铀的基本性质PPT课件.ppt

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1、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、铀元素化学性质二、铀元素化学性质 一、铀元素物理性质一、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三、铀在地壳中的分布及存在形式一、铀元素物理性质一、铀元素物理性质 U的的原原子子序序数数是是92，原原子子量量是是238，在在自自然然界界中中有有三三种种同同位位素素，即即U238、U235和和U234，其其丰丰度度分分别别为为99.2739、0.7205和和0.0056。铀铀的的三三种种同同位位素素都都

2、有有放放射射性性，能能够够自自发发地地蜕蜕变变成成另另一一种种原原子子核核，同同时时放放出出射射线线，它它们们的的半半衰衰期期分分别别是是4.5109a、7.3108a和和2.6105a。铀铀测测年年法法图图解解 铀的密度很大，也与其的密度很大，也与其变体有关，在常温下体有关，在常温下铀的密度的密度值为19.05g/cm3。根据此根据此值计算出算出铀的的原子体原子体积为12.5cm3/mol。铀的其他物理性的其他物理性质列入列入表表1。金属金属铀可用可用还原法或原法或电解法制取。解法制取。纯金属金属铀外貌象外貌象钢，呈，呈银白色，具金属光白色，具金属光泽，微，微带淡淡蓝色色色色调。粉末状金属。

3、粉末状金属铀由于受到氧化呈灰黑色。由于受到氧化呈灰黑色。熔熔点是点是1405。铀的硬度比的硬度比铜稍低，其稍低，其布氏硬度布氏硬度为240260kg/mm2。硬度随着温度升高而减小，并硬度随着温度升高而减小，并且与且与铀的的变体有关。体有关。铀的硬度最小，以至不能用的硬度最小，以至不能用布氏硬度布氏硬度测量。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/厘厘米米秒秒度度0.064熔熔 化化热热卡卡/摩尔摩尔2700.0磁化率磁化率电磁单位电磁单位/g1.74106升升 华华热热千卡千卡/摩尔摩尔129.0电阻率电阻率微欧姆微欧姆cm30.0比

4、热比热千卡千卡/摩尔摩尔0.028电电 导导（020）微欧微欧10.034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12.5表表1 1金属铀的物理性质（引自王剑锋，金属铀的物理性质（引自王剑锋，19861986）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，温温度是度是798。当压力超过。

5、当压力超过29.8108Pa时，时，铀直铀直接转变为接转变为铀。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存存在在温温度度（）（）（1105Pa）667.7667.7774.8774.81132.3晶体结构晶体结构斜方斜方a=2.854b=5.869c=4.955四方四方a=b=10.754c=5.6525体心立方体心立方a=3.534a=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表2 2铀的三种同素异形体的特性铀的三种同素异形体的特性 （引自王剑锋，（引自王剑锋，1

6、9861986）二、铀元素化学性质二、铀元素化学性质 铀铀位位于于周周期期表表第第三三族族，属属锕锕系系元元素素（锕锕系系元元素素为为89Ac103Lr），作作为为锕锕系系元元素素，其其电电子子层层结结构构有有一一明明显显的的特特点点，即即具具有有三三个个不不饱饱和和的的电电子子层层最最外外层层（Q）、次次外外层层（P）和和外外数数第第三三层层（O）；并并且且最最外外层层电电子子相相等等，只只有有两两个个电电子子（7S电电子子），次次外外层层中中除除钍钍（Th）有有两两个个6d电电子子外外，其其它它元元素素只只有有一一个个d电电子子或或没没有有d亚亚层层。外外数数第第三三层层（5f亚亚层层）从

7、从镤镤（91号号）到到铹铹（103号）逐渐被填满。号）逐渐被填满。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 锕锕 钍钍 镤镤 铀铀 镎钚镅锔铻镎钚镅锔铻98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr锎锎 锿锿 镄钔镄钔 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。

8、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：1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f36d11、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+

