铀

基本信息

元素名：铀（Yóu）Uranium（英）

元素符号：U

原子序数：92

原子量：238.02891

族丨周期丨区：n/a丨7丨f

元素类别：锕系金属

电子构型：[Rn]7s²5f³6d¹

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

半衰期：447万年

命名：以天王星的名称Uranus命名

发现：1789年由马丁·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）于德国柏林发现；1841年由Eugène-Melchior Péligot于法国巴黎首次提纯

CAS号：7440-61-1

元素性质

物理性质

材料性质

热力性质

电磁性质

原子性质

反应性质

原子性质

核性(最长寿命同位素）

丰度资料

发现历史

史前天然裂变

1972年，法国物理学家弗朗西斯·佩兰（Francis Perrin）分别在西非加彭奥克洛的3个矿床中，发现了15处古天然核反应堆，今天已不再活跃。该矿床的年龄为17亿年，当时地球上的铀中，铀-235佔3%。在适当环境下，这足以激发并维持核连锁反应。

史前套用

人类最早使用铀的天然氧化物，可以追溯到公元79年以前。当时氧化铀被用来为陶瓷上黄色的彩釉。1912年，牛津大学的R. T. Gunther在义大利那不勒斯湾波希裏坡海角（Cape Posillipo）的古罗马别墅中，发现了含1%氧化铀的黄色玻璃。从欧洲中世纪晚期开始，波希米亚约阿希姆斯塔尔（既今捷克亚希莫夫）的居民就使用哈布斯堡银矿中提取的沥青铀矿来製造玻璃。19世纪初，人们所知的铀矿仅在以上的地点。

现代发现

铀元素是由德国化学家马丁·克拉普罗特发现的。1789年，他在位于柏林的实验室中，把沥青铀矿溶解在硝酸中，再用氢氧化钠中和，成功沉淀出一种黄色化合物（可能是重铀酸钠）。克拉普罗特假设这是一种未知元素的氧化物，并用炭进行加热，得出黑色的粉末。他错误地认为这就是新发现的元素，但其实该粉末才是铀的氧化物。他以威廉·赫歇尔在八年前发现的天王星（Uranus）来命名这种新元素，而天王星本身是以希腊神话中的天神乌拉诺斯命名的。同样地，铀之后的鎿（Neptunium）以海王星（Neptune）命名，其后的鈈（Plutonium）则以冥王星（Pluto）命名。

1841年，巴黎中央工艺学校（Conservatoire National des Arts et Métiers）分析化学教授尤金-梅尔希奥·皮裏哥把四氯化铀和钾一同加热，首次分离出铀金属。19世纪时人们不意识到铀的危险性，因此发展了各种铀的日常套用，其中包括历史流传下来的陶瓷和玻璃上色。

1896年，亨利·贝可勒尔在位于巴黎的实验室中，使用铀元素发现了放射性。贝可勒尔将硫酸铀钾盐（K₂UO₂(SO₄)₂）放在照相底片上，并置于抽屉当中。取出之后，他发觉底片出现了雾状影像。他得出结论，铀会发出一种不可见光或射线，在底片上留下了影像。

基本性质

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℃，沸点3745℃，密度18.95g/cm³，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4.51×10⁹a)，²³⁵U（自然丰度0.720%，原子量235.0439，半衰期7.00×10⁸a)，²³⁴U（自然丰度0.005%，原子量234.0409，半衰期2.47×10⁵a)。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是製取核燃料鈈的原料。

化学性质

铀的外电子层构型为[Rn]5f³6d¹ 7s²，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，铀对硷性溶液呈惰性，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。

分布範围

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 1.3×10¹⁴ 吨。依此推算，一立方公裏的花岗岩就会含有约一万吨铀。海水中铀的浓度相当低，每吨海水準均只含3.3毫克铀，但由于海水总量极大(海水中总含铀量可达 4.5×10⁹ 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，但具有工业开採价值的铀矿只有二、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）这种发荧光的特徵，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。

基本用途

在居裏夫妇发现镭以后，由于镭具有治疗癌症的特殊功效，镭的需要量不断增加，因此许多国家开始从沥青铀矿中提炼镭，而提炼过镭的含铀矿渣就堆在一边，成了“废料”。然而，铀核裂变现象发现后，铀变成了最重要的元素之一。这些“废料”也就成了“宝贝”。从此，铀的开採工业大大地发展起来，并迅速地建立起了独立完整的原子能工业体系。