Диоксид урана

Для любого человека с высшим образованием, будь он физик, медик или биолог, существует страшное испытание, которое называется «ты же специалист». Если ты, например, медик, то в глазах обывателя ты должен знать, как действует любое лекарство, любые побочные эффекты его — разумеется, на память. С принципом «ты же химик» все точно так же. Меня регулярно спрашивают о каких-то веществах и страшно обижаются, когда я чего-то не знаю. А ведь химиком быть жутко интересно — ты в любом случае не способен знать все обо всех веществах (и даже о сотой доле всех известных), и потому у тебя всегда есть место для маленьких открытий. Не раз, когда я слышал или читал что-то новое о как будто бы простом веществе, которое называется «оксид урана (IV)», я по традициям социальных сетей мысленно ставил на эту информацию метку «с удивлением узнал». Но обо всем по порядку.

Шел 1789 год, в астрономическом сообществе уже восемь лет продолжалась дискуссия по поводу того, как назвать седьмую планету, открытую в 1781 году Уильямом Гершелем. Дело в том, что великий астроном — а до Гершеля никому не удавалось открыть новую планету — решил назвать ее Звездой Георга в честь своего покровителя, короля Георга III, который наградил того ежегодной пожизненной стипендией в 200 фунтов. Однако астрономическое сообщество воспротивилось названию — ведь остальные планеты носят имена античных богов: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн…

Немецкий химик, аптекарь, первооткрыватель трех химических элементов (к теме нашей статьи не относятся открытые им цирконий и титан) Мартин Генрих Клапрот решил внести свою лепту в дискуссию и поддержать астрономов-классиков. Он только-только открыл еще один элемент, восстановив выделенную из саксонской смоляной руды «землю» (так в то время называли оксиды) золотисто-желтого цвета до черного металлического вещества. Клапрот назвал открытый им «металл» ураном, в честь новооткрытой планеты.

Прошло еще полвека, и в дело вмешался мельхиор. А точнее, химик-аналитик, профессор Национального агрономического института (да, и агрономы знают толк в химии урана) Эжен-Мельхиор Пелиго. Он сумел показать, что не всё металл, что блестит, и выделил настоящий уран из «урана» Клапрота. Оказалось, что Клапрот восстановил желтый оксид урана (VI) UO3 всего лишь до оксида урана (IV) — нашего героя:

UO₃+H₂=UО₂+H₂O

Так что UO₂ был открыт на полвека раньше самого металлического урана. И вот это было для меня первым «с удивлением узнал».

Впрочем, формула UO₂ — это тоже некоторое упрощение. Дело в том, что он — бертоллид. Великий Клод Луи Бертолле долгое время вел полемику с французским химиком Жозефом Луи Прустом о том, постоянен ли состав веществ. Всем понятно, что H₂О— это H₂О, и только, но с оксидами и сульфидами металлов все не так просто. Дискуссия завершилась смертью спорщиков, и лишь позднее были открыты соединения переменного состава, или, как выражаются химики, нестехиометрические соединения. По предложению нашего соотечественника, физикохимика Николая Курнакова, такие вещества назвали бертоллидами. Так что если мы хотим назвать точную формулу нашего героя, мы должны написать UO_1,6-UO_2,5.

Ну и самое интересное о нем. Когда мы говорим «уран», мы подразумеваем конечно же либо атомную бомбу, либо атомную электростанцию. Так вот, до самого недавнего времени я считал, что ядерное топливо, которое загружают в реактор, — это уран. Безусловно, бывает и так, но, как я в очередной раз c удивлением узнал, в большинстве случаев чистого урана в реакторе не найти. Любой ядерный реактор — это по большому счету кипятильник. Да-да. Ядерное топливо, распадаясь, выделяет тепло и нагревает воду. Образующийся водяной пар вращает турбину, которая вырабатывает электроэнергию. Так вот, уран плавится при 1135 градусах, а наш оксид — от 2840 до 2875 градусов, в зависимости от (зачеркнуто «настроения») состава. Так что в стержнях с UO₂ можно допускать нагревание до большей температуры, а значит, КПД реактора выше и сам реактор безопаснее. А то, в какой форме находится уран — оксида ли, чистого металла ли, — для ядерной реакции не особенно важно.

Так что наш герой — прекрасный пример того, как пристальное изучение, казалось бы, самого простого вещества может принести очень много сюрпризов. Это я тоже «c удивлением узнал».

Кристаллическая решетка диоксида урана (маленькие шарики — атомы кислорода)