9、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溶溶液液中中)铀的标准电极电位：铀的标准电极电位：在在25，pH=1的强酸性介质中：的强酸性介质中：图图中中最最右右端端为为还还原原物物质质，左左端端为为氧氧化化物物质质。电电极极电电位位大大于于零零：说说明明化化学学反反应应自自由由能能小小于于零零，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，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

10、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：的强碱性介质中：U33e=U E=-1.796V（酸酸性性条条件件）E=-2.17V（碱性条件碱性条件）U4e=U3 E=-0.607V（酸酸性性条条件件）E=-2.17V（碱性条件碱性条件）U、U3在在酸酸碱碱性性溶溶液液中中都都是是强强还还原原剂剂，在在没没有有其其它它氧氧化化剂剂的的条条件件下下，两两者者都都可可以以把把水水中中的的H还还原原成成H2，而而其其本

11、本身身则则被被氧氧化化成成U4离离子，说明子，说明U、U3在水溶液中不能稳定存在。在水溶液中不能稳定存在。U、U3的还原性的还原性 在同一种元素中，同时进行着两种相在同一种元素中，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，这种反应称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化反应的发生与物质的稳定性有一定的联系。系。UO2的歧化反应的歧化反应UO2与与UO22和和U4之间的电位图：之间的电位图：此此反反应应能能否否自自

12、发发进进行行，可可根根据据ZZnFnF反反应应式式来来判判断断，该该式式中中ZZ为为反反应应自自由由能能（千千卡卡），n n为为得得失失电电子子数数，F F为为法法拉拉第第常常数数23.0623.06千千卡卡/伏伏，为电池电动势（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=-EUO2/UO22=-0.025VUO2+e=U4 EUO2/U4=+0.612V 铀的稳定氧化态只在自然界只有铀的稳定氧化态只在自然界只有+4+4和和+6+6价两价两种，并且种，并且+

13、4+4价在还原条件下稳定，价在还原条件下稳定，+6+6价在氧化价在氧化条件下稳定条件下稳定。现在只要（现在只要（1）式中的）式中的E大于零，反应即能自大于零，反应即能自发进行。发进行。总总=EUO2/UO2+EUO2/U4=-0.052+0.612=+0.56V 计算得出计算得出总总大于零，说明大于零，说明UO2的歧化反应的歧化反应在酸性溶液中以能自发进行，因此在酸性溶液中以能自发进行，因此+5价的氧化价的氧化态不稳定，它要同时被氧化和还原成态不稳定，它要同时被氧化和还原成+6价和价和+4价。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

14、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)其其中中Y族族稀稀土土（0.860.98），铈铈族族稀稀土土（1.001.18），由由于于TR3和和 U4有有相相似似的的离离子子半半径径和和性性质质，故故相相互互之之间间极极易易发发生生置置换换反反应应，因因此此，

15、在在一一条条件件下下，四四价价铀铀矿矿物物含含有有TR和和Th等等类类质质同同象象混混入入物物。另另外外，在在与与稀稀土土元元素素之之间间的的置置换换上上，由由于于半半径径（离离子子）的的相相近近性性，决决定定了了铀铀倾倾向向于于置置换换钇钇族族稀稀土土元元素素，而而钍钍倾倾向向于于置置换换铈族稀土元素。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（见附图），），其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），），因此因此没有其它任何阳离子

16、可与它呈类质同象，一般没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。U4呈呈绿绿色色，UO22呈呈黄黄色色。离离子子的的这这种种颜颜色色性性质质决决定定了了四四价价铀铀矿矿物物与与六六价价铀铀矿矿物物的的基基本本色色调。调。离子的颜色离子的颜色（I）U4呈呈弱弱碱碱性性，当当pH=2时时，U4发发生生水水解解，水水解结果具酸性反应，并最后生成解结果具酸性反应，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+显显两两性

