铀的基本性质

性质 导热率 磁化率 电阻率 电导（0－ 20℃） ℃ 气化热 原子体积
单位 厘米·秒 度 卡/厘米 秒·度 厘米 电磁单位/g 电磁单位 微欧姆·cm 微欧姆 微欧－1 千卡/摩尔 千卡 摩尔 cm3/摩尔 摩尔
特征值 0.064 1.74×10－6 × 30.0 0.034 110 12.5
金属铀在一定的温度和压力下发生相变。 金属铀在一定的温度和压力下发生相变。在 1.013×105Pa条件下，α铀在 条件下， 铀在 铀在667.7℃相变成 铀； × 条件下 ℃相变成β铀 当温度升高到774.8℃时，β铀又相变成 铀。α、 铀又相变成γ铀 当温度升高到 ℃ 铀又相变成 β、γ三相铀的平衡点的压力为 三相铀的平衡点的压力为29.8×108Pa，温 三相铀的平衡点的压力为 × ， 度是798℃。当压力超过 度是 ℃ 当压力超过29.8×108Pa时，α铀直 × 时 铀直 接转变为γ铀 接转变为 铀。
－0.49V
－2.14V
－2.17V
图中最右端为还原物质， 左端为氧化物质。 图中最右端为还原物质 ， 左端为氧化物质 。 电极电位大于零：说明化学反应自由能小于零， 电极电位大于零：说明化学反应自由能小于零， 反应可自发进行，关系式成立。 反应可自发进行，关系式成立。 在碱性溶液中的电极电位均小于零， 在碱性溶液中的电极电位均小于零，说明碱 性溶液中铀以高价态的形式可稳定存在。 性溶液中铀以高价态的形式可稳定存在。即在 碱性溶液中铀很容易被氧化。 碱性溶液中铀很容易被氧化。
锕系元素包括如下： 锕系元素包括如下：
89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk
锕 钍 98Cf 99Es 锿 锎
镤 100Fm 镄
铀 镎 钚 101Md 102No 103Lr 钔 锘 铹
镅
锔
铻
铀是92号元素，它的电子结构为： 铀是 号元素，它的电子结构为： 号元素
①铀的标准电极电位： 铀的标准电极电位：
的强酸性介质中： 在25℃，pH=1的强酸性介质中： ℃ 的强酸性介质中
＋ ＋ UO22+ ＋0.052V UO2＋ ＋0.612V U4＋ －0.607 U3＋ －1.796 U
+0.334V(在HCl溶液中 在 溶液中) 溶液中
的强碱性介质中： 在25℃，pH=14的强碱性介质中： ℃ 的强碱性介质中 UO2(OH)2 U(OH)4 U(OH)3 U
1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s 25f36d1 价电子层结构为5f36d17s2，成键的价电子为最外 价电子层结构为 层的2个 电子 次外层的1个 电子， 层的 个s电子，次外层的 个d 电子和外数第三层 的3个f电子。根据电子的丢失程度不同，可呈现不 个 电子。根据电子的丢失程度不同， 电子 同的价态。 几种价态， 同的价态。如+3、+4、+5、+6几种价态，所以铀 、 、 、 几种价态 所以铀 具有变价的特性。 具有变价的特性。
铀 测 年 法 图 解
金属铀可用还原法或电解法制取。 金属铀可用还原法或电解法制取。纯金属铀 外貌象钢，呈银白色，具金属光泽， 外貌象钢，呈银白色，具金属光泽，微带淡蓝色 色调。粉末状金属铀由于受到氧化呈灰黑色。 色调。粉末状金属铀由于受到氧化呈灰黑色。熔 点是1405℃。铀的硬度比铜稍低，其布氏硬度为 点是 ℃ 铀的硬度比铜稍低， 240－260kg/mm2。硬度随着温度升高而减小，并 硬度随着温度升高而减小， － 且与铀的变体有关。 铀的硬度最小 铀的硬度最小， 且与铀的变体有关。γ铀的硬度最小，以至不能 用布氏硬度测量。 用布氏硬度测量。 铀的密度很大，也与其变体有关，在常温下 铀的密度很大，也与其变体有关，在常温下α 铀的密度值为19.05g/cm3。根据此值计算出铀的 铀的密度值为 原子体积为12.5cm3/mol。铀的其他物理性质列入 原子体积为 。 表1。 。
