История веществ. Экспонат второй: оксид урана (IV)

Мы продолжаем цикл публикаций о различных веществах, который главный редактор проекта, Алексей Паевский, посвящает памяти своего коллеги Аркадия Курамшина, прекрасного популяризатора химии.

Для любого человека с высшим образованием, будь он физик, медик или биолог, существует страшное испытание, которое в народе называется «ты же специалист». Если ты, например, медик, то в глазах обывателя ты должен знать, как действует любое лекарство, любые побочные действия его – разумеется, на память.

С принципом «тыжехимик» все точно так же. Автора 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 всё обо всех веществах (и даже о сотой доле всех известных), и потому у тебя всегда есть место для маленьких открытий. С нашим нынешним веществом тэг #cудивлениемузнал я мысленно проставлял не раз – и не раз меня удивляло, казалось бы, относительно простое вещество, которое формально называется «оксид урана (IV)». Но обо всём по порядку.

Структура UO₂

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

Настуран

Немецкий химик, аптекарь, первооткрыватель трёх 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 известной еще с XVII века саксонской смоляной обманки (Pechblende) «землю» (оксид, как тогда их называли) золотисто-желтого цвета до черного металлического вещества. Клапрот назвал открытый им «металл» ураном, в честь новооткрытой планеты. Сейчас эта обманка носит название настуран – самый распространенный минерал урана.

Мартин Генрих Клапрот

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

Эжен-Мельхиор Пелиго

UO₃+H₂=UO₂+H₂O

Так что UO₂ был открыт на полвека раньше самого металлического урана. И вот это было для меня первым #cудивлениемузнал о нашем герое.

Впрочем, писать 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. Дискуссия завершилась смертью спорщиков, и только потом были открыты соединения переменного состава, или, как выражаются химики, нестехиометрические соединения. По предложению нашего соотечественника, химика Николая Курнакова (имя которого носит институт, в рамках которого мы и строим наш музей), такие вещества назвали бертоллидами. Так что если мы хотим назвать точную формулу нашего героя, мы должны написать UO_1,6-UO_2,5.

Клод Луи Бертолле

Ну и самое интересное о нашем герое. Когда мы говорим «уран», мы подразумеваем, конечно же, либо атомную бомбу, либо атомную электростанцию. Так вот, до относительно недавнего времени я считал, что ядерное топливо, которое загружают в реактор – это уран. Безусловно, бывает и так, но, как я #cудивлениемузнал, в большинстве случаев чистого урана в реакторе не найти. Дело в том, что любой ядерный реактор, это, по большому счёту, – 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 нашему оксиду нужна температура от 2840 до 2875 градусов, в зависимости от состава. Так что в стержнях с UO₂ можно допускать нагрев 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 так важно.

Так что наш герой – прекрасный пример того, как самое простое вещество при его пристальном изучении может принести очень много сюрпризов. Это я тоже #cудивлениемузнал.

Текст: Алексей Паевский

Материал подготовлен ИОНХ РАН для Виртуального музея химии при грантовой поддержке Минобрнауки России
в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-508 от 02.05.2024

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.