《【铀资源地质学】02铀的基本性质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【铀资源地质学】02铀的基本性质（154页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上节课回顾第一章绪论 1、学科研究对象及与其它学科的关系研究对象分研究对象分7 个方面、综合性学科个方面、综合性学科 2 2、学科发展简史根据几个重大事件划分根据几个重大事件划分 3、铀资源概况资源分布、类型等资源分布、类型等 四、铀矿工业指标概念及主要指标概念及主要指标 第二章 铀元素及铀矿物的基本特征 第一节第一节 铀元素性质及铀的分布铀元素性质及铀的分布 第二节第二节铀矿物的基本特征铀矿物的基本特征 二、铀元素化学性质 一、铀元素物理性质 第一节第一节 铀元素性质及铀的分布铀元素性质及铀的分布 三、铀在地壳中的分布及存在形式 一、铀元素物理性质 U的原子序数是的原子序数是92，原子量是原
2、子量是238，在自然在自然 界中有三种同位素界中有三种同位素，即即U238、U235和和U234，其其 丰度分别为丰度分别为99.2739、0.7205和和0.0056 。铀的三种同位素都有放射性铀的三种同位素都有放射性，能够自发地能够自发地 蜕变成另一种原子核蜕变成另一种原子核，同时放出射线同时放出射线，它们它们 的半衰期分别是的半衰期分别是4.510 9 a、7.310 8 a和和 2.6105a。 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 铀的密度值为铀的密度值为19.05g/cm19.05g/cm3 3。根据此值计算出铀的原。根据此值计算出铀的原 子
3、体积为子体积为12.5cm12.5cm3 3/mol/mol。铀的其他物理性质列入表。铀的其他物理性质列入表1 1 。 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。纯金属铀纯金属铀 外貌象钢，呈银白色，具金属光泽，微带淡蓝色外貌象钢，呈银白色，具金属光泽，微带淡蓝色 色调色调。粉末状金属铀由于受到氧化呈灰黑色。粉末状金属铀由于受到氧化呈灰黑色。熔熔 点是点是14051405。铀的硬度比铜稍低，其。铀的硬度比铜稍低，其布氏硬度为布氏硬度为 240240260kg/mm260kg/mm2 2。硬度随着温度升高而减小，并。硬度随着温度升高而减小，并 且与铀的变体有关。且与铀的变体有关
4、。铀的硬度最小，以至不能铀的硬度最小，以至不能 用布氏硬度测量。用布氏硬度测量。 性质性质单位单位特征值特征值性质性质单位单位特征值特征值 熔点熔点1132.3导热率导热率卡卡/厘米厘米 秒秒 度度0.064 熔 化熔 化 热热 卡卡/摩尔摩尔2700.0磁化率磁化率电磁单位电磁单位/g1.7410 6 升 华升 华 热热 千卡千卡/摩尔摩尔129.0电阻率电阻率微欧姆微欧姆 cm30.0 比热比热千卡千卡/摩尔摩尔0.028电 导电 导 （ 0 20） 微欧微欧 1 0.034 沸点沸点3818气化热气化热千卡千卡/摩尔摩尔110 密度密度g/cm319.05原子体积原子体积cm3/摩尔摩尔
5、12.5 表1金属铀的物理性质（引自王剑锋，1986） 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。在 1.013105Pa条件下，条件下，铀在铀在667.7相变成相变成铀；铀； 当温度升高到当温度升高到774.8时，时，铀又相变成铀又相变成铀。铀。、 、三相铀的平衡点的压力为三相铀的平衡点的压力为29.8108Pa，温度是，温度是 798。当压力超过。当压力超过29.8108Pa时，时，铀直接转变铀直接转变 为为铀。铀。 铀的三种变体的存在条件和特点列入表铀的三种变体的存在条件和特点列入表2 2。 同素异形体同素异形体UUU 存在温度存在温度（）（ 1105Pa
