Химические профессии урана

Ядерная профессия урана надолго затмила его химические профессии. А между тем они заслуживают внимания: уран обладает многими очень ценными химическими свойствами. Этот элемент не может пожаловаться на невнимание к себе, сейчас его изучением занято, пожалуй, больше исследователей и учреждений, чем изучением химии любого другого элемента (исключая углерод).

Состояние исследований по любому элементу можно ориентировочно оценить по числу известных его соединений. За последние 15 лет химики получили свыше половины соединений урана, синтезированных во всех лабораториях мира более чем за полтора века. Таких успехов нам удалось достичь благодаря тому, что мы твердо верили: будущее урана за его мирным применением, за его широким использованием в самых различных отраслях.

Что позволяет оптимистически смотреть на будущее урана? Прежде всего, широкая распространенность и мощная, отлично налаженная урановая промышленность. Среднее содержание урана в земной коре — его кларк — близко к 3.10 4%. Это даже превышает кларк элементов, которые считаются отнюдь не редкими: олова, ртути, кадмия, сурьмы, висмута, серебра. А уровень производства урана уже давно выше, чем многих цветных металлов. Достаточно сказать, что во всем мире сейчас производится урана около 40 тысяч тонн в год.

Здесь необходимо отметить одну чрезвычайно интересную особенность урана, отличающую его от всех других редких и цветных металлов. Несмотря на то, что уран пока еще потребляется практически целиком ядерной промышленностью, фактический расход его по сравнению с производством невелик. Вероятно, не более 3—5% урана (по крайней мере, в энергетических ядерных реакторах на природном уране) сгорает в процессе работы, а остальные 91—95%, так называемый «отвальный уран» (содержащий менее 0,4% делящегося изотопа), скапливаются по складах. Ядерной энергетике он не нужен.

Однако это вовсе не значит, что его надо сбрасывать со счетов. Уран не потерял своего значения для неядерного использования; изменение в изотопном составе металла никак не отражается на его химических свойствах.

Вместе с тем для мирного применения урана не менее важно большое разнообразие состава и свойств его соединений. Это разнообразие связано с его химической природой. Уран — типичный комплексообразователь, способный выступать в своих соединениях в четырех различных валентных состояниях: уран может быть шестивалентным, пятивалентным, четырехвалентным и трехвалентным. Соединения урана разных валентностей отличаются друг от друга и по строению и по физическим и химическим свойствам настолько, что можно говорить как бы о химии четырех различных элементов.

Лучше всего изучены соединения шестивалентного урана, с него мы и начнем. Ныне известно около 700 соединений шестивалентного урана. Два-три десятка из этого числа можно условно отнести к так называемым «простым» соединениям. Это гидриды, карбиды, нитриды, силициды и некоторые другие соединения урана. Остальные, а их подавляющее большинство, являются комплексными.

Всего же число возможных комплексных соединении урана может быть оценено числами поистине астрономическими. В этом океане соединений, несомненно, есть множество веществ, которые можно использовать для нужд хозяйства. Вот об этих-то химических веществах и пойдет речь.

Мы расскажем о некоторых мирных профессиях урановых соединений. Мы не будем касаться энергетических атомных реакторов, радиоактивных изотопов, уже нашедших широкое применение, ядерной взрывчатки, которая может быть успешно применена, например, для строительства крупных ирригационных сооружений или для добычи полезных ископаемых, так как эти вопросы достаточно подробно освещены.

Можно ли использовать наш знаменитый элемент в биологии? Оказывается, можно. Уран необходим для нормального развития растений и усваивается ими в течение всего вегетационного периода. А больше всего — во время цветения. Уран увеличивает содержание сахара в корнях моркови и свеклы и в плодах многих других культур. Если же этого элемента недостает, то растение тяжело заболевает.

Ученым удалось установить важное обстоятельство: если внести в почву небольшие количества урана, то он помогает развиваться почвенным микроорганизмам, а клубеньковые бактерии лучше фиксируют атмосферный азот. Значит, малые количества урана, совершенно безвредные для растений и животных, способны стать надежным подспорьем для агронома.

Наиболее отзывчивы на внесение урана свекла, клевер, люцерна, хлопок, лен. Пока еще не до конца ясно, какую роль играет элемент в жизни человека и животных. Но уже сейчас не секрет, что уран и здесь необходим. Интересные результаты дали исследования токсичности урановых соединений. В организмах животных, в течение года получавших соли урана (до двух процентов от веса пищи), содержание этого элемента осталось практически неизменным и никаких вредных явлений не наблюдалось. Зато вес животных увеличился почти в два раза.

Значит, некоторые соли урана проявляют биологическую активность. Наиболее вероятно, что биологическое действие элемента в этом случае объясняется в первую очередь его химической природой, а уж потом его слабой радиоактивностью.

