关于铀介绍

[拼音]：you

[外文]：uranium

一种天然放射性元素，化学符号U，原子序数92，原子量238.0289，属锕系元素，为银白色金属。它是最重要的核燃料。因纪念1781年发现的新行星Uranus（天王星）而命名。

发现

铀是1789年德意志化学家M.H.克拉普罗特从沥青铀矿中发现的。克拉普罗特用硝酸处理沥青铀矿，得到黄色溶液，在加入碳酸钾中和时，析出黄色沉淀。他认为该沉淀是一种新元素的氧化物，并将此氧化物和碳在高温下加热，得到了一种表观象金属的物质。克拉普罗特认为这就是金属铀，实际上是铀的一种氧化物。1841年法国化学家 E.-M.佩利若用钾还原四氯化铀而制得金属铀。

存在

已发现质量数在226和242之间的16个铀同位素，其中只有铀238、铀235、铀234是天然放射性同位素，其同位素的相对丰度(原子百分数)分别为99.275、0.720和0.005。铀在自然界分布很广，在地壳中铀的平均含量为 (3～4)×10-4％，比汞、银、金、铋和镉的含量都高。在海水中铀的含量约为3.34微克／升；大部分的温泉、某些湖水、河水也含少量铀。自然界中重要的铀矿物和含铀矿物有沥青铀矿、钒钾铀矿、钙铀云母、晶质铀矿和铀石等。铀233是由钍232和中子进行反应后经β- 衰变所得，是一种人工合成的核燃料。

性质

以铀238和铀235为始祖核素分别组成两个天然放射性衰变系。铀238即铀Ⅰ(UⅠ)，是铀镭系的始祖核素。铀235即锕铀(AcU)，是锕铀系的始祖核素。

铀235是重要的天然铀同位素，是原始核燃料。它受到慢中子轰击发生裂变（裂变截面为583.54靶恩），并放出大量的能量。1 千克铀 235完全裂变的热量大约为2.2022×107千瓦·时。在放出能量的同时，还产生裂变产物（包括 36种元素的300多种核素）。每个发生裂变的铀核平均放出约2.5个中子(n)，其过程为：

235U+n→FP+2.5n+E

式中FP表示裂变产物，E为裂变释放的能量。铀235也能因快中子轰击而裂变，但裂变截面远小于慢中子的裂变截面。铀235还能自发裂变，其自发裂变半衰期为1.8×1017年。

铀238在慢中子作用下不裂变，但发生如下核反应：

238U+n→239U

所产生的铀239半衰期为23.5分，经两次β-衰变而生成钚239：

钚239易为慢中子所裂变，因此也是一种重要核燃料。铀238能自发裂变，其自发裂变半衰期为9.86×1015年。

铀234是铀238(铀Ⅰ)的衰变子体，故又称铀Ⅱ(UⅡ)，它的核性质并无实际意义。铀同位素的主要核性质见表。

金属铀的熔点为1 132°C，沸点为3 818°C，密度约19.05克／厘米3。金属铀有三种结晶变体，常温为α型，复杂立方晶格；667.7°C转变为β型，四方晶格;774.8°C转变为γ型，体心立方晶格。在温度低于 0.68K时铀具有超导性。铀的热导率随温度升高而逐渐增加。金属铀具有延展性，但加工时又有硬化倾向，在α铀的温度范围内进行热处理，可消除硬化现象。其机械性能与纯度有关，如金属铀中含氢0.3～5ppm时就变脆。

铀原子的电子构型为(Rn)5f36d17s2，有＋3、+4、+5、+6四种氧化态，以＋6氧化态最稳定。铀的化学性质活泼，能形成多种铀化合物。金属铀暴露在空气中，表面失去银白色光泽而生成致密的氧化膜，此氧化膜可防止金属进一步氧化。铀极易自燃，在空气或水中即自燃。铀能与铜、锌、汞、铝、钛、钨、钼、锰、铁、锆、铌等形成合金。铀也易与大多数非金属反应，在不同温度下，与氢、氟、氮反应，分别生成UH3、UF6和氮化物的混合物。铀与水蒸气反应生成氢化铀，部分氢化铀又进一步被水氧化生成UO2。铀与碳在800～1000°C生成UC或UC2。

在水溶液中，四价和六价是铀常见的化合价。在酸性溶液中，六价铀以UO卂形式存在。不同价态的铀，在水溶液中，都具有特征的颜色：U3+溶液呈玫瑰红色，U4+呈绿色，UO卂呈黄绿色;五价铀在水溶液中很不稳定，其颜色不易确定。这几种离子的溶液各有特征吸收光谱，据此可以鉴定溶液中的铀的价态。铀盐在水溶液中易发生水解反应，产生氢离子。水溶液中各种铀离子的水解容易程度按下列顺序：

U4+离子最易水解，与同一配位体生成络合物的能力也比UO卂离子强得多；U3+和UO娚不稳定，UO娚在酸性溶液中能发生歧化反应，即一部分UO娚被氧化成UO卂，一部分被还原成U4+。

制取

常用金属镁或钙热还原四氟化铀，以制备金属铀（见铀的提取和纯化）。

应用

铀自1789年发现后，在很长一段时间里，主要用于玻璃着色或作陶瓷的釉料，用量和经济价值都很小;自德国化学有O.哈恩等在1938年发现铀核裂变后，铀才成为引人注目的元素。

铀作为核燃料，在核反应堆中可释放巨大的能量，如在轻水反应堆中，1吨天然铀相当于15～17千吨煤，可发电45～50兆度；而在快中子增殖堆中，1吨天然铀约等于100万吨煤，可发电30亿度。核燃料还广泛用于交通运输工具的推进动力方面。核动力堆可装于潜艇、远洋货轮，其燃料负荷量和续航能力，都是一般燃料无法比拟的。铀作为核炸药，能用作核武器的装料。铀核裂变时产生300多种核素，这些核素及其射线在各方面的应用，为核能的和平利用开辟了另一个广阔的领域。

毒性

铀属高毒性元素，铀(Ⅵ)主要蓄积在肾脏、骨骼中，铀(Ⅳ)主要蓄积在肝脏中。铀急性中毒会引起肾脏病变、中毒性肝炎和神经系统病变等；慢性中毒主要表现为肾脏病变。天然铀在放射性工作场所空气中的最大容许浓度为2×10-8克／升，在露天水源中的限制浓度为5×10-5克／升。

参考书目

1. E.H.P.科德芬克著，《核原料》编辑部《铀化学》翻译组译：《铀化学》，原子能出版社，北京，1977。(E.H.P. Cordfunke，The Chemistry of Uranium，Elsevier，Amsterdam，1969.)

参考文章

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