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Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Reines
Uran ist ein silbergrau glänzendes, weiches und radioaktives Schwermetall.
Alle Uranisotope sind radioaktiv und sind daher instabil. Ihr natürliches
Vorkommen ergibt sich aufgrund der radioaktiven
Zerfallsreihen. An
der Luft läuft das häufigste Isotop Uran-238 infolge einer Oxidation
gelbbraun an.
In pulverisierter Form ist Uran pyrophor und entzündet sich von selbst. Es ähnelt in seinen chemischen Eigenschaften dem Actinium. Oberhalb von 700°C verbrennt das Metall zu verschiedenen Uranoxiden. In heißem Wasser und in verdünnter Salz- oder Salpetersäure löst es sich unter Wasserstoffentwicklung auf. Gegen Laugen ist es beständig. Mit den Halogenen bilden sich Halogenide, mit Wasserstoff Hydride. Mit reinem Sauerstoff reagiert es schon bei 150°C zu Uran(IV)-oxid: U + O2 
UO2 DHR
= -1084 kJ/mol
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Toxikologie |
| Im menschlichen Organismus wirken das Uran und seine Verbindungen sehr giftig, sie gelten aber auch als umweltgefährlich. Bei der Aufnahme der löslichen Uranverbindungen wie Uranylnitrat UO2(NO3)2 entstehen Lungen-, Leber- und Nierenschäden. Außerdem erhöhen sie aufgrund der Radioaktivität die Wahrscheinlichkeit, an Krebs zu erkranken. |
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Vorkommen |
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Uran
steht mit einem Anteil von 3,2 x 10-4 %
in der Elementhäufigkeit an 54. Stelle. Es
ist damit häufiger als Gold, Silber oder Quecksilber. Das bedeutendste
Uranerz ist die Pechblende (Uranoxid),
ein stark radioaktives Mineral. In Steinmeteoriten findet man ebenfalls
Uranverbindungen.
Zu den Uranmineralien gehören auch der Uranocircit (Barium-Uranylphosphat), der Uranocker (Uranopilit, Uranylsulfat) oder der zu den Uranglimmern gehörende Torbernit (Kupfer-Uranylphosphat). Einige Uranmineralien sind bei Tageslicht - mit Ausnahme der Pechblende - oft leuchtend gelb oder grün gefärbt. Unter UV-Licht zeigen sie eine ausgeprägte grün-gelbe Fluoreszenz. Die wichtigsten Lagerstätten für Uranmineralien liegen in Australien, Südafrika, Niger, Kanada (Ontario), USA (Colorado), Kongo, Brasilien, Frankreich und Namibia. In Deutschland finden sich kleinere Lagerstätten, so zum Beispiel im Krunkelbachtal in Menzenschwand. In der Schweiz kommen einige Uranmineralien in La Creusa im Wallis vor.
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Geschichte |
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Das
Element wurde im Jahr 1789 von dem deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth
(1743-1817) in Berlin in der Pechblende entdeckt. Klaproth gewann aus dem
Uranerz Urandioxid, das er zunächst für das neue Element selbst
hielt. Das Uran war bis zu diesem Zeitpunkt das Element mit der größten
Atommasse. Daher benannte man es nach dem Planeten Uranus (griech. ouranos,
der "Himmel"), den man damals für den entferntesten Planeten hielt.
Die Darstellung von reinem Uran gelang erst Eugéne-Melchior Péligot (1811-1890) im Jahre 1856 in Paris durch eine Reduktion von Uran(IV)-chlorid. Im Jahre 1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel (1852-1908) die radioaktive Strahlung des Elements. Die erste Atomspaltung der Geschichte gelang Otto Hahn (1879-1968) und Fritz Straßmann (1902-1980) im Jahre 1938 durch den Neutronenbeschuss von Uran.
Der erste primitiv funktionierende "Kernreaktor" wurde vier Jahre spä ter von Enrico Fermi (1901-1954) in einer Turnhalle der Universität Chicago in Betrieb genommen. 6 Tonnen Uran mit 36,6 Tonnen angereichertem Uranoxid und 315 Tonnen Graphit wurden in mehreren Schichten übereinandergelegt. Die Kernreaktion regelte man mit Stäben aus Cadmium. Die im Zweiten Weltkrieg aus Deutschland nicht emigrierten Wissenschaftler versuchten ebenfalls eine geregelte Kernreaktion in Gang zu bringen. Als Moderator zum Abbremsen der Neutronen verwendeten die Deutschen Schweres Wasser (Deuteriumoxid) statt Graphit. Unter der Führung von Walther Gerlach (1889-1979) und unter Aufsicht von Werner Heisenberg (1901-1976) starteten sie diesen Versuch im Jahre 1944 in Haigerloch. Er misslang, vermutlich hatten sie aufgrund der Kriegsverluste zu wenig Schweres Wasser oder zu wenig Uran zur Verfügung. Das Isotop Uran-235 lässt sich durch den Beschuss mit Neutronen spalten. Dabei entstehen durch verschiedene Möglichkeiten unterschiedliche Spaltprodukte und Energie, deren Freisetzung sich aus den Massedefekten berechnen lässt. Bei der vollständigen Umsetzung von Uran 235 lassen sich aus einem Kilogramm Material maximal 22,5 Millionen Kilowattstunden Energie gewinnen.  