Protactinium Neodym  Neptunium  
 Uran                                                  92U
 engl. uranium; griech. ouranos ("Himmel"), nach dem Planet Uranus
 


Halbwertszeit für U-238 *):
4,468 Milliarden Jahre
Rel. Atommasse *)   
Ordnungszahl    
Schmelzpunkt    
Siedepunkt    
Oxidationszahlen     
Dichte    
Härte (Mohs)     
Elektronegativität    
Elektronenkonfig.   
Natürl. Häufigkeit  
     
*) langlebigstes  
Isotop 
238,0508   
92   
1135 °C   
4131 °C   
6, 5, 4, 3   
19,1 g/cm³   
2,5 - 3 (geschätzt)   
1,7 (Pauling)   
[Rn]5f36d17s2   
U-234: 0,0054%   
U-235: 0,7204%   
U-238: 99,2742% 
 
 

     

 
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Reines Uran ist ein silbrig glänzendes und relativ weiches Schwermetall. Alle Uran-Isotope sind radioaktiv und 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. 
   
 
  Blech aus Uran-238
 
 
Ein Uranblech ist leicht oxidierbar, es erhält dabei einen gelbbraunen Überzug.
 
 
 
In pulverisierter Form ist Uran pyrophor und entzündet sich von selbst. Es ähnelt in seinen chemischen Eigenschaften dem Actinium. Beim starken Erhitzen 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 zu Uran(IV)-oxid:  
  
U  +  O2 reagiert zu  UO2      ΔHR = -1084 kJ/mol 
   
   
Toxikologie 
Im menschlichen Organismus wirken das Uran und seine Verbindungen stark toxisch, 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.
  
Vorkommen 
Häufigkeit   selten

Uran ist selten, es kommt aber auf der Erde etwa dreißig Mal häufiger als Silber vor. Das bedeutendste Uranerz ist die Pechblende, ein schweres und stark radioaktives Mineral. Wichtige Förderländer sind Kanada, Australien, Russland, Kasachstan, Usbekistan, die USA und einige afrikanische Länder. In Deutschland finden sich kleinere Lagerstätten im Krunkelbachtal bei Menzenschwand. In der Schweiz kommen einige Uranmineralien in La Creusa im Wallis vor. In Steinmeteoriten findet man ebenfalls Uranverbindungen.  
   
  
 Pechblende aus La Creusa im Wallis/Schweiz

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 Die schwarze Pechblende wird von gelben Zonen umgeben. Dies sind Verwitterungsprodukte des Erzes.
     

Zu den Uranmineralien gehören auch der Uranocircit, der Uranocker oder der zu den Uranglimmern gehörende Torbernit. Einige Uranmineralien sind bei Tageslicht oft leuchtend gelb oder grün gefärbt. Unter UV-Licht zeigen sie eine ausgeprägte grün-gelbe Fluoreszenz.
   
 
 Fluoreszenz bei einem Uranocker aus Menzenschwand

Fluoreszenz

  Der Uranopilit zeigt bei langwelligem UV-Licht eine starke Fluoreszenz.
 
 
Geschichte 
1789 gewann der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) in Berlin Urandioxid aus einer Pechblende. Klaproth hielt dieses zunächst für das neue Element selbst. Das Uran war bis zu diesem Zeitpunkt das Element mit der größten Atommasse. Daher benannte man es nach dem Planeten Uranus, der von den damals entdeckten Planeten der äußerste war. Uranus war ein paar Jahre zuvor entdeckt worden. Der Planet und damit auch das Element sind nach den griechischen Wort ouranos für Himmel benannt.
  
 
Der Entdecker des Urans

Klaproth

Martin Heinrich Klaproth (1743-1817)
 
   
Die Darstellung von reinem Uran gelang erst 1856 Eugéne-Melchior Péligot (1811-1890) in Paris durch eine Reduktion von Uran(IV)-chlorid. 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.  
    
  
Otto Hahns Experimentieranordnung zur Kernspaltung



Das Bild zeigt den berühmten Tisch im Dt. Museum mit den Geräten zur ersten Kernspaltung: In dem gelben Paraffinblock hinten rechts (im Glaskasten) befand sich eine Mischung aus Radium und Beryllium als Neutronenquelle und dicht daneben im Block die Uranprobe.
 
  
Der erste primitiv funktionierende "Kernreaktor" wurde vier Jahre spä ter von Enrico Fermi (1901-1954) in einer Turnhalle der Universität Chicago in Betrieb genommen. Sechs 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 wie Tschernobyl oder Fukushima freigesetzt. Die gesundheitlichen Auswirkungen des Isotops Caesium-137 sind katastrophal. 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 etwa sieben Prozent Anteil 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 "Little Boy" mit einem Uran-235-Kern tötete am 6. August 1945 über Hiroshima mehr als 90000 Menschen. Sie explodierte in 600 Metern Höhe mit der Wirkung von etwa 13000 Tonnen TNT 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.   
   
Atombombe

Hiroshima-Bombe "Little Boy"
  
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  U3O 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 Prozent auf drei bis vier Prozent angereichert werden. Als Verfahren zur Anreicherung kommen das Gaszentrifugen-Verfahren oder das Trenndüsen-Verfahren zur Anwendung. Beim Arbeiten mit Zentrifugen wird bei jedem Arbeits-Schritt das Uran-235 um etwa zehn Prozent angereichert. Diese Zahl variiert je nach Stand der Technik. Nach dem ersten Schritt ist das natürliche Uran also nur auf einen Anteil von 0,77% Uran-235 angereichert. Dies erklärt den gewaltigen Aufwand, der betrieben werden muss, um einen 3%igen Anteil von Uran-235 zu erhalten.
 
Im neueren Silex-Verfahren wird die gasförmige Uranverbindung Uranhexafluorid mit Lasern beschossen, dabei werden Uran-235-Moleküle zu Schwingungen angeregt, so dass man sie von den Uran-238-Molekülen trennen kann. Dieses Verfahren ermöglicht eine erheblich schnellere und bessere Trennung der Uranisotope im Vergleich zur Arbeit mit Zentrifugen. [Lit 83]
  
Verwendung 
Uran und Urandioxid dient in Kernreaktoren als Kernbrennstoff. Dabei benötigt man angereichertes Uran mit einem Uran-235-Anteil von mindestens drei Prozent. Schwerwasserreaktoren können auch mit natürlichem Uran betrieben werden. Kernwaffenfähiges Material benötigt einen Anteil von 60 bis 90 Prozent des Uran-Isotops 235.   
   

Uran-Brennstäbe aus einem Kernkraftwerk



 Dieses Modell zeigt wie die Brennstäbe aussehen.
 
  
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.  
  
 
Uransalzhaltiges Glas in langwelligem UV-Licht



 Im UV-Licht zeigt das Glas eine grüne Fluoreszenz.
 
 
Weitere Informationen  
Lise Meitner und Otto Hahn 
Radioaktive Zerfallsreihen
 
 
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