6、） 667.7667.7774.8774.81132.3 晶体结构晶体结构斜方斜方 a=2.854 b=5.869 c=4.955 四方四方 a=b=10.754 c=5.6525 体心立方体心立方 a=3.534 a=b=c 密度密度（g/cm3）19.0518.1317.91 机械性质机械性质延展性延展性脆性脆性塑性塑性 表2铀的三种同素异形体的特性 （引自王剑锋，1986） 二、铀元素化学性质 铀位于铀位于周期表第三族周期表第三族，属属锕系元素锕系元素（锕系元锕系元 素为素为89Ac103Lr），作为锕系元素作为锕系元素，其电子层结其电子层结 构有一明显的特点构有一明显的特点，即即具有三
7、个不饱和的电子具有三个不饱和的电子 层层最外层最外层（Q）、次外层次外层（P）和外数第三层和外数第三层 （O）；并且最外层电子相等；并且最外层电子相等，只有两个电子只有两个电子 （7S电子电子），次外层中除钍次外层中除钍（Th）有两个有两个6d电电 子外子外，其它元素只有一个其它元素只有一个d电子或没有电子或没有d亚层亚层。 外数第三层外数第三层（5f亚层亚层）从镤从镤（91号号）到铹到铹（103 号号）逐渐被填满逐渐被填满。 锕系元素包括如下：锕系元素包括如下： 89Ac90Th91Pa92U93Np94Pu95Am96Cm97Bk 锕锕钍钍镤镤铀铀镎镎钚钚镅镅锔锔铻铻 98Cf99Es10
8、0Fm101Md102No103Lr 锎锎锿锿镄镄钔钔锘锘铹铹 价电子层结构为价电子层结构为5f36d17s2，成键的价电子为最外，成键的价电子为最外 层的层的2个个s电子，次外层的电子，次外层的1个个d 电子和外数第三层电子和外数第三层 的的3个个f电子。根据电子的丢失程度不同，可呈现不电子。根据电子的丢失程度不同，可呈现不 同的价态。如同的价态。如+3、+4、+5、+6几种价态，所以几种价态，所以铀铀 具有变价的特性具有变价的特性。 铀是铀是92号元素，它的电子结构为：号元素，它的电子结构为： 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p
9、67s 25f36d1 1、铀的稳定氧化态、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价电子层失去电子的顺 序序是先失去是先失去7s亚层电子和亚层电子和6d亚层电子而显亚层电子而显3的氧的氧 化态，再失去部分或全部化态，再失去部分或全部5f 亚层电子而显亚层电子而显+4、+5 、+6的氧化态，其中的氧化态，其中+4和和+6的氧化态比较稳定，的氧化态比较稳定， +3和和+5的氧化态不稳定。的氧化态不稳定。 UO22+ 0.052V UO2 0.612V U4 0.607 U3 1.796 U +0.334V(在在HCl溶液中溶液中) 铀的标准电极电位： 在在2
10、5，pH=1的强酸性介质中：的强酸性介质中： 图中最右端为还原物质图中最右端为还原物质，左端为氧化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 ，反应可自发进行反应可自发进行，关系式成立关系式成立。 在碱性溶液中的电极电位均小于零，说明碱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。即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。 UO2(OH)2 0.49V U(OH)4 2.14V U(OH)3 2.17V U 在在25，pH=14的强碱性介质中：的强碱
11、性介质中： U33e=UE=-1.796V（酸性条件） E=- 2.17V（碱性条件） U4e=U3E=-0.607V（酸性条件） E=- 2.17V（碱性条件） U、U3在酸碱性溶液中都是强还原剂，在 没有其它氧化剂的条件下，两者都可以把水中 的H还原成H2，而其本身则被氧化成U4离 子，说明U、U3在水溶液中不能稳定存在。 U、U3的还原性 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， 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。歧 化反应的发生与物质的稳定性有一定的联 系。 UO2 的歧化反应 的歧化反应 UO2 与 与UO22 和