17、性，但但酸酸性性较较强强，碱碱性性较较弱弱，在在酸酸性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-+H2OUO22显显碱碱性性，存存在在于于pH3的的介介质质环环境境中中，当当pH3时时，UO22发发生生水水解解，当当pH4时时，形形成成氢氢氧氧化化铀铀酰沉淀，反应式如下：酰沉淀，反应式如下：pH3时时：UO22+H2O=UO2OH+H pH4时时：UO2OH+H2O=UO2(OH)2 +H当当溶溶液液碱碱性性较较强强时时，在在溶溶液液中中存存在在着着UO22和和U2O72

18、相互转化的平衡关系。相互转化的平衡关系。2UO22+6OH-=U2O72-+3H2OU4在在还还原原条条件件下下稳稳定定，UO22在在氧氧化化条条件件下下稳定，两者可以相互转化。稳定，两者可以相互转化。UO22+2e=U4这这种种性性质质对对铀铀矿矿物物的的形形成成和和变变化化起起着着重重要要的的作作用，如在氧化带用，如在氧化带U4矿物转变为矿物转变为U6矿物，如：矿物，如：2UO2+O2+3H2O=2UO2(OH)2H2O 沥青铀矿柱铀矿沥青铀矿柱铀矿离子的稳定条件离子的稳定条件在胶结带：在胶结带：UO22+Fe2+2H2S=UO2+FeS2+4H1铀在地壳中的分布铀在地壳中的分布主主要要介

19、介绍绍铀铀在在地地壳壳中中各各类类岩岩石石中中的的分分布布情情况况（即即在三大岩类中的分布情况）。在三大岩类中的分布情况）。铀在岩浆岩中的分布铀在岩浆岩中的分布铀铀在在岩岩浆浆岩岩中中含含量量变变化化幅幅度度很很宽宽，由由超超基基性性岩岩到到酸酸性性岩岩含含量量逐逐渐渐增增高高，一一般般变变化化是是自自超超基基性性岩岩中中的的0.00nppm到到酸酸性性岩岩中中的的n个个ppm(10-6)，如如橄橄榄榄岩岩类类为为0.0030.006ppm，花花岗岗岩岩、流流纹纹岩岩为为3.54.8ppm。三、铀在地壳中的分布及存在形式三、铀在地壳中的分布及存在形式 岩浆岩中铀分布在造岩矿物和副矿物中，岩浆岩

20、中铀分布在造岩矿物和副矿物中，在酸性岩中，浅色矿物的铀含量通常低于全岩在酸性岩中，浅色矿物的铀含量通常低于全岩的平均铀含量，在深色矿物中，铀含量较高，的平均铀含量，在深色矿物中，铀含量较高，是浅色矿物的是浅色矿物的35倍。倍。岩浆岩中含量变化的特点与铀的成矿作用岩浆岩中含量变化的特点与铀的成矿作用相一致，在岩浆岩中产出的铀矿床基本上产于相一致，在岩浆岩中产出的铀矿床基本上产于酸性岩或含铀较高的碱性岩中，而在超基性岩酸性岩或含铀较高的碱性岩中，而在超基性岩和基性岩中，到今还未找到铀矿床的产出。和基性岩中，到今还未找到铀矿床的产出。铀在大陆地壳中的相对丰度（据铀在大陆地壳中的相对丰度（据Rober

21、ton等，等，1978）沉沉积积岩岩占占地地壳壳体体积积的的5%，地地壳壳大大陆陆面面积积的的3/4，有有许多的铀矿床的成因与沉积岩的含铀性相关。许多的铀矿床的成因与沉积岩的含铀性相关。根根据据统统计计资资料料表表明明，沉沉积积岩岩中中铀铀含含量量的的变变化化幅幅度度很很大大，从从0.nppm到到n10ppm，一一般般随随沉沉积积物物粒粒度度变变细细铀铀含含量量升升高高，通通常常与与沉沉积积物物中中的的P、H2S和和有有机机质质含含量量密密切相关，且呈正消长关系。切相关，且呈正消长关系。不不同同种种类类沉沉积积岩岩中中的的铀铀含含量量：砂砂岩岩一一般般为为0.454.0ppm；粘粘土土岩岩含含

