鈾

鈾為銀白色金屬,是重要的天然放射性元素,也是最重要的核燃料,元素符號U。鈾于1789年由德國化學家克拉普羅特瀝青鈾礦中分離出,並用1781年發現的天王星uranium為它命名。鈾在接近絕對零度時有超導性,有延展性,並具有微弱放射性。1938年發現鈾核裂變後,其開始成為主要的核原料,也開始被用作熱核武器氫彈的引爆劑。
  • 中文名
  • 外文名
    Uranium
  • 元素符號
    U
  • 原子量
    238.02891
  • 元素類型
    金屬元素
  • 原子序數
    92
  • 發現人
    克拉普羅特

基本信息

元素名:鈾(Yóu)Uranium(英)

鈾的面板鈾的面板 鈾在元素周期表中的位置鈾在元素周期表中的位置

元素符號:U

原子序數:92

原子量:238.02891

族丨周期丨區:n/a丨7丨f

元素類別:錒系金屬

電子構型:[Rn]7s²5f³6d¹

2,8,18,32,21,9,2

半衰期:447萬年

命名:以天王星的名稱Uranus命名

發現:1789年由馬丁·克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)于德國柏林發現;1841年由Eugène-Melchior Péligot于法國巴黎首次提純

CAS號:7440-61-1

元素性質

物理性質

材料性質

物態(S.T.P)丨顏色固體丨銀白色
密度丨液體密度19.05 g/cm³ (排名:第9位)丨17.3 g/cm³
摩爾體積
12.495 cm³/mol
莫氏硬度丨維氏硬度丨布氏硬度6丨1960 MPa (排名:第8位)丨2400 MPa (排名:第5位)
剪下模量丨楊氏模量丨體積模量111 GPa丨208 GPa (排名:第11位)丨100 GPa (排名:第23位)
泊松比0.23 (排名:第47位)
聲速
3155 m/s (排名:第32位)
膨脹系數
13.9 µm·m⁻¹·K⁻¹ (排名:第21位)
熱導率
27.5 W/(m·K) (排名:第45位)

熱力性質

熔點
1405.3 K  1135 ℃ (排名:第41位)
沸點
4404 K  3927 ℃ (排名:第17位)
熔化熱丨汽化熱9.14 kJ/mol (排名:第34位)丨420 kJ/mol (排名:第20位)
比熱容27.665 J/(mol·K) (排名:第84位)

電磁性質

電氣類型
導體
電阻率
2.8×10⁻ ⁷ Ω·m
電導率
3.6×10⁶ S/m
磁性順磁性
質量磁化率丨摩爾磁化率2.16×10⁻⁸ m³/kg丨5.14×10⁻⁹ m³/mol
逸出功
(3.63 to 3.9) eV
超導點
0.68 K

原子性質

反應性質

氧化態6  5  4  3  2  1
電負性
1.38(鮑林標度)
電離能
第一:597.6 kJ/mol  第二:1420 kJ/mol

原子性質

能項符號
⁵L₆
原子半徑
175 pm
共價半徑
196±7 pm
範德華半徑
186 pm
電子構型
晶體結構
鈾的電子構型圖解鈾的電子構型圖解 鈾的電子排布模型鈾的電子排布模型 底心正交底心正交

核性(最長壽命同位素)

半衰期
447萬年
已知同位素
²¹⁷U丨²¹⁸U丨²¹⁹U丨²²⁰U丨²²¹U丨²²²U丨²²³U丨²²⁴U丨²²⁵U丨²²⁶U丨²²⁷U丨²²⁸U丨²²⁹U丨²³⁰U丨²³¹U丨²³²U丨²³³U丨²³⁴U丨²³⁵U丨²³⁶U丨²³⁷U丨²³⁸U丨²³⁹U丨²⁴⁰U丨²⁴¹U丨²⁴²U (共26種)
壽命
645萬年 (排名:第36位)
比放射性
12.44 kBq/g
衰變模式
α 放射
核自旋
²¹⁷U:1/2⁻
中子截面
7.57 b穩定同位素
中子質量吸收
5×10⁻⁴ m²/kg同位素豐度²³⁸U:99.2745%丨²³⁵U:0.72%丨²³⁴U:0.0055%

