鈾

　　一種天然放射性元素，化學符號U，原子序數92，原子量238.0289，屬錒系元素，為銀白色金屬。它是最重要的核燃料。因紀念1781年發現的新行星Uranus（天王星）而命名。

　　發現　鈾是1789年德意志化學傢M.H.克拉普羅特從瀝青鈾礦中發現的。克拉普羅特用硝酸處理瀝青鈾礦，得到黃色溶液，在加入碳酸鉀中和時，析出黃色沉澱。他認為該沉澱是一種新元素的氧化物，並將此氧化物和碳在高溫下下加熱，得到瞭一種表觀象金屬的物質。克拉普羅特認為這就是金屬鈾，實際上是鈾的一種氧化物。1841年法國化學傢 E.-M.佩利若用鉀還原四氯化鈾而制得金屬鈾。

　　存在　已發現質量數在226和242之間的16個鈾同位素，其中隻有鈾238、鈾235、鈾234是天然放射性同位素，其同位素的相對豐度(原子百分數)分別為99.275、0.720和0.005。鈾在自然界分佈很廣，在地殼中鈾的平均含量為(3～4)×10^-4％，比汞、銀、金、鉍和鎘的含量都高。在海水中鈾的含量約為3.34微克／升；大部分的溫泉、某些湖水、河水也含少量鈾。自然界中重要的鈾礦物和含鈾礦物有瀝青鈾礦、釩鉀鈾礦、鈣鈾雲母、晶質鈾礦和鈾石等。鈾233是由釷232和中子進行反應後經β^-衰變所得，是一種人工合成的核燃料。

　　性質　核性質　以鈾238和鈾235為始祖核素分別組成兩個天然放射性衰變系。鈾238即鈾Ⅰ(UⅠ)，是鈾鐳系的始祖核素。鈾235即錒鈾(AcU)，是錒鈾系的始祖核素。

　　鈾235是重要的天然鈾同位素，是原始核燃料。它受到慢中子轟擊發生裂變（裂變截面為583.54靶恩），並放出大量的能量。1 千克鈾235完全裂變的熱量大約為2.2022×10⁷千瓦·時。在放出能量的同時，還產生裂變產物（包括36種元素的300多種核素）。每個發生裂變的鈾核平均放出約2.5個中子(n)，其過程為：

²³⁵U+n→FP+2.5n+E

式中FP表示裂變產物， E為裂變釋放的能量。鈾235也能因快中子轟擊而裂變，但裂變截面遠小於慢中子的裂變截面。鈾235還能自發裂變，其自發裂變半衰期為1.8× 10 ¹⁷年。

　　鈾238在慢中子作用下不裂變，但發生如下核反應：

²³⁸U+n→²³⁹U

所產生的鈾239半衰期為23.5分，經兩次β ^-衰變而生成钚239：

钚239易為慢中子所裂變，因此也是一種重要核燃料。鈾238能自發裂變，其自發裂變半衰期為9.86×10¹⁵年。

　　鈾234是鈾238(鈾Ⅰ)的衰變子體，故又稱鈾Ⅱ(UⅡ)，它的核性質並無實際意義。鈾同位素的主要核性質見表。

鈾同位素的核性質

　　物理和化學性質　金屬鈾的熔點為1132°C，沸點為3818°C，密度約19.05克／厘米³。金屬鈾有三種結晶變體，常溫為α型，復雜立方晶格；667.7°C轉變為β型，四方晶格；774.8°C轉變為γ型，體心立方晶格。在溫度低於0.68K時鈾具有超導性。鈾的熱導率隨溫度升高而逐漸增加。金屬鈾具有延展性，但加工時又有硬化傾向，在α鈾的溫度范圍內進行熱處理，可消除硬化現象。其機械性能與純度有關，如金屬鈾中含氫0.3～5ppm時就變脆。

　　鈾原子的電子構型為(Rn)5f³6d¹7s²，有＋3、+4、+5、+6四種氧化態，以＋6氧化態最穩定。鈾的化學性質活潑，能形成多種鈾化合物。金屬鈾暴露在空氣中，表面失去銀白色光澤而生成致密的氧化膜，此氧化膜可防止金屬進一步氧化。鈾極易自燃，在空氣或水中即自燃。鈾能與銅、鋅、汞、鋁、鈦、鎢、鉬、錳、鐵、鋯、鈮等形成合金。鈾也易與大多數非金屬反應，在不同溫度下，與氫、氟、氮反應，分別生成UH₃、UF₆和氮化物的混合物。鈾與水蒸氣反應生成氫化鈾，部分氫化鈾又進一步被水氧化生成UO₂。鈾與碳在800～1000°C生成UC或UC₂。

　　在水溶液中，四價和六價是鈾常見的化合價。在酸性溶液中，六價鈾以UO₂²⁺形式存在。不同價態的鈾，在水溶液中，都具有特征的顏色：U³⁺溶液呈玫瑰紅色，U⁴⁺呈綠色，UO₂²⁺呈黃綠色；五價鈾在水溶液中很不穩定，其顏色不易確定。這幾種離子的溶液各有特征吸收光譜，據此可以鑒定溶液中的鈾的價態。鈾鹽在水溶液中易發生水解反應，產生氫離子。水溶液中各種鈾離子的水解容易程度按下列順序：

U⁴⁺離子最易水解，與同一配位體生成絡合物的能力也比UO₂²⁺離子強得多；U³⁺和UO₂⁺不穩定，UO₂⁺在酸性溶液中能發生歧化反應，即一部分UO₂⁺被氧化成UO₂²⁺，一部分被還原成U⁴⁺。

　　制取　常用金屬鎂或鈣熱還原四氟化鈾，以制備金屬鈾（見鈾的提取和純化）。

　　應用　鈾自1789年發現後，在很長一段時間裡，主要用於玻璃著色或作陶瓷的釉料，用量和經濟價值都很小；自德國化學有O.哈恩等在1938年發現鈾核裂變後，鈾才成為引人註目的元素。

　　鈾作為核燃料，在核反應堆中可釋放巨大的能量，如在輕水反應堆中，1噸天然鈾相當於15～17千噸煤，可發電45～50兆度；而在快中子增殖堆中，1噸天然鈾約等於100萬噸煤，可發電30億度。核燃料還廣泛用於交通運輸工具的推進動力方面。核動力堆可裝於潛艇、遠洋貨輪，其燃料負荷量和續航能力，都是一般燃料無法比擬的。鈾作為核炸藥，能用作核武器的裝料。鈾核裂變時產生300多種核素，這些核素及其射線在各方面的應用，為核能的和平利用開辟瞭另一個廣闊的領域。

　　毒性　鈾屬高毒性元素，鈾(Ⅵ)主要蓄積在腎臟、骨骼中，鈾(Ⅳ)主要蓄積在肝臟中。鈾急性中毒會引起腎臟病變、中毒性肝炎和神經系統病變等；慢性中毒主要表現為腎臟病變。天然鈾在放射性工作場所空氣中的最大容許濃度為2×10^-8克／升，在露天水源中的限制濃度為5×10^-5克／升。

　　

參考書目

　E.H.P.科德芬克著，《核原料》編輯部《鈾化學》翻譯組譯：《鈾化學》，原子能出版社，北京，1977。(E.H.P.Cordfunke，The Chemistry of Uranium，Elsevier，Amsterdam，1969.)