22、铀铀一一般般为为24.5ppm；碳碳酸酸盐盐岩岩的的含含铀量比较稳定，为铀量比较稳定，为2ppm左右。左右。铀在沉积岩中的分布铀在沉积岩中的分布 含铀较高的沉积岩有海相成因的磷块岩，含含铀较高的沉积岩有海相成因的磷块岩，含铀量可达铀量可达50300ppm,它是一种重要的潜在铀它是一种重要的潜在铀资源；海相黑色页岩，含铀亦较高，据对法国资源；海相黑色页岩，含铀亦较高，据对法国石炭系圣希不莱特页岩的含铀量测定，高达石炭系圣希不莱特页岩的含铀量测定，高达1244ppm。铀含量在富含有机质和粘土质岩石铀含量在富含有机质和粘土质岩石中偏高的原因有两个方面：中偏高的原因有两个方面：I粘土质和有机质对铀的吸

23、附作用；粘土质和有机质对铀的吸附作用；II有机质分解造成的还原环境有利于海水有机质分解造成的还原环境有利于海水中的铀不断转入沉积物中，各种沉积成岩成因中的铀不断转入沉积物中，各种沉积成岩成因及后生淋积成因的铀矿床均与上述富铀沉积岩及后生淋积成因的铀矿床均与上述富铀沉积岩密切相关。密切相关。铀铀矿矿床床在在变变质质岩岩中中的的产产出出通通常常是是产产在在中中低低级级变变质质程程度度的的，在在高高级级变变质质相相的的岩岩石石中中则则很很少少见，它与铀在变质岩中的分布规律相关。见，它与铀在变质岩中的分布规律相关。铀铀在在变变质质岩岩中中的的分分布布也也非非常常复复杂杂，但但一一般般来来说说，不不同同

24、的的变变质质岩岩类类有有不不同同的的铀铀含含量量。长长英英质质岩岩类类要要比比铁铁镁镁质质岩岩类类和和碳碳酸酸盐盐岩岩类类要要高高；同同一一岩岩类类中中，不不同同变变质质岩岩石石的的含含铀铀性性也也有有差差异异。如如：长长英英质质类类的的岩岩石石：片片麻麻岩岩U：0.44.6ppm，结结 晶晶 片片 岩岩 U：1.3 4.9ppm；石石 英英 岩岩 U：1.0ppm；铁镁石英岩铁镁石英岩U：0.2ppm。铀在变质岩中的分布：铀在变质岩中的分布：实际上上述实际上上述差别的存在是由变质原岩的的化差别的存在是由变质原岩的的化学成分及含铀性决定的，同时变质程度的高低学成分及含铀性决定的，同时变质程度的

25、高低也决定着变质岩的铀含量也决定着变质岩的铀含量，通常是：含铀较高，通常是：含铀较高的长英质类原岩，变质后岩石中的铀含量也相的长英质类原岩，变质后岩石中的铀含量也相对较高，并随变质程度的加深铀含量逐渐降低。对较高，并随变质程度的加深铀含量逐渐降低。即在变质岩中铀含量由高而低的变化是：即在变质岩中铀含量由高而低的变化是：绿片岩相绿帘角闪岩相低级麻粒岩相绿片岩相绿帘角闪岩相低级麻粒岩相高级麻粒岩相超变质作用的榴辉岩相高级麻粒岩相超变质作用的榴辉岩相。铀铀矿矿物物形形式式：这这是是一一种种重重要要的的存存在在形形式式，目目前前已已经经发发现现的的有有200余余种种铀铀矿矿物物，但但比比较较常常见见的