Сам уран усваивается живыми организмами в весьма незначительной степени, однако он очень сильно, способствует усвоению других необходимых для жизнедеятельности элементов: фосфора, азота, калия.

«Забытая» профессия урана — использование его в медицине как лекарственного препарата. Уран в форме азотнокислой соли довольно успешно применялся при лечении диабета. Вводили уран в больших дозах — от 0,011 до 3,9 грамма, вводили в течение года, но никаких вредных последствий не было замечено.

Азотнокислые соли уранила использовались при лечении местных кожных заболеваний, сифилиса, псориаза, экземы, трихофитоза и старческой атрофии. Некоторые врачи использовали, и довольно успешно, уран и урано-ториевые препараты для лечения опухолей. Проводились эксперименты по лечению раковых больных; им внутривенно вливали коллоидальные ураноториевые препараты. По-видимому, исследования в этом направлении очень перспективны.

В свое время проводились интересные опыты по применению урана в производстве сталей. Например, ферроуран добавлялся в сталь для удаления кислорода и азота. С помощью ферроурана получали стали, выдерживающие очень низкие температуры.

В будущем, вероятно, присадки урана будут использоваться для повышения прочности стали. Сплавы урана с никелем отличаются большой устойчивостью к коррозии. На них не действует даже «царская водка».

Уран — катализатор различных химических реакций. Например, уран и карбид урана катализируют синтез аммиака из азота и водорода. Широчайшее применение найдут окислы урана. Их можно использовать для каталитического окисления метана кислородом, получения метилового и высших спиртов из окиси углерода и водорода, окисления аммиака до окислов азота, окисления ацетальдегида до уксусной кислоты, получения синильной кислоты из окиси углерода и аммиака.

С помощью ванадата урана ведут в некоторых случаях крекинг нефти, а молибдат урана используется иногда при окислении ароматических углеводородов.

Урановые соединения — разнообразные по цвету и очень прочные красители для керамики, стекла и эмалей, для ткани, кожи и фотоснимков. В стекло вводятся обычно четырехвалентный уран и его различные оксосоединения — уранаты. Урановое стекло — темно-зеленого цвета — может быть использовано как светофильтр. Если в него добавлена еще окись свинца, стекло получается кирпично-оранжевым. Можно подобрать такие соединения урана, которые придавали бы стеклам желтую, сильно флюоресцирующую окраску.

В фотографии соли уранила служили и служат для вирирования — создания коричневого цвета при печатании. Этот эффект объясняется образованием на фотобумаге коричневого осадка ферроцианида уранила.

Уран — химически высокоактивный элемент. Его порошок применяется для очистки инертных газов — аргона и гелия от кислорода, углекислого газа и азота; он может быть использован также для удаления газообразных примесей из вакуумных трубок, газораспределительных устройств и аналогичных им приборов.

До сих пор речь шла о весьма «почтенных» по возрасту профессиях урана. Но у него есть химическая профессия, родившаяся совсем недавно. Новейшие исследования показали, что такие урановые соединения, как окислы, халькогениды и некоторые комплексные соли, найдут широкое применение при изготовлении электронной аппаратуры на полупроводниках. Эти аппараты смогут работать не только при обычных температурах, но и — что особенно ценно — при высоких. По всей вероятности, комплексные соединения урана удастся использовать в лазерах и мазерах. Особую надежду ученые возлагают здесь на трехвалентный уран.

Заканчивая рассмотрение некоторых мирных профессий урана, нельзя не отметить, что широкому использованию этого элемента мешает весьма распространенное мнение о его якобы чрезвычайно сильной токсичности. Это мнение сильно преувеличено. Прежде всего, токсичность урана связана не с радиоактивностью, а с его химическими свойствами. Следовательно, опасность работы с соединениями урана зависит, прежде всего, от их состава и строения. Сам по себе уран не более токсичен, чем такие необходимые для всего живого элементы, как калий, углерод и азот. Однако же, сочетаясь в молекуле KCN (цианистый калий), эти три безвредных элемента становятся сильным ядом. Так же и соединения урана: все зависит от того, с чем уран химически связан.

Конечно, если ввести в организм большие количества хорошо растворимых солей урана и если он еще при этом в катионной форме, можно отравиться. Но, с другой стороны, трудно растворимая окись урана, если добавлять ее в течение года в пищу по 20% от веса пищи, не только не ухудшает здоровья, но, наоборот, стимулирует рост организма.

Однако из сказанного, конечно, не стоит делать вывод, что при работе с соединениями урана следует вообще пренебречь всякими правилами техники безопасности. Те пути использования урана, о которых мы рассказали, далеко не исчерпывают все возможные области его мирного применения, однако даже и этого достаточно, чтобы назвать уран полезнейшим материалом для многих отраслей хозяйства.

Автор: Г. Эллерт.