2022-09-09 05:31:53

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化学元素

所属类别 :
元素
元素
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铀是原子序数为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(数十万年~45亿年)。此外还有12种人工同位素(U~U)。铀在1789年由马丁·海因里希·克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)发现。 

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基本信息

  • 中文名称

  • 外文名称

    Uranium

  • 元素符号

    U

  • 原子量

    238.02891

  • 元素类型

    金属元素

  • 原子序数

    92

  • 发现人

    克拉普罗特

  • 元素类别

    锕系元素

  • 电子排布

    [Rn] 5f 6d 7s

  • 价态

    +3,+4,+5,+6

  • 外观

    银白色金属

  • 熔点

    1132.5 ℃

  • 沸点

    4131 ℃

  • CAS登录号

    7440-61-1

折叠 编辑本段 基本信息

铀的外观铀的外观铀在元素周期表中的位置铀在元素周期表中的位置元素中文名称:铀(yóu)

元素英文名称:Uranium

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

折叠 编辑本段 元素性质

折叠 物理性质

材料性质

物态(S.T.P)丨颜色固体丨银白色
密度丨液体密度19.05 g/cm³ (排名:第9位)丨17.3 g/cm³
摩尔体积
12.495 cm³/mol
莫氏硬度丨维氏硬度丨布氏硬度6丨1960 MPa (排名:第8位)丨2400 MPa (排名:第5位)
剪切模量丨杨氏模量丨体积模量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)
声速
3155 m/s (排名:第32位)
膨胀系数
13.9 µm·m⁻¹·K⁻¹ (排名:第21位)
热导率
27.5 W/(m·K) (排名:第45位)

热力性质

熔点
1405.3 K  1135 ℃ (排名:第41位)
沸点
4404 K  3927 ℃ (排名:第17位)
熔化热丨汽化热9.14 kJ/mol (排名:第34位)丨420 kJ/mol (排名:第20位)
比热容27.665 J/(mol·K) (排名:第84位)

电磁性质

电气类型
导体
电阻率
2.8×10⁻ ⁷ Ω·m
电导率
3.6×10⁶ S/m
磁性顺磁性
质量磁化率丨摩尔磁化率2.16×10⁻⁸ m³/kg丨5.14×10⁻⁹ m³/mol
逸出功
(3.63 to 3.9) eV
超导点
0.68 K

折叠 原子性质

反应性质

氧化态6  5  4  3  2  1
电负性
1.38(鲍林标度)
电离能
第一:597.6 kJ/mol  第二:1420 kJ/mol

原子性质

能项符号
⁵L₆
原子半径
175 pm
共价半径
196±7 pm
范德华半径
186 pm
电子构型
晶体结构
铀的电子构型图解铀的电子构型图解

铀的电子排布模型铀的电子排布模型

底心正交底心正交

核性(最长寿命同位素)

半衰期
447万年
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种)
寿命
645万年 (排名:第36位)
比放射性
12.44 kBq/g
衰变模式
α 放射
核自旋
²¹⁷U:1/2⁻
中子截面
7.57 b稳定同位素
中子质量吸收
5×10⁻⁴ m²/kg同位素丰度²³⁸U:99.2745%丨²³⁵U:0.72%丨²³⁴U:0.0055%

折叠 丰度数据

原子丰度
质量丰度
宇宙1×10⁻¹º% (排名:第78位)宇宙
2×10⁻⁸% (排名:第79位)
太阳4×10⁻¹º% (排名:第70位)太阳
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)
地壳1.5×10⁻⁵% (排名:第56位)地壳
1.8×10⁻⁴% (排名:第51位)
人体3×10⁻⁹% (排名:第41位)人体
1×10⁻⁷% (排名:第39位)

折叠 编辑本段 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)分别在西非加蓬奥克洛的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占3%。在适当环境下,这足以激发并维持核连锁反应。

史前应用

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在意大利那不勒斯湾波希里坡海角(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制造玻璃。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,铀之后的镎(Neptunium)以海王星(Neptune)命名,其后的钚(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·皮里哥把四氯化铀和钾一同加热,首次分离出铀金属。19世纪时人们意识不到铀的危险性,因此发展了各种铀的日常应用,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。

折叠 编辑本段 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是制取核燃料钚的原料。

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℃下和反应生成碳化物,250~300℃下和反应生成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、锡、、铅、、铁、镍、作用生成金属间化合物,金属铀缓慢溶于硫酸磷酸,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。

折叠 编辑本段 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,铀即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀,这比、汞、、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 1.3×10¹ 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 4.5×10⁹ 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。

折叠 编辑本段 基本用途

铀

在居里夫妇发现以后,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,铀的开采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。

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