26、的铀铀矿矿物物只只有有四四十十余余种种，分分内内生生成成因因和和外外生生成成因因（表表生生）两两大大类类。内内生生成成因因的的铀铀矿矿物物如如：晶晶质质铀铀矿矿及及变变种种沥沥青青铀铀矿矿，钛钛铀铀矿矿，斜斜方方钛钛铀铀矿矿，铀铀石石，铀铀钍钍矿矿等等；表表生生成成因因的的铀铀矿矿物物如如硅硅钙钙铀铀矿矿，钙钙铀铀云云母母，铜铜铀铀云云母母，芙芙蓉蓉铀铀矿矿，板板菱菱铀铀矿矿等等等等。外外生生（表表生生）成成因因铀铀矿矿物物以以其其颜颜色色鲜鲜艳艳为为特特征征，并并与与内内生生成成因因铀铀矿矿物物（颜颜色色较较深深、暗）相区别。暗）相区别。2在地壳中的存在形式：在地壳中的存在形式：类类质质同同

27、象象置置换换系系指指地地球球化化学学性性质质相相近近的的元元素素以可变的数量在矿物晶格中相互转换。以可变的数量在矿物晶格中相互转换。铀铀的的类类质质同同象象置置换换能能力力较较强强，它它即即可可以以进进行行等等价价的的类类质质同同象象置置换换，如如U4与与Th4+之之间间，又又可可以以进进行行异异价价的的类类质质同同象象置置换换，如如U4与与TR3之之间。间。由于铀与其它元素之间的类质同象置换，形由于铀与其它元素之间的类质同象置换，形成了一系列的含铀矿物，如铀钍矿、方钍矿、独成了一系列的含铀矿物，如铀钍矿、方钍矿、独居石、褐帘石、锆石、磷灰石、黑稀金矿复稀居石、褐帘石、锆石、磷灰石、黑稀金矿复

28、稀金矿等，上述矿物是砂矿床的重要组成部分。金矿等，上述矿物是砂矿床的重要组成部分。类质同象置换形式：类质同象置换形式：以以分分散散吸吸附附状状态态存存在在的的铀铀是是一一种种非非常常普普遍遍的的存存在在形形式，它主要赋存在岩石中的以下部位。式，它主要赋存在岩石中的以下部位。a、吸附在矿物晶体表面，解理面与晶纹裂缝面上；吸附在矿物晶体表面，解理面与晶纹裂缝面上；b、被被岩岩石石中中的的有有机机质质（包包括括炭炭质质、沥沥青青质质）所所吸吸附；附；c、溶溶解解在在矿矿物物的的结结晶晶水水，液液态态包包裹裹体体和和粒粒间间溶溶液液中。中。铀铀的的吸吸附附剂剂有有层层状状硅硅酸酸盐盐、磷磷块块岩岩、铝

29、铝土土矿矿、水水云云母母、钛钛和和铁铁的的氢氢氧氧化化物物以以及及蛋蛋白白石石等等。吸吸附附作作用用可可使使岩石、矿物中的铀含量升高。岩石、矿物中的铀含量升高。分散吸附状态形式：分散吸附状态形式：在地壳的三大岩类中，由于成岩地质条件的在地壳的三大岩类中，由于成岩地质条件的不同，铀的存在形式也明显不同。不同，铀的存在形式也明显不同。在岩浆岩中，在岩浆岩中，铀的存在形式分两种情况：即铀的存在形式分两种情况：即侵入岩中铀可以三种形式存在；但在喷出岩中，侵入岩中铀可以三种形式存在；但在喷出岩中，由于岩浆冷却迅速，其中所含的大部分铀都以由于岩浆冷却迅速，其中所含的大部分铀都以分散的方式集中在玻璃质或显微

