युरेनियम (U): गुणधर्म, अभिक्रिया आणि उपयोग

प्रस्तावना: युरेनियम महत्त्वाचे का आहे?

युरेनियम (U) हे नैसर्गिकरित्या आढळणारे किरणोत्सर्गी मूलद्रव्य आहे, जे मुख्यतः अणुऊर्जा निर्मिती आणि अणुबॉम्बमधील त्याच्या भूमिकेसाठी ओळखले जाते. त्याचे अद्वितीय अणु गुणधर्म, विशेषतः त्याच्या Uranium-235 समस्थानिकाची विखंडनशीलता, यामुळे ते आधुनिक ऊर्जा उत्पादन आणि धोरणात्मक संरक्षणातील एक महत्त्वपूर्ण स्त्रोत बनते. त्याच्या अणु-संबंधित उपयोगांव्यतिरिक्त, युरेनियमचे एक जड धातू आणि ॲक्टिनाइड मूलद्रव्य म्हणून रासायनिक वर्तन मनोरंजक रासायनिक वैशिष्ट्ये दर्शवते.

CBSE/JEE द्रुत उजळणी टिपा

• अणुअंक (Z): 92
• अणुवस्तुमान: अंदाजे 238.0289 u (सर्वाधिक प्रमाणात आढळणारे समस्थानिक, Uranium-238 साठी)
• संकेत: U
• गट: ॲक्टिनाइड्स (f-ब्लॉक मूलद्रव्यांचा भाग)
• आवर्त: 7
• खंड: f-ब्लॉक
• स्वरूप: चांदीसारखा पांढरा, चमकदार, जड धातू; अत्यंत किरणोत्सर्गी; हवेत वेगाने काळपटतो.
• सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्था: +3, +4, +5, +6. सर्वात स्थिर आणि सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्था +4 (युरेनियम(IV) किंवा युरेनस) आणि +6 (युरेनियम(VI) किंवा युरॅनिल) आहेत.
• महत्त्वाचे समस्थानिक: Uranium-235 (²³⁵U) हे विखंडनीय आहे, म्हणजे ते अणुसाखळी अभिक्रिया टिकवून ठेवू शकते. Uranium-238 (²³⁸U) हे सर्वाधिक प्रमाणात आढळणारे समस्थानिक असून ते सुफल (fertile) आहे, म्हणजे त्याचे विखंडनीय Plutonium-239 (²³⁹Pu) मध्ये रूपांतर करता येते.

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंधनाची वर्तणूक

इलेक्ट्रॉन संरूपण

युरेनियमचे भूस्तरीय (ground state) इलेक्ट्रॉन संरूपण असे आहे: [Rn] 5f³ 6d¹ 7s²

• स्पष्टीकरण: 6d¹ इलेक्ट्रॉन असूनही, युरेनियमला f-ब्लॉक मूलद्रव्य (ॲक्टिनाइड) म्हणून वर्गीकृत केले जाते कारण 5f ऑर्बिटल्स भरले जात आहेत. 5f, 6d आणि 7s ऑर्बिटल्सच्या ऊर्जा पातळ्या खूप जवळ असल्यामुळे, जटिल इलेक्ट्रॉनिक संरचना आणि बदलणाऱ्या ऑक्सिडीकरण अवस्था निर्माण होतात.

बंधनाची वर्तणूक

• ऑक्सिडीकरण अवस्था:
  • +3: 7s² आणि एका 5f इलेक्ट्रॉनच्या गमावल्यामुळे प्राप्त होते. युरेनियम(III) संयुगे (उदा. UCl₃) सामान्यतः अपचायक (reducing) असतात आणि सहजपणे ऑक्सिडीकृत होतात.
  • +4: 7s² आणि 6d¹ इलेक्ट्रॉन तसेच एका 5f इलेक्ट्रॉनच्या गमावल्यामुळे प्राप्त होते. युरेनियम(IV) संयुगे (उदा. UO₂, UCl₄) आम्लयुक्त द्रावणात तुलनेने स्थिर असतात आणि सामान्यतः आढळतात.
  • +5: कमी सामान्य आहे आणि अनेकदा विसंगत (disproportionates) होते.
  • +6: ही सर्वात स्थिर आणि सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्था आहे. 7s², 6d¹ आणि सर्व 5f इलेक्ट्रॉन गमावल्याने ती प्राप्त होते. युरेनियम(VI) जलीय द्रावणांमध्ये आणि अनेक संयुगांमध्ये (उदा. UO₃, UO₂(NO₃)₂) मुख्यत्वे रेषीय युरॅनिल आयन (UO₂²⁺) म्हणून अस्तित्वात असते.
• बंधनाचा प्रकार: युरेनियम संयुगांमधील बंधन मुख्यतः आयनिक (कमी ऑक्सिडीकरण अवस्थांमध्ये किंवा अत्यंत ऋणविद्युत मूलद्रव्यांसह) ते लक्षणीय सहसंयुजी (विशेषतः +6 अवस्थेत, जसे युरॅनिल आयनमध्ये दिसते) असू शकते. संकुल (Coordination complexes) सामान्यतः आढळतात.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

1. हवा/ऑक्सिजनसोबतची अभिक्रिया

युरेनियम धातू हवेत वेगाने काळपटतो आणि विविध ऑक्साईड्स तयार करतो. 3U(s) + 4O₂(g) → U₃O₈(s) (युरेनियम ऑक्टाऑक्साइड, सर्वात स्थिर ऑक्साईड) कमी तापमानावर, UO₂ तयार होऊ शकते: U(s) + O₂(g) → UO₂(s) (युरेनियम डायऑक्साइड)

