百科名片
铀(Uranium)的原子序数为92的元素,其元素符号是U,是自然界中能够找到的最重元素。在自然界中存在三种同位素,均带有放射性,拥有非常长的半衰期(数亿年~数十亿年)。此外还有12种人工同位素(铀-226~铀-240)。铀在1789年由马丁·海因里希·克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)发现。铀化合物早期用于瓷器的着色,在核裂变现象被发现后用作为核燃料。
元素简介
铀(普通话拼音:yóu ;;英语拼写: 金属铀Uranium),得名于天王星的名字“Uranus”。
致密而有延展性的银白色放射性金属。铀在接近绝对零度时有超导性,有延展性。铀的化学性质活泼,能和所有的非金属作用,能与多种金属形成合金。空气中易氧化,生成一层发暗的氧化膜,能与酸作用,与U-234、U-235、U-238混合体存在于铀矿中。少量存在于独居石等稀土矿石中。铀最初只用做玻璃着色或陶瓷釉料,1938年发现铀核裂变后,开始成为主要的核原料。
外围电子层排布:5f3 6d1 7s2。
物理性质
铀是元素周期表中第七周期MB族元素,锕系元素之一,是重要的天然放射性元素,元素符号U,原子序数92,原子量238.0289。在整个元素序列中,大约到铁的位置以后,每个原子核都有分裂的趋势,只是由于闸门阻止着才未分裂。在自然界发现的最后一个元素铀,有最弱的闸门,1936年由哈恩和他的同事斯特拉斯曼在实验中第一次打破的,就是这个元素。
铀原子有92个质子和92个电子,其中6个是价电子。铀是银白色金属,熔点1132.5`C,沸点3745℃,密度18.95g/c砰,电阻率30.8X10-8n"m,抗拉强度450MPa,屈服强度207MPa,弹性模数172GPa。铀的热中子吸收截面为7.60b,铀有15种同位素,其原子量从227-240。所有铀同位素皆不稳定,具有微弱放射性。铀的天然同位素组成为:238u(自然丰度99.275%,原子量238.0508,半衰期4.51X109a),235U(自然丰度0.720%,原子量235.0439,半衰期7.00X108a),234U(自然丰度0.005%,原子量234.0409,半衰期2.47X105a)。其中235u是惟一天然可裂变核素,受热中子轰击时吸收一个中子后发生裂变,放出总能量为195MeV,同时放2~3个中子,引发链式核裂变;238U是制取核燃料钚的原料。
化学性质
铀的外电子层构型为[Rn]5f36dl7s2,有+3,+4,+5,+6四种价态,其中+4和+6价化合物稳定。铀的化学性质活泼,能和所有的非金属作用(惰性气体除外),能与多种金属形成合金。空气中易氧化,生成一层发暗的氧化膜,高度粉碎的铀空气中极易自燃,块状铀在空气中易氧化失去金属光泽,在空气中加热即燃烧,铀能与所有非金属反应,250℃下和硫反应,400℃下和氮反应生成氮化物,1250℃下和碳反应生成碳化物,250-300℃下和氢反应生成UH3,UH3在真空350-400℃下分解,放出氢气。
铀与卤素反应生成卤化物,铀能与汞、锡、铜、铅、铝、铋、铁、镍、锰、钴、锌、铍作用生成金属间化合物,金属铀缓慢溶于硫酸和磷酸,有氧化剂存在时会加速溶解,铀易溶于硝酸,铀对碱性溶液呈惰性,但有氧化剂存在时,能使铀溶解,铀及其化合物均有较大的毒性,空气中可溶性铀化合物的允许浓度为0.05mg/m3,不溶性铀化合物允许浓度为0.25mg/m3,人体对天然铀的放射性允许剂量,可溶性铀化合物为7400Bq,不溶性铀化合物为333Bq。
发现过程
1789年,由德国化学家克拉普罗特(M.H.Klaproth)从沥青铀矿中分离出,就用1781年新发现的一个行星——天王星命名它为uranium,元素符号定为U。1841年,佩利戈特(E.M.Peligot)指出,克拉普罗特分离出的“铀”,实际上是二氧化铀。他用钾还原四氯化铀,成功地获得了金属铀。1896年有人发现了铀的放射性衰变。1939年,哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)发现了铀的核裂变现象。自此以后,铀便变得身价百倍。
分布范围
铀通常被人们认为是一种稀有金属,尽管铀在地壳中的含量很高,比汞、铋、银要多得多,但由于提取铀的难度较大,所以它注定了要比汞这些元素发现的晚得多。尽管铀在地壳中分布广泛,但是只有沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床。
地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5,即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀,这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。铀在各种岩石中的含量很不均匀。例如在花岗岩中的含量就要高些,平均每吨含3.5克铀。在地壳的第一层(距地表 20 km)内含铀近 1.3×10^14 吨。依此推算,一立方公里的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低,每吨海水平均只含3.3毫克铀,但由于海水总量极大(海水中总含铀量可达 4.5×10^9 吨),且从水中提取有其方便之处,所以目前不少国家,特别是那些缺少铀矿资源的国家,正在探索海水提铀的方法。
由于铀的化学性质很活泼,所以自然界不存在游离的金属铀,它总是以化合状态存在着。已知的铀矿物有一百七十多种,但具有工业开采价值的铀矿只有二、三十种,其中最重要的有沥青铀矿(主要成分为八氧化三铀))、品质铀矿(二氧化铀)、铀石和铀黑等。很多的铀矿物都呈黄色、绿色或黄绿色。有些铀矿物在紫外线下能发出强烈的荧光。正是铀矿物(铀化合物)这种发荧光的特性,才导致了放射性现象的发现。
虽然铀元素的分布相当广,但铀矿床的分布却很有限。铀资源主要分布在美国、加拿大、南非、西南非、澳大利亚等国家和地区。据估计,已探明的工业储量到1972年已超过一百万吨。中国铀矿资源也十分丰富。
铀及其一系列衰变子体的放射性是存在铀的最好标志。人的肉眼虽然看不见放射性,但是借助于专门的仪器却可以方便地把它探测出来。因此,铀矿资源的普查和勘探几乎都利用了铀具有放射性这一特点:若发现某个地区岩石、土壤、水、甚至植物内放射性特别强,就说明那个地区可能有铀矿存在。
|