Uran ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92. Natururan ist das schwerste in der Natur vorkommende Element. Es besteht weltweit zu 0,711 % aus dem Isotop 235U und zu 99,3 % aus dem 238U.
| Eigenschaften | |||||
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| Allgemein | |||||
| Zeichen | U | ||||
| Ordnungszahl | 92 | ||||
| häufigstes Isotop | 238 | ||||
| Schwermetall | |||||
| Schmelzpunkt | 1405 K (etwa 1132 °C) | ||||
| Siedepunkt | 4407 K (etwa 4134 °C) | ||||
| Dichte | 18 950 kg/m³ | ||||
| Atomradius metallisch in pm (10-12m) | 139 | ||||
| 1. Ionisierungsenergie in kJ/mol | 593 | ||||
| Elektronenkonfiguration | [Rn] 5f36d17s2 | ||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |||||
Eigenschaften und Anwendung
Uran kommt in drei Modifikationen vor: α-Uran bei Temperaturen unter 688 °C), β-Uran im Temperaturbereich zwischen 688 und 776 °C und γ-Uran im Temperaturbereich zwischen 776 °C und seinem Schmelzpunkt. Uran ist ein schweres, extrem hartes, silber-weißes Metall, welches in fein verteiltem Zustand selbstentzündlich ist. Die meisten Säuren lösen metallisches Uran auf, während es von Alkalien nicht angegriffen wird. An der Luft überzieht sich das Metall mit einer Oxidschicht.
Uran ist giftig (chemotoxisch) und – aufgrund seiner großen Halbwertszeit – schwach radioaktiv. Das Uranisotop 235U wird in Atomkraftwerken zur Energiegewinnung genutzt, das Isotop 238U kann in Brutreaktoren eingesetzt werden, um Plutonium herzustellen.
Das Isotop 235U kommt in nur geringer Konzentration (etwa 0,72 %) im natürlichen Uran vor und wird durch Anreicherung aufkonzentriert. Die übrig bleibende Fraktion wird auch abgereichertes Uran genannt. Uran-235 ist neben Plutonium der wichtigste Spaltstoff für den Bau der Atombombe.
Aufgrund seiner hohen Dichte wird abgereichertes Uran (depleted uranium, DU) in einigen Ländern in Abschirmblechen in der Atomindustrie eingesetzt. In einem Flugzeugmodell des Herstellers Boeing wurde es wegen der hohen Dichte als Gegengewicht im Heck eingesetzt. Einige Staaten (zum Beispiel USA, Russland) nutzen es auch als Projektilkernmaterial für panzerbrechende Munition (Uranmunition). Im großen Umfang wurde die DU-Munition erstmalig in den beiden Irak-Kriegen 1990 und 2003 und im Kosovo-Krieg 1999 seitens der USA zum Einsatz gebracht. Dementsprechend weisen diese Länder derzeitig viele Fundorte verschossener DU-Munition auf.
Abgereichertes Uran wird in amerikanischen Panzern (z.B. M1 Abrams) als Panzerung eingesetzt. Es handelt sich um eine Sandwichpanzerung mit einer Schicht Uran zwischen zwei Schichten Panzerstahl.
Geschichte
Uran wurde 1789 von dem deutschen in Berlin lebenden Chemie-Professor und Apotheker Martin Heinrich Klaproth (1743 bis 1817) aus dem Mineral Pechblende isoliert. Es ist nach dem Planeten Uranus benannt, der acht Jahre zuvor (1781) durch Friedrich Wilhelm Herschel (1738 bis 1822) entdeckt worden war. Am 24. September 1789 gab er die Entdeckung in einer Ansprache vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften bekannt. Zuerst wurde seine Entdeckung 'Uranit' genannt, und 1790 wurde es in "Uranium" umbenannt. Klaproth hatte seine Entdeckung beim Analysieren des Erzes aus dem Bergwerk "George Wagsfort" in Wittigsthal bei Johanngeorgenstadt in Sachsen. Er behandelte das Erz mit Säure und erwärmte es stark. Das Ergebnis bestand in einem schwarzen Pulver, das er "Uran" nannte.
Klaproth hatte tatsächlich ein neues Element identifiziert, aber was er gewonnen hatte, war nicht das Element Uran selber, sondern ein Oxid. Erst fünzig Jahre später im Jahre 1841 gelang es dem Franzosen Eugène Peligot, reines Uranmetall zu gewinnen.
In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde Uran zusammen mit anderen Mineralien in Joachimsthal sowie einigen Minen in Cornwall (England) gewonnen.
Abgesehen vom Wert, den es für Chemiker hatte, wurde Uran im ganzen 19. Jahrhundert nur zum Färben von Glas und Keramik verwendet. Uranverbindungen wurden eingesetzt, um Vasen und Dekorationsstücken aus Glas eine gelbgrüne Farbe zu geben. Glashersteller aus Joachimsthal benutzten diese Technik bereits 1826. Keramische Glasuren von Orange bis leuchtend Rot wurden für Geschirr bis hin zum architektonischen Beiwerk verwendet.
Dass Uran radioaktiv ist, wurde 1896 zuerst von Henri Becquerel entdeckt, der die volle Tragweite seiner Entdeckung jedoch nicht erkannte. Eine seiner Schülerinnen interpretierte seine Ergebnisse jedoch richtig und gab dem neuen Phänomen den Namen "Radioaktivität". Die Schülerin hieß Marie Curie. Zusammen mit ihrem Mann, Pierre Curie, entdeckte sie 1898 ein weiteres neues Element, das Radium.