Die bei der Spaltung frei werdenden Neutronen verursachen selbst wieder eine Spaltung, so dass eine Kettenreaktion eintritt. Die überschüssigen, schnellen Neutronen müssen abgebremst werden, damit die Kettenreaktion nicht außer Kontrolle gerät. Man verwendet dabei sogenannte Moderatoren. In Leichtwasserreaktoren übernimmt diese Aufgabe gewöhnliches Wasser, in Schwerwasserreaktoren schweres Wasser (Deuteriumoxid). In Tschernobyl wurden Graphitstäbe für diese Aufgabe eingesetzt. Diese brannten bei der Katastrophe 1986 und erzeugten eine Menge Rauch, der die radioaktiven Spaltprodukte in hohe Luftschichten transportierte und somit in großen Teilen Europas verteilte. Die radioaktiven Spaltprodukte werden im Katastrophenfall (Tschernobyl, Fukushima) freigesetzt (vgl. gesundheitliche Auswirkungen des Isotops Caesium-137). Die Halbwertszeit der Isotope ist unterschiedlich. Während die gasförmigen Edelgase wie Krypton-94 und Xenon-144 in die Atmosphäre gelangen und dort relativ schnell zerfallen, kontaminieren vor allem Caesium-137 und Strontium-90 den Boden auf längere Zeit, da beide Isotope eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren besitzen. Darüber hinaus entstehen in Kernreaktoren eine Vielzahl anderer radioaktiver Spaltprodukte. Treffen Neutronen beispielsweise auf Uran 239 entsteht Plutonium-239 mit einer Halbwertszeit von 24110 Jahren. Plutonium ist in Mischoxid-Brennelementen (MOX) mit einem Anteil von etwa 7% enthalten. Ab 1943 begann das "Manhattan Projekt" unter der Leitung von J.R.Oppenheimer. Es endete mit dem Bau der ersten Atombombe, die am 16. Juli 1945 in New Mexiko gezündet wurde. Die zweite Atombombe mit einem Uran-235-Kern ("Little Boy") tötete am 6. August 1945 über Hiroshima mehr als 90000 Menschen. Sie explodierte in 600 Metern Höhe mit der Wirkung von ca. 13000 Tonnen TNT (13kt) und zerstörte das gesamte Stadtzentrum. Die radioaktiven Spaltprodukte verseuchten große Landstriche. Auch wenn durch die Atombombenabwürfe in Hiroshima und Nagaski der Zweite Weltkrieg beendet wurde, sind die furchtbaren Folgen dieser Bomben ein ewiges Mahnmal geblieben. An den langfristigen Folgen der Atombombenabwürfe starben bis heute weit mehr als 200000 Menschen.  |
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Herstellung |
| Die
Uranerze wie die Pechblende werden
zerkleinert und durch Flotation angereichert. Mit verdünnter Schwefelsäure
erhält man eine Lösung, die Uranylsulfat UO2SO4
enthält. Durch Ionenaustauschverfahren oder durch eine Extraktion
mit organischen Lösungsmitteln wie Tributylphosphat (TBP) lassen sich
aus diesen Lösungen die Uranverbindungen isolieren. Durch die Behandlung
mit einer Lauge oder mit Ammoniak erhält man einen gelben Kuchen ("Yellow
Cake") mit noch verunreinigtem Ammonium- oder Magnesiumdiuranat. Mit Salpetersäure
erhält man danach Uranylnitrat UO2(NO)3 ,
das erneut durch Extraktion abgetrennt wird. So gewinnt man reines Uranylnitrat,
das dann durch Glühen auf 1000°C in Uran(IV,VI)-oxid U3O8
umgewandelt wird. Durch eine Reduktion mit Wasserstoff erhält man
Uran(IV)-oxid UO2 . Dieses wird mit Fluorwasserstoffdampf
zu Uran(IV)-fluorid UF4 umgesetzt. Daraus lässt
sich durch Reduktion mit Magnesium oder Calcium
schließlich das reine Uran darstellen.
Man erhält eine Mischung von drei natürlichen Uranisotopen. Für eine Verwendung in Atomreaktoren muss das spaltbare Uranisotop-235 von 0,7% auf 2-3% Anteil angereichert werden. Kernwaffenfähiges Material benötigt einen Anteil von ca. 60% des U-235-Isotops. Als Verfahren zur Anreicherung kommen das "Gaszentrifugenverfahren" oder das "Trenndüsenverfahren" zur Anwendung. |
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Verwendung |
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Uran
und Urandioxid dient in Kernreaktoren als Kernbrennstoff. Dabei benötigt
man angereichertes Uran mit einem Uran-235-Anteil von 3%. Sogenannte "Schwerwasserreaktoren"
können auch mit natürlichem Uran betrieben werden. Kernwaffenfähiges
Material benötigt einen Anteil von bis zu 60% Uran-235.
Das abgereicherte Uran, das bei der Anreicherung von U-235 zurückbleibt, dient zur Herstellung von sehr harten Stählen in der Flugzeugindustrie oder für Spitzen von panzerbrechender "Uranmunition". Abgebrannte Brennstäbe dienen im "schnellen Brüter" zur Herstellung von spaltbarem Plutonium. Der Zusatz von färbenden Uransalzen in der Glasindustrie ist heute verboten. In allen Fällen ist die Verwendung von Uran mit großen Umweltproblemen verbunden: Ausgebrannte, nicht wieder aufbereitbare Brennstäbe müssen jahrtausendelang in Salzbergwerken sicher gelagert werden, Uranmunition kann in Kriegsfällen ganze Landstriche radioaktiv verseuchen.
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Weitere Informationen |
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| Lise
Meitner und Otto Hahn
Radioaktive Zerfallsreihen |
| Copyright: Thomas Seilnacht |