12、 和U4 之间的电位图： 之间的电位图： 此反应能否自发进行，可根据ZnF反 应式来判断，该式中Z为反应自由能（千卡） ，n为得失电子数，F为法拉第常数23.06千卡 /伏，为电池电动势（伏）。 UO22 0.025V UO2 0.612V U4 总反应式可写为：总反应式可写为： 2UO2 =UO22+U4 (1) UO22 +e=UO2 EUO2 /UO22=-E UO2 /UO22=-0.025V UO2 +e=U4 EUO2/U4 =+0.612V 铀的稳定氧化态只在自然界只有+4和+6价两 种，并且+4价在还原条件下稳定，+6价在氧化 条件下稳定。 现在只要（1）式中的E大于零，反应即
13、能自 发进行。 总=EUO2/UO2+EUO2/U4= -0.052+0.612=+0.56V 计算得出总大于零，说明UO2的歧化反应在 酸性溶液中以能自发进行，因此+5价的氧化态 不稳定，它要同时被氧化和还原成+6价和+4价 。 2、铀和铀酰的性质、铀和铀酰的性质 由于铀的稳定氧化态只有由于铀的稳定氧化态只有+4和和+6价两种，在价两种，在 溶液中，氧化态为溶液中，氧化态为+4的铀是以简单的的铀是以简单的U4 离子 离子 形式存在；而氧化态为形式存在；而氧化态为+6的铀在水溶液中很不的铀在水溶液中很不 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 ）或重 铀酸根离
14、子形式（铀酸根离子形式（U2O72-）存在。）存在。 （I）U4 (0.971.01) Th4 (1.021.06 ) TR3 (0.861.18 ) 其中其中Y族稀土族稀土（0.860.98 ），铈族稀土铈族稀土（ 1.001.18 ），由于由于TR3 和 和 U4 有相似的离子 有相似的离子 半径和性质半径和性质，故相互之间极易发生置换反应故相互之间极易发生置换反应， 因此因此，在一条件下在一条件下，四价铀矿物含有四价铀矿物含有TR和和Th等等 类质同象混入物类质同象混入物。另外另外，在与稀土元素之间的在与稀土元素之间的 置换上置换上，由于半径由于半径（离子离子）的相近性的相近性，决定了决
15、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，而钍倾向于置换而钍倾向于置换 铈族稀土元素铈族稀土元素。 离子的半径离子的半径(=10-10m) （II） UO22 （铀酰）呈哑铃型 （铀酰）呈哑铃型（见附图），其（见附图），其 长轴长约长轴长约6.046.84 ，离子半径很大，（最大，离子半径很大，（最大 的金属阳离子的金属阳离子Cs 的离子半径是 的离子半径是1.60 ），因此没），因此没 有其它任何阳离子可与它呈类质同象，一般有其它任何阳离子可与它呈类质同象，一般 Th4+与与 UO22 不 不 共生，但共生，但 在复盐中在复盐中 可作为一可作为一 种组分出种组分出 现。现。 U
16、4 呈绿色 呈绿色，UO22 呈黄色 呈黄色。离子的这种颜色离子的这种颜色 性质决定了四价铀矿物与六价铀矿物的基本色性质决定了四价铀矿物与六价铀矿物的基本色 调调。 离子的颜色离子的颜色 （I）U4 呈弱碱性 呈弱碱性，当当pH=2时时，U4 发生水解 发生水解，水水 解结果具酸性反应解结果具酸性反应，并最后生成并最后生成U（OH）4沉淀沉淀。 U4 +H2O=U(OH)3+H U4 +4H2O=U(OH)4 + 4H 离子的酸碱性离子的酸碱性 （II）U6+显两性显两性，但酸性较强但酸性较强，碱性较弱碱性较弱，在酸性在酸性 溶液中呈溶液中呈UO22 ， ，在碱性溶液中呈在碱性溶液中呈U2O72-。 酸性溶液酸性溶液UO3+2H =UO22+H2O 碱性溶液碱性溶液2UO3+2OH-=U2O72-+H2O