30、结构的基质中。分散的方式集中在玻璃质或显微结构的基质中。在变质岩中，在变质岩中，由于变质作用时的温度由于变质作用时的温度和压力的影响，原岩中存在的各种形式的和压力的影响，原岩中存在的各种形式的铀，部分或大部分都发生活化转移，或以铀，部分或大部分都发生活化转移，或以分散吸附形式沿岩石，矿物中的裂隙分布，分散吸附形式沿岩石，矿物中的裂隙分布，或在新的条件下以类质同象形式固定于某或在新的条件下以类质同象形式固定于某些副矿物中，或随变质溶液从岩石中迁移些副矿物中，或随变质溶液从岩石中迁移出去。出去。在沉积岩中在沉积岩中，除极少数来自母岩的副矿物，除极少数来自母岩的副矿物中所含的铀是以类质同象形式存在以

31、外，大部中所含的铀是以类质同象形式存在以外，大部分都有呈分散吸附状态。在富铀的沉积岩中，分都有呈分散吸附状态。在富铀的沉积岩中，则有可能见到沥青铀矿、铀石等铀矿物。则有可能见到沥青铀矿、铀石等铀矿物。第二节第二节 铀矿物的基本特征铀矿物的基本特征一、铀矿物的化学组成一、铀矿物的化学组成二铀矿物的晶体化学特点二铀矿物的晶体化学特点三、铀矿物的物理性质三、铀矿物的物理性质四铀矿物的成因类型四铀矿物的成因类型 一、铀矿物的化学组成一、铀矿物的化学组成 铀铀矿矿物物的的组组成成元元素素包包括括铀铀离离子子，其其它它阳阳离离子子和和各各种种阴阴离离子子，它它们们之之间间的的相相互互化化合合或或络络合合形

32、形成铀矿物。成铀矿物。一般来说，组成元素可分为如下几大类：一般来说，组成元素可分为如下几大类：1铀矿物组成元素铀矿物组成元素阴离子组成阴离子组成阳离子组成阳离子组成其它阳离子或络阳离子：其它阳离子或络阳离子：H+、H3O+、NH+4阳离子组成：阳离子组成：以亲石元素为主，其次有亲铁、亲硫元素，具体分为：以亲石元素为主，其次有亲铁、亲硫元素，具体分为：碱金属元素碱金属元素：K、Na、Cs碱土金属元素碱土金属元素：Ca、Ba、Mg重金属元素重金属元素：Cu、Pb、Zn、Bi、Fe、Mn、Co、Ni其它金属元素其它金属元素：Al、Th、Tl、Nb、Ta、Mo、Tr、Zr 阴离子组成：阴离子组成：有有

33、O2-、OH-、F-、SiO4-、PO43-、AsO43-、V2O86-、CO32-、SO42-、MoO42-、SeO32-、TeO32-等。等。其中与铀结合的阴离子主要是其中与铀结合的阴离子主要是O2-，而，而OH-只见极少数铀矿物中，只见极少数铀矿物中，F-只见于个别铀矿物中，只见于个别铀矿物中，其它酸根离子与铀络合成铀的络合物。其它酸根离子与铀络合成铀的络合物。在在自自然然界界中中纯纯四四价价铀铀的的矿矿物物很很少少，它它往往往往含含有有U6+成成分分，U6+的的产产生生与与U4+的的自自氧氧化化的的形形成成及及形形成成后后的的环环境境变变化化（氧氧化化作作用用）有有关关，四四价价铀铀矿

34、矿物物的的成成分分复复杂杂，矿矿物物中中各各组组分分之之间间的的比比例例不固定，不固定，类质同象相当普遍类质同象相当普遍；2铀矿物类型铀矿物类型 六价铀矿物绝大多数是含水矿物，六价铀矿物绝大多数是含水矿物，化学成分化学成分比较稳定，每种矿物的金属阳离子，比较稳定，每种矿物的金属阳离子，UO22+和络和络阴离子含量之间都有固定的比值，阴离子含量之间都有固定的比值，类质同象不类质同象不发育发育。铀矿物可分为铀矿物可分为四价铀矿物四价铀矿物和和六价铀矿物六价铀矿物。铀是一个放射性元素，组成铀矿物的化学成铀是一个放射性元素，组成铀矿物的化学成分总是在变化。分总是在变化。铀衰变的最终产物铀衰变的最终产物