Mineralische Vorkommen und Gewinnung
Uran kommt in der Natur nicht als reines Metall vor, sondern in Form von Uranmineralen. Uraninit (Pechblende) und Coffinit (USiO4) sind die wichtigsten lagerstättenbildenenden Minerale. Insgesamt gibt es über 200 Uranminerale. Im Osten Deutschlands wurde Uran im Erzgebirge (Schlema, Schneeberg), Sächsischen Schweiz (Königstein), Dresden (Coschütz-Gittersee) und in Ostthüringen (Ronneburg) durch die SDAG Wismut als Pechblende abgebaut. Die Lagerstätten wurden nach 1990 wegen Unwirtschaftlichkeit geschlossen. Umfangreiche Vorkommen gibt es in Australien, Kasachstan, Kanada, Südafrika, Brasilien, Namibia, Russland und den USA. Drei Viertel des abgebauten Urans stammt aus Kanada.
Der Uranabbau kann zu schweren Schäden bei Mensch und Umwelt führen, da durch den Uranbergbau Uran und radioaktive Folgeprodukte aus dem Untergrund an die Oberfläche geholt werden. Der überwiegende Teil der radioaktiven Folgeprodukte wird auf Halden und in Absetzbecken abgelagert und stellt somit langfristig eine Gefährdung für die Umwelt dar. Während mittel- und hochradioaktive Abfälle aus dem Medizinbereich und der Kernenergietechnik mit großem technischen Aufwand in Endlagern entsorgt werden, verbleiben die Bergbaurückstände oft wenig geschützt an der Erdoberfläche. (Siehe auch [1] [2])
Uran kommt auch im normalen Boden als Spurenelement vor. Die US-amerikanische Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) schätzt, dass sich in den obersten 33 Zentimetern Erdboden einer Fläche von einer Quadratmeile Land im Mittel ca. 4 Tonnen Uran befinden.
Uran im Wasser
Uran tritt in der Natur überwiegend +4 oder +6 wertig auf. Vierwertige Uran-Minerale sind in Wasser unter normalen pH/EH-Bedingungen nahezu unlöslich. Das sechswertige Uran ist dagegen unter oxidierenden Bedingungen auch im Bereich neutraler pH-Werte gut löslich, weil es sehr stabile Komplexe bildet. Als Folge dieser Komplexbildung ist Uran ein ubiquitäres Element in der Hydrosphäre. In der Erdkruste ist Uran mit einem Vorkommen von 4 mg/kg relativ häufig vertreten. Die Urankonzentration von ca. 3,3 µg/l in Meerwasser gegenüber den zum Teil deutlich geringeren Konzentrationen in den Flüssen (0,03 bis 3 µg/L) zeigt, dass Uran ein sehr mobiles Element ist, das im Meer angereichert wird.
Aus Uran entsteht ständig eine Reihe von kurzlebigen Tochternukliden, von denen einige sehr mobil sind wie das Edelgas Radon. Andere Töchternuklide neigen dazu, weniger mobil zu sein (Thorium, Radium, Polonium, Blei). Unter stark reduzierenden Bedingungen ist U(IV) die dominierende Spezies.
Die Konzentrationen von Uran in Oberflächengewässern variieren zwischen 0,03 µg/l (Amazonas) und 3,9 µg/l (Ganges). Deutsche Flüsse weisen in der Regel Uran-Konzentrationen zwischen ca. 1 und 3 µg/l auf. Die Quelle für das Uran liegt in dem geogenen Aufbau der durch die Flüsse entwässerten Gebiete, in uranhaltigen Phosphatdüngern und in besonderen Fällen im Uranbergbau (Zwickauer Mulde: ca. 10 µg/L) bzw. der Nutzung der Kernenergie begründet.
Uran findet sich in Deutschland im unbeeinflussten Grundwasser in Konzentrationen von kleiner 1 bis über 100 µg pro Liter. Die regelmäßige Einnahme von Trinkwasser mit erhöhten Urangehalten kann zum Auftreten von Nierenkrebs führen. Aus diesem Grund empfiehlt die Weltgesundheitsbehörde (WHO) für Trinkwasser einen Grenzwert von 9 µg/L (siehe auch [3].
Isotope
| Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten & Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders erwähnt. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Uran kommt in der Natur hauptsächlich in zwei Isotopen vor, U-238 (99,27 %) und U-235 (0,72 %). Mit angereichertem Uran wird Uran bezeichnet, dessen Anteil an (mit thermischen Neutronen spaltbarem) U-235 gegenüber dem (mit thermischen Neutronen nicht spaltbarem) U-238 durch Anreicherung erhöht wurde. Schwach angereichtertes Uran (etwa 2-4 % U-235) wird in Kernkraftwerken, hoch angereichertes (typisch > 80 % U-235) zur Herstellung von Kernwaffen verwendet.
Wissenschaftlich formuliert finden sich in natürlichem Uran nur die Isotope 234U, 235U und 238U. Wegen seiner relativ kurzen Halbwertszeit ist 234U nur in Spuren vorhanden, liefert aber einen großen Beitrag zur Radioaktivität. Es entsteht aus 238U Datei:Pfeil mit alpha.png 234Th Datei:Pfeil mit beta-.png 234Pa Datei:Pfeil mit beta-.png 234U.
Weblinks
- http://www.chemie-master.de/pse/pse.php?modul=U
- http://www.uniterra.de/rutherford/ele092.htm
- http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Uran Mineralienatlas - Uran
- http://www.nndc.bnl.gov/wallet/zz/z092.html Nuclear Wallet Card - Z(92)
- http://atom.kaeri.re.kr/cgi-bin/nuclide?nuc=U Table of Nuclides 92-Uranium
- http://www.incomindios.ch/arbeitsgruppen/uran/index.html Informationen zu den Folgen des Uranabbaus