＋ 稳定，易与氧结合成铀酰离子（ 稳定，易与氧结合成铀酰离子（UO22＋）或重
铀酸根离子形式（ 存在。 铀酸根离子形式（U2O72-）存在。
①离子的半径(Å=10-10m)
（I）U4＋—(0.97—1.01Å) ） ＋ ＋ Th4＋—(1.02—1.06 Å) ＋ TR3＋—(0.86—1.18 Å) 其中Y族稀土 族稀土（ 其中 族稀土 （ 0.86－ 0.98 Å） ， 铈族稀土 （ － ） 铈族稀土（ ＋ ＋ 1.00－1.18 Å），由于TR3＋和 U4＋有相似的离子 － ） 由于 半径和性质， 故相互之间极易发生置换反应， 半径和性质 ， 故相互之间极易发生置换反应 ， 因此，在一条件下，四价铀矿物含有TR和 等 因此，在一条件下，四价铀矿物含有 和Th等 类质同象混入物。 另外， 类质同象混入物 。 另外 ， 在与稀土元素之间的 置换上， 由于半径（ 离子） 的相近性， 置换上 ， 由于半径 （ 离子 ） 的相近性 ， 决定了 铀倾向于置换钇族稀土元素， 铀倾向于置换钇族稀土元素 ， 而钍倾向于置换 铈族稀土元素。 铈族稀土元素。
＋ U4＋
＋ ＋ 总反应式可写为： 总反应式可写为： 2UO2＋=UO22＋+U4＋
(1)
此反应能否自发进行， 此反应能否自发进行，可根据△Z＝－nFε反 应式来判断，该式中△Z为反应自由能（千 为得失电子数， 为法拉第常数23 23. 卡 ） ， n 为得失电子数 ， F 为法拉第常数 23.06 千卡/ 为电池电动势（ 千卡/伏，ε为电池电动势（伏）。
金属铀的物理性质（引自王剑锋，1986） 表1 金属铀的物理性质（引自王剑锋，1986）
性质 熔点 熔 化 热 升 华 热 比热 沸点 密度
单位 ℃ 卡/摩尔 摩尔 千卡/摩尔 千卡 摩尔 千卡/摩尔 千卡 摩尔 ℃ g/cm3
特征值 113
②U、U3＋的还原性 、 ＋
U3 ＋ ＋ 3e=U E°=-1.796V （ 酸 性 条 件 ） ° E°=-2.17V（碱性条件） ° （碱性条件） U4 ＋ ＋ e=U3 ＋ E°=-0.607V （ 酸 性 条 件 ） ° E°=-2.17V（碱性条件） ° （碱性条件） U、 U3＋ 在酸碱性溶液中都是强还原剂 ， 在 、 ＋ 在酸碱性溶液中都是强还原剂， 没有其它氧化剂的条件下， 没有其它氧化剂的条件下，两者都可以把水中 还原成H 而其本身则被氧化成U ＋ 的 H ＋ 还原成 2 ， 而其本身则被氧化成 4＋ 离 说明U、 ＋在水溶液中不能稳定存在。 子，说明 、U3＋在水溶液中不能稳定存在。
铀的三种变体的存在条件和特点列入表2 铀的三种变体的存在条件和特点列入表2。
表2 铀的三种同素异形体的特性 引自王剑锋，1986） （引自王剑锋，1986）
同素异形体 α－U － ﹤667.7 β－U － 667.7－774.8 － γ－U － 774.8－1132.3 －
存在温度（℃） （1×105Pa） × ） 晶体结构
第二章 铀元素及铀矿物的基本特征
第一节 铀元素性质及铀的分布
第二节
铀矿物的基本特征
第一节 铀元素性质及铀的分布 一、铀元素物理性质 二、铀元素化学性质 三、铀在地壳中的分布及存在形式
一、铀元素物理性质
U的原子序数是 ， 原子量是238， 在自然界 的原子序数是92， 原子量是 ， 的原子序数是 中有三种同位素， 中有三种同位素，即U238、U235和U234，其丰度分 别为99.2739％、 0.7205％和 0.0056％。 铀的三种 别为 ％ ％ ％ 同位素都有放射性， 同位素都有放射性，能够自发地蜕变成另一种原 子核，同时放出射线，它们的半衰期分别是 4.5×109a、7.3×108a和2.6×105a。 × 、 × 和 × 。
密度（ 密度（g/cm3）
斜方 a=2.854Å b=5.869Å c=4.955Å 19.05
四方 a=b=10.754Å c=5.6525Å 18.13
体心立方 a=3.534Å a=b=c 17.91
