1789年發(fā)現(xiàn)鈾,直到1939年發(fā)現(xiàn)鈾的裂變之前,鈾的重要性并不突出,當時它的礦石作為鐳的來源和少量用于制造有色玻璃和陶瓷。當鈾作為核燃料后,鈾就成為特別重要的原料。
鈾在自然界主要存在于瀝青鈾礦,其主要成分為U3O8。提煉方法很多而且復雜,但最后步驟通常用萃取法將硝酸鈾酰從水溶液中萃取到有機相,而得到較純的鈾化合物。
金屬鈾的制備方法是將UF4還原:
能發(fā)生裂變的同位素U-235(在天然鈾中只占0.72%)與U-238(99.2%)的分離方法通常用UF6氣體擴散法。U-235作為反應堆的核燃料。
新切開的鈾具有銀白色光澤,是密度最大的金屬之一(19.07g·cm-3)。鈾是一種很活潑的金屬,與很多元素可以直接化合。在空氣中表面很快變黃,接著變成黑色氧化膜,但此膜不能保護金屬。粉末狀鈾在空氣中可以自燃。鈾易溶于鹽酸和硝酸,但在硫酸、磷酸和氫氟酸中溶解較慢。它不與堿作用。
(1)氧化物
主要氧化物有UO2(暗棕色);U3O8(暗綠)和UO3(橙黃色)。
三氧化鈾(UO3),可將硝酸鈾酰(UO2(NO3)2)在600K分解得到UO3:
2UO2(NO3)2=2UO3+4NO2+O2
U3O8和UO2可以根據(jù)以下反應制得:
3UO3=(1000K)U3O8+1/2O2
UO3+CO=(623K)UO2+CO2
UO3具有兩性,溶于酸生成鈾氧基UO22+,溶于堿生成重鈾酸根U2O72-。U3O8不溶于水,但溶于酸生成相應的UO22+的鹽,UO2緩慢溶于鹽酸和硫酸中,生成U(Ⅳ)鹽,但硝酸容易把它氧化成UO2(NO3)2。
(2)硝酸鈾酰(或硝酸鈾氧基)
將鈾的氧化物溶于硝酸,由溶液可析出檸檬黃色的六水合硝酸鈾酰晶體(UO2(NO3)2·6H2O),它帶黃綠色熒光,在潮濕空氣中變潮。易溶于水、醇和醚、UO22+離子在溶液中水解,在298K時其水解產(chǎn)物為UO2OH+、(UO2)2(OH)22+和(UO2)3(OH)5+。UO22+離子的水解介于U3+和U4+之間,其中U4+水解得最歷害,硝酸鈾酰與堿金屬硝酸鹽生成MⅠNO3·UO2(NO3)2復鹽。
(3)鈾酸鹽
在硝酸鈾酰溶液中加堿,即析出黃色的重鈾酸鹽。例如,黃色的重鈾酸鈉(Na2U2O7·6H2O)。將此鹽加熱脫水,得無水鹽,叫“鈾黃”,應用在玻璃及陶瓷釉中作為寶貴的黃顏料。
(4)六氟化鈾
鈾的氟化物很多,有UF3、UF4、UF5、UF6,其中以UF6最重要。UF6可以從低價氟化物氟化而制得。它是無色晶體,熔點337K,在295K時的蒸氣壓為153kPa(115mm),在干燥空氣中穩(wěn)定,但遇水蒸氣即水解:
UF6+2H2O=UO2F2+4HF
六氟化鈾是具有揮發(fā)性的鈾化合物,利用238UF6和235UF6蒸氣擴散速度的差別,使U-235和U-238分離,而得到純U-235核燃料。因此,UF6是最重要的鈾的化合物。