豐度資料

原子豐度
質量豐度
宇宙1×10⁻¹º% (排名:第78位)宇宙
2×10⁻⁸% (排名:第79位)
太陽4×10⁻¹º% (排名:第70位)太陽
1×10⁻⁷% (排名:第57位)
流星1×10⁻⁷% (排名:第78位)流星
9.8×10⁻⁷% (排名:第78位)
海洋
8.6×10⁻⁹% (排名:第43位)海洋
3.3×10⁻⁷% (排名:第25位)
地殼1.5×10⁻⁵% (排名:第56位)地殼
1.8×10⁻⁴% (排名:第51位)
人體3×10⁻⁹% (排名:第41位)人體
1×10⁻⁷% (排名:第39位)

發現歷史

史前天然裂變

1972年,法國物理學家弗朗西斯·佩蘭(Francis Perrin)分別在西非加彭奧克洛的3個礦床中,發現了15處古天然核反應堆,今天已不再活躍。該礦床的年齡為17億年,當時地球上的鈾中,鈾-235佔3%。在適當環境下,這足以激發並維持核連鎖反應。

史前套用

人類最早使用鈾的天然氧化物,可以追溯到公元79年以前。當時氧化鈾被用來為陶瓷上黃色的彩釉。1912年,牛津大學的R. T. Gunther在義大利那不勒斯灣波希裏坡海角(Cape Posillipo)的古羅馬別墅中,發現了含1%氧化鈾的黃色玻璃。從歐洲中世紀晚期開始,波希米亞約阿希姆斯塔爾(既今捷克亞希莫夫)的居民就使用哈布斯堡銀礦中提取的瀝青鈾礦來製造玻璃。19世紀初,人們所知的鈾礦僅在以上的地點。

現代發現

鈾元素是由德國化學家馬丁·克拉普羅特發現的。1789年,他在位于柏林的實驗室中,把瀝青鈾礦溶解在硝酸中,再用氫氧化鈉中和,成功沉淀出一種黃色化合物(可能是重鈾酸鈉)。克拉普羅特假設這是一種未知元素的氧化物,並用炭進行加熱,得出黑色的粉末。他錯誤地認為這就是新發現的元素,但其實該粉末才是鈾的氧化物。他以威廉·赫歇爾在八年前發現的天王星(Uranus)來命名這種新元素,而天王星本身是以希臘神話中的天神烏拉諾斯命名的。同樣地,鈾之後的鎿(Neptunium)以海王星(Neptune)命名,其後的鈈(Plutonium)則以冥王星(Pluto)命名。

1841年,巴黎中央工藝學校(Conservatoire National des Arts et Métiers)分析化學教授尤金-梅爾希奧·皮裏哥把四氯化鈾和鉀一同加熱,首次分離出鈾金屬。19世紀時人們不意識到鈾的危險性,因此發展了各種鈾的日常套用,其中包括歷史流傳下來的陶瓷和玻璃上色。

1896年,亨利·貝可勒爾在位于巴黎的實驗室中,使用鈾元素發現了放射性。貝可勒爾將硫酸鈾鉀鹽(K₂UO₂(SO₄)₂)放在照相底片上,並置于抽屜當中。取出之後,他發覺底片出現了霧狀影像。他得出結論,鈾會發出一種不可見光或射線,在底片上留下了影像。

基本性質

物理性質

鈾是元素周期表中第七周期MB族元素,錒系元素之一,是重要的天然放射性元素,元素符號U,原子序數92,原子量238.0289。在整個元素序列中,大約到鐵的位置以後,每個原子核都有分裂趨勢,隻是由于閘門阻止著才未分裂。在自然界發現的最後一個元素鈾,有最弱的閘門,1936年由哈恩和他的同事斯特拉斯曼在實驗中第一次打破的,就是這個元素。鈾原子有92個質子和92個電子,其中6個是價電子。鈾是銀白色金屬,熔點1132.5℃,沸點3745℃,密度18.95g/cm³,電阻率30.8X10⁻⁸n"m,抗拉強度450MPa,屈服強度207MPa,彈性模數172GPa。鈾的熱中子吸收截面為7.60b,鈾有15種同位素,其原子量從227~240。所有鈾同位素皆不穩定,具有微弱放射性。鈾的天然同位素組成為:²³⁸U(自然豐度99.275%,原子量238.0508,半衰期4.51×10⁹a),²³⁵U(自然豐度0.720%,原子量235.0439,半衰期7.00×10⁸a),²³⁴U(自然豐度0.005%,原子量234.0409,半衰期2.47×10⁵a)。其中235u是惟一天然可裂變核素,受熱中子轟擊時吸收一個中子後發生裂變,放出總能量為195MeV,同時放2~3個中子,引發鏈式核裂變;²³⁸U是製取核燃料鈈的原料。

