Protactinium Neodym  Neptunium  
 Uran                                                  92U
 engl. Uranium; griech. ouranos („Himmel“), nach dem Planet Uranus
 


Halbwertszeit für U-238 *):
4,468 Milliarden Jahre
relat. Atommasse
Ordnungszahl    
Schmelzpunkt    
Siedepunkt    
Oxidationszahlen     
Dichte    
Härte (Mohs)     
Elektronegativität    
Elektronenkonfig.   
Natürl. Häufigkeit  
     
*) langlebigstes  
Isotop 
238,02891  
92   
1135 °C   
4131 °C   
6, 5, 4, 3   
19,1 g/cm³   
2,5 bis 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 
   
Aufgrund der vielen Verbindungsmöglichkeiten des Uranyl(VI)-Ions UO22+ und des Uranyl(V)-Ions UO2+ mit anderen Bausteinen existieren sehr viele Uranverbindungen. Im Mineralreich sind zum Beispiel mehr als 340 verschiedene Uranminerale bekannt. Die meisten Verbindungen sind gelb, manche auch grün oder orange. Einige zeigen im UV-Licht eine grüne Fluoreszenz. Die wasserlöslichen Salze Uranylacetat Dihydrat UO2(CH3COO)• 2 H2O oder Uranylnitrat UO2(NO3)2 sind im Chemikalienhandel erhältlich. Sie werden als Kontrastmittel bei der Elektronenmikroskopie eingesetzt. Uranverbindungen sind stark toxisch und radioaktiv. 


Nachweis von Uranyl(VI)-Ionen mit Kaliumhexacyanoferrat(II)



Gibt man zu einer essigsauren Lösung mit Uranyl(VI)-Ionen (links) einen Tropfen
Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung, entsteht ein unlöslicher, rotbrauner Komplex (rechts).
 

Die Borax- oder Phosphorsalzperle färbt sich bei der Vorprobe auf Uran gelb. Das sechswertige Uranyl-Ion UO22+ bildet in essigsaurer Lösung mit Kaliumhexacyanoferrat(II) den rotbraunen, wasserunlöslichen Komplex Dikaliumuranylhexacyanoferrat(II) K2(UO2)[Fe(CN)6]. Bei der Zugabe von Natronlauge entsteht daraus gelbes und stark toxisches Natriumdiuranat Na2U2O7. Mit Kaliumthiocyanat reagieren die Uranyl(VI)-Ionen unter Bildung von orangegelbem Uranylthiocyanat, das in Wasser und in Diethylether löslich ist.
   
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 30 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 oder im Erzgebirge. In der Schweiz existiert eine Lagerstätte im Uranerz-Bergwerk La Creusaz oberhalb von Salvan im Wallis. In Steinmeteoriten findet man ebenfalls Uranverbindungen.


 Pechblende aus La Creusaz im Wallis
 
Zoom!Lupe

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

Es kommen in der Natur sehr viele Uranminerale vor, die aus verschiedenen Uranyl-Verbindungen aufgebaut sind, zum Beispiel Heinrichit, Torbernit, Uranophan, Uranosphärit, Walpurgin oder Zeunerit. Die meisten Uranminerale sind bei Tageslicht leuchtend gelb, orange oder grün. Unter UV-Licht zeigen manche wie der Autunit oder der Uranocircit eine ausgeprägte grün-gelbe Fluoreszenz. Alle Uranminerale sind toxisch und stark radioaktiv.


 Fluoreszenz beim Uranocircit aus Menzenschwand

Fluoreszenz beim Uranocircit

  Der Uranocircit ercheint bei Tageslicht gelb, bei langwelligem UV-Licht zeigt er 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 dem 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 Jahr 1938 durch den Neutronenbeschuss von Uran.


Otto Hahns Experimentieranordnung zur Kernspaltung



Das Bild zeigt den berühmten Tisch im Deutschen Museum mit den Geräten zur ersten Kernspaltung: In dem gelblichen 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 1942 durch Enrico Fermi (1901–1954) unter der Tribüne des Sportstadiums in Chicago in Betrieb genommen. Auf einem Haufen schichtete er sechs Tonnen Uran mit 36,6 Tonnen angereichertem Uranoxid und 315 Tonnen Graphit als Moderator in mehreren Schichten übereinander. Die Regelung der Kernreaktion erfolgte 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.   


Kernspaltung


Die bei der Spaltung frei werdenden Neutronen verursachen selbst wieder eine Spaltung, so dass eine Kettenreaktion eintritt. Zur kontrollierten Regelung der Kettenreaktion im Reaktor eines Kernkraftwerks können Steuerstäbe aus Bor oder Cadmium hineingefahren werden. Die Steuerstäbe absorbieren die Neutronen und begrenzen die Kettenreaktion. Um die Uran-Brennstäbe herum befinden sich Moderatoren, die die frei werdenden Neutronen abbremsen, damit sie von den Uran-235-Atomen besser eingefangen werden können. Die frühen Reaktoren verwendeten Graphit als Moderator. Auch der Reaktor in Tschernobyl war ein solcher Typ. Bei der Katastrophe 1986 brannten die Graphit-Stäbe und erzeugten eine Menge Rauch, der die radioaktiven Spaltprodukte in hohe Luftschichten transportierte und somit in großen Teilen Europas verteilte. Heute werden hauptsächlich Leichtwasserreaktoren eingesetzt.


Reaktortyp Abbremsung der Neutronen Moderator
Leichtwasserreaktor Wasserstoff-Atome Wasser
Schwerwasserreaktor Deuterium-Atome Deuteriumoxid (Schweres Wasser)
Graphitmoderierter Reaktor
Kohlenstoff-Atome Graphit


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 entsteht 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 Kern aus Uran-235 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 Nagasaki 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 Fluorwasserstoff-Dampf 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 Uran-Isotopen. Für eine Verwendung in Atomreaktoren muss das spaltbare Isotop U-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 Isotops U-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 jahrtausendlang in Salzbergwerken sicher gelagert werden. Uranmunition kann in Kriegsfällen ganze Landstriche radioaktiv verseuchen.


Uransalzhaltiges Glas in langwelligem UV-Licht

Uranglas

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

Arsenuranospathit
Autunit

Autunit
Boltwoodit

Boltwoodit
Cuprosklodowskit

Cuprosklodowskit
Euxenit

Euxenit
   
 
 
 
Fourmarierit

Fourmarierit
Heinrichit

Heinrichit
Johannit

Johannit

Kasolit

Kasolit

Pechblende

Pechblende
   
 
 
 
Saléeit

Saléeit
Schoepit

Schoepit

Seelit

Seelit

Thorit

Sklodowskit

Thorit

Thorit
   
 
 
 
Torbernit

Torbernit
Uranocircit

Uranocircit

Uranophan

Uranophan

Uranopilit

Uranopilit

Uranosphärit

Uranosphärit
   
 
 
 
Walpurgin

Walpurgin
Zeunerit

Zeunerit

Znucalit

Znucalit


 


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