода. В промышленности основным способом получения У. из UF₄ является его кальциетермическое или магниетермическое восстановление с выходом У. в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.