机械性质
延展性
脆性
塑性
二、铀元素化学性质
铀位于周期表第三族， 锕系元素（ 铀位于周期表第三族，属锕系元素（锕系元 周期表第三族 素为 89Ac－ 103Lr） ， 作为锕系元素 ， 其电子层 － ） 作为锕系元素， 结构有一明显的特点， 结构有一明显的特点 ， 即 具有三个不饱和的电 子层－最外层（ ） 次外层（ ） 子层－最外层（Q）、次外层（P）和外数第三 层 （ O） ； 并且最外层电子相等， 只有两个电 ） 并且最外层电子相等 ， 电子） 次外层中除钍（ ）有两个6d 子（7S电子），次外层中除钍（Th）有两个 电子 电子外，其它元素只有一个d电子或没有 亚层。 电子或没有d亚层 电子外，其它元素只有一个 电子或没有 亚层。 外数第三层（ 亚层 从镤（ 号 到铹（ 亚层） 外数第三层（5f亚层）从镤（91号）到铹（103 逐渐被填满。 号）逐渐被填满。
＋ 铀酰）呈哑铃型（见附图）， ），其 （II） UO22＋（铀酰）呈哑铃型（见附图），其 ） 长轴长约6.04－6.84 Å，离子半径很大，（最大 ，（最大 长轴长约 － ，离子半径很大，（ 的金属阳离子Cs 的离子半径是1.60 Å），因此 ），因此 的金属阳离子 ＋的离子半径是 ）， 没有其它任何阳离子可与它呈类质同象， 没有其它任何阳离子可与它呈类质同象，一般 Th4+与 ＋ UO22＋不 共生， 共生，但 在复盐中 可作为一 种组分出 现。
③UO2＋的歧化反应 在同一种元素中， 在同一种元素中，同时进行着两种相 反的化学反应，一部分原子或离子被氧化， 反的化学反应，一部分原子或离子被氧化， 另一部分原子或离子被还原， 另一部分原子或离子被还原，这种反应称 为歧化反应，或叫自身氧化还原反应。 为歧化反应，或叫自身氧化还原反应。歧 化反应的发生与物质的稳定性有一定的联 系。
＋ ＋ ＋之间的电位图： UO2＋与UO22＋和U4＋之间的电位图： ＋ UO22＋ 0.025V UO2＋
＋ UO22＋+e=UO2＋ ＋ ＋ E°UO2＋/UO22＋=-E°UO2＋/UO22＋=-0.025V ° ° ＋ UO2＋+e=U4＋ ＋ E°UO2/U4＋=+0.612V °
＋0.612V
现在只要（ ）式中的E°大于零， 现在只要（1）式中的 °大于零，反应即能 自发进行。 自发进行。
＋ ε总=E°UO2＋/UO2＋+E°UO2＋/U4＋= ° °
-0.052+0.612=+0.56V 计算得出ε总大于零，说明 计算得出 大于零，说明UO2＋的歧化反应 在酸性溶液中以能自发进行，因此+5价的氧化 在酸性溶液中以能自发进行，因此 价的氧化 态不稳定，它要同时被氧化和还原成+6价和 价和+4 态不稳定，它要同时被氧化和还原成 价和 价。 铀的稳定氧化态只在自然界只有+4和+6价两 铀的稳定氧化态只在自然界只有+4和+6价两 +4 并且+4价在还原条件下稳定，+6价在氧化 +4价在还原条件下稳定 种，并且+4价在还原条件下稳定，+6价在氧化 条件下稳定。 条件下稳定。
2、铀和铀酰的性质 、
由于铀的稳定氧化态只有+4和+6价两种，在 价两种， 由于铀的稳定氧化态只有 和 价两种 溶液中，氧化态为 的铀是以简单的 ＋ 的铀是以简单的U 溶液中，氧化态为+4的铀是以简单的 4＋离子 形式存在；而氧化态为 的铀在水溶液中很不 形式存在；而氧化态为+6的铀在水溶液中很不
1、铀的稳定氧化态 、
铀在参与化学反应时， 铀在参与化学反应时， 价电子层失去电子的顺 序是先失去7s亚层电子和 亚层电子而显＋3的氧 亚层电子和6d亚层电子而显 是先失去 亚层电子和 亚层电子而显＋ 的氧 化态，再失去部分或全部 亚层电子而显+4、 化态，再失去部分或全部5f 亚层电子而显 、+5 的氧化态， 的氧化态比较稳定， 、+6的氧化态，其中 和+6的氧化态比较稳定， 的氧化态 其中+4和 的氧化态比较稳定 +3和+5的氧化态不稳定。 和 的氧化态不稳定 的氧化态不稳定。