2. पाण्यासोबतची अभिक्रिया

युरेनियम थंड पाण्यासोबत हळू, तर गरम पाणी किंवा वाफेसोबत अधिक वेगाने अभिक्रिया करून युरेनियम डायऑक्साइड आणि हायड्रोजन वायू तयार करते. U(s) + 2H₂O(l) → UO₂(s) + 2H₂(g)

3. आम्लासोबतची अभिक्रिया

• ऑक्सिडीकरण न करणारी आम्ले (उदा. HCl): युरेनियम ऑक्सिडीकरण न करणाऱ्या आम्लांसोबत अभिक्रिया करून हायड्रोजन आणि युरेनियम(IV) लवणे तयार करते, जरी U(III) हे मध्यवर्ती (intermediate) असू शकते. U(s) + 4HCl(aq) → UCl₄(aq) + 2H₂(g)
• ऑक्सिडीकरण करणारी आम्ले (उदा. HNO₃): ऑक्सिडीकरण करणाऱ्या आम्लांसोबत, युरेनियम उच्च ऑक्सिडीकरण अवस्थांमध्ये ऑक्सिडीकृत होते, अनेकदा युरॅनिल आयन (UO₂²⁺) असलेली संयुगे तयार करते. U(s) + 8HNO₃(dilute) → UO₂(NO₃)₂(aq) + 4NO₂(g) + 4H₂O(l) (युरॅनिल नायट्रेटची निर्मिती)

4. हॅलोजेनसोबतची अभिक्रिया

युरेनियम हॅलोजेनसोबत थेट अभिक्रिया करून हॅलाईड्स तयार करते. युरेनियम हेक्साफ्लोराईड (UF₆) समस्थानिक समृद्धीकरणासाठी विशेषतः महत्त्वाचे आहे.

• फ्लोरिनसोबत: U(s) + 3F₂(g) → UF₆(g) (युरेनियम हेक्साफ्लोराईड)
• क्लोरीनसोबत: U(s) + 2Cl₂(g) → UCl₄(s) (युरेनियम टेट्राक्लोराईड)

5. केंद्रकीय विखंडन (एक केंद्रकीय प्रक्रिया)

रासायनिक अभिक्रिया नसतानाही, केंद्रकीय विखंडन ही युरेनियममधील सर्वात महत्त्वाची प्रक्रिया आहे. जेव्हा Uranium-235 सारखे विखंडनीय समस्थानिक न्यूट्रॉन शोषून घेते, तेव्हा त्याचे केंद्रक लहान केंद्रकांमध्ये विभागले जाते, ज्यामुळे प्रचंड ऊर्जा आणि अधिक न्यूट्रॉन बाहेर पडतात, ज्यामुळे साखळी अभिक्रिया (chain reaction) सुरू होते. ¹n + ²³⁵U → fission products + 2-3¹n + energy

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

• अणुइंधन: युरेनियमचा प्राथमिक औद्योगिक उपयोग अणुऊर्जा प्रकल्पांमध्ये इंधन म्हणून होतो. समृद्ध युरेनियम (²³⁵U चे जास्त प्रमाण असलेले) नियंत्रित केंद्रकीय विखंडनाद्वारे वीज निर्मितीसाठी वापरले जाते.
• अणुबॉम्ब: अत्यंत समृद्ध युरेनियम (HEU) हे अणुबॉम्बच्या डिझाइनमधील एक महत्त्वाचा घटक आहे कारण त्यात स्फोटक साखळी अभिक्रिया टिकवून ठेवण्याची क्षमता असते.
• क्षीण युरेनियम: ²³⁵U च्या समृद्धीकरण प्रक्रियेनंतर शिल्लक राहिलेले Uranium-238 हे क्षीण युरेनियम (depleted uranium) म्हणून ओळखले जाते. त्याच्या उच्च घनतेमुळे त्याचा उपयोग चिलखत भेदक गोळे (armor-piercing projectiles), किरणोत्सर्ग संरक्षण (radiation shielding) आणि विमानांमध्ये प्रतिभार (counterweights) म्हणून केला जातो.
• रेडिओआयसोटोप उत्पादन: युरेनियमच्या विखंडन उत्पादनांपासून औषध, उद्योग आणि संशोधनात वापरले जाणारे विविध रेडिओआयसोटोप मिळतात.
• ऐतिहासिक उपयोग: ऐतिहासिकदृष्ट्या, युरेनियम संयुगे काच आणि सिरॅमिक्समध्ये पिवळ्या-नारंगी रंगाचे रंगद्रव्य म्हणून वापरली जात होती.

जैविक महत्त्व

• कोणतीही ज्ञात जैविक भूमिका नाही: युरेनियमची कोणत्याही सजीवामध्ये कोणतीही ज्ञात आवश्यक जैविक भूमिका नाही.
• विषारीपणा: युरेनियम रासायनिकदृष्ट्या विषारी आणि किरणोत्सर्गीदृष्ट्या धोकादायक दोन्ही आहे.
  • रासायनिक विषारीपणा: एक जड धातू असल्यामुळे, ते मूत्रपिंडाचे नुकसान, हाडांचे नुकसान आणि मज्जातंतू संबंधी परिणाम (neurological effects) करू शकते. सामान्य संपर्क पातळीवर (exposure levels) त्याची रासायनिक विषारीता अनेकदा त्याच्या किरणोत्सर्गीतेपेक्षा अधिक त्वरित चिंतेचा विषय असते.
  • किरणोत्सर्गी धोका: त्याची किरणोत्सर्गिता दीर्घकाळ चालणारा आरोग्य धोका निर्माण करते, अल्फा कणांच्या उत्सर्जनामुळे कर्करोग आणि आनुवंशिक नुकसानीची शक्यता वाढवते. ते हाडे आणि मऊ ऊतकांमध्ये जमा होऊ शकते.