化學性質

鈾的外電子層構型為[Rn]5f³6d¹ 7s²,有+3,+4,+5,+6四種價態,其中+4和+6價化合物穩定。鈾的化學性質活潑,能和所有的非金屬作用(惰性氣體除外),能與多種金屬形成合金。空氣中易氧化,生成一層發暗的氧化膜,高度粉碎的鈾空氣中極易自燃,塊狀鈾在空氣中易氧化失去金屬光澤,在空氣中加熱即燃燒,鈾能與所有非金屬反應,250℃下和硫反應,400℃下和氮反應生成氮化物,1250℃下和反應生成碳化物,250~300℃下和反應生成UH₃,UH₃在真空350~400℃下分解,放出氫氣。鈾與鹵素反應生成鹵化物,鈾能與、錫、、鉛、、鐵、鎳、作用生成金屬間化合物,金屬鈾緩慢溶于硫酸磷酸,有氧化劑存在時會加速溶解,鈾易溶于硝酸,鈾對鹼性溶液呈惰性,但有氧化劑存在時,能使鈾溶解,鈾及其化合物均有較大的毒性,空氣中可溶性鈾化合物的允許濃度為0.05mg/m³,不溶性鈾化合物允許濃度為0.25mg/m³,人體對天然鈾的放射性允許劑量,可溶性鈾化合物為7400Bq,不溶性鈾化合物為333Bq。

分布範圍

鈾通常被人們認為是一種稀有金屬,盡管鈾在地殼中的含量很高,比、銀要多得多,但由于提取鈾的難度較大,所以它註定了要比汞這些元素發現的晚得多。盡管鈾在地殼中分布廣泛,但是隻有瀝青鈾礦和鉀釩鈾礦兩種常見的礦床。

地殼中鈾的平均含量約為百萬分之2.5,即平均每噸地殼物質中約含2.5克鈾,這比、汞、、銀等元素的含量還高。鈾在各種岩石中的含量很不均勻。例如在花崗岩中的含量就要高些,平均每噸含3.5克鈾。在地殼的第一層(距地表 20 km)內含鈾近 1.3×10¹ 噸。依此推算,一立方公裏的花崗岩就會含有約一萬噸鈾。海水中鈾的濃度相當低,每噸海水準均隻含3.3毫克鈾,但由于海水總量極大(海水中總含鈾量可達 4.5×10⁹ 噸),且從水中提取有其方便之處,所以目前不少國家,特別是那些缺少鈾礦資源的國家,正在探索海水提鈾的方法。

鈾

由于鈾的化學性質很活潑,所以自然界不存在遊離的金屬鈾,它總是以化合狀態存在著。已知的鈾礦物有一百七十多種,但具有工業開採價值的鈾礦隻有二、三十種,其中最重要的有瀝青鈾礦(主要成分為八氧化三鈾))、品質鈾礦(二氧化鈾)、鈾石和鈾黑等。很多的鈾礦物都呈黃色、綠色或黃綠色。有些鈾礦物在紫外線下能發出強烈的熒光。正是鈾礦物(鈾化合物)這種發熒光的特徵,才導致了放射性現象的發現。

雖然鈾元素的分布相當廣,但鈾礦床的分布卻很有限。鈾資源主要分布在美國加拿大、南非、西南非、澳大利亞等國家和地區。據估計,已探明的工業儲量到1972年已超過一百萬噸。中國鈾礦資源也十分豐富。

鈾及其一系列衰變子體的放射性是存在鈾的最好標志。人的肉眼雖然看不見放射性,但是借助于專門的儀器卻可以方便地把它探測出來。因此,鈾礦資源的普查和勘探幾乎都利用了鈾具有放射性這一特點:若發現某個地區岩石、土壤、水、甚至植物內放射性特別強,就說明那個地區可能有鈾礦存在。

基本用途

鈾

在居裏夫婦發現以後,由于鐳具有治療癌症的特殊功效,鐳的需要量不斷增加,因此許多國家開始從瀝青鈾礦中提煉鐳,而提煉過鐳的含鈾礦渣就堆在一邊,成了“廢料”。然而,鈾核裂變現象發現後,鈾變成了最重要的元素之一。這些“廢料”也就成了“寶貝”。從此,鈾的開採工業大大地發展起來,並迅速地建立起了獨立完整的原子能工業體系。

相關詞條

相關搜尋

其它詞條