35、206Pb越积越积越多。越多。形成时代较早的铀矿物形成时代较早的铀矿物，放射性衰变成放射性衰变成因的铅积累多因的铅积累多，据统计，晶质铀矿中，据统计，晶质铀矿中PbO含量含量最高可达最高可达20.45%，铅的含量与铀矿物形成的年铅的含量与铀矿物形成的年龄成正比龄成正比，UPb法法可作为可作为测定地质年龄测定地质年龄的方法的方法。在中、新生代形成的沥青铀矿中含铅较低，。在中、新生代形成的沥青铀矿中含铅较低，这是由于铀衰变时间较短的缘故。这是由于铀衰变时间较短的缘故。四价铀矿物的晶体结构类型。四价铀矿物的晶体结构类型。四四价价铀铀在在矿矿物物中中的的离离子子形形式式存存在在，形形成成离离子子键键化

36、化合合物物，多多数数属属离离子子晶晶格格，在在晶晶体体结结构构中中铀铀具具有有较较高高的的配配位位数数，为为8和和6（它它主主要要是是由由于于U4+离离子半径较大的缘故）子半径较大的缘故）。晶体结构类型有三种：晶体结构类型有三种：二铀矿物的晶体化学特点二铀矿物的晶体化学特点1四价铀矿物的晶体化学特点四价铀矿物的晶体化学特点a、配位型配位型（或称萤石型）（或称萤石型）：主要是简单氧化：主要是简单氧化物，但由于部分物，但由于部分U4+变成了变成了U6+所以结构发生了所以结构发生了畸变，对称度降低，其晶格与萤石不完全相同。畸变，对称度降低，其晶格与萤石不完全相同。萤石型结构萤石型结构晶质铀矿晶质铀矿

37、萤石型结构的对称型为：萤石型结构的对称型为：3L44L36L29PCb、岛状型岛状型（或称锆石型）：是指四价铀的硅或称锆石型）：是指四价铀的硅酸盐与锆石的结构相似，在结构中，彼此孤立酸盐与锆石的结构相似，在结构中，彼此孤立的的SiO4四面体通过四面体通过U4+离子相连（三角十二面离子相连（三角十二面体）体）。岛状型岛状型结构结构铀石铀石复杂层状结构复杂层状结构斜方钛铀矿斜方钛铀矿c、层状型层状型：是铀的复杂氧化物，如：是铀的复杂氧化物，如U-Ti和和U-Mo复杂氧化物具有复杂层状结构，其结构单元由复杂氧化物具有复杂层状结构，其结构单元由TiO6八面体或八面体或MoO6八面体组成。八面体组成。在

38、在四四价价铀铀矿矿物物中中广广泛泛发发育育着着U4+和和Th4+和和TR3+之之间间的的类类质质同同象象，四四价价铀铀矿矿物物中中经经常常含含有有Th和和TR，Th和和稀稀土土元元素素矿矿物物中中也也常常含含有有U4+，这这是是由由于于它它们们之之间间的的离离子子半半径径相相近近和和其其它它性性质质相似的原因所致。相似的原因所致。类质同象类质同象 Zr4+（0.82）、）、Ca2+（1.03）也能与铀也能与铀（U4+）发生类质同象置换，但它们之间的置换发生类质同象置换，但它们之间的置换通常是单向的，属极性类质同象，通常是单向的，属极性类质同象，在锆石和磷在锆石和磷灰石中，灰石中，Zr4+和和C

39、a2+常被常被U4+所置换，然而在四所置换，然而在四价铀的矿物中，尚未发现价铀的矿物中，尚未发现Zr4+和和Ca2+的类质同象的类质同象混合物。混合物。类质同象置换多发生在高温环境条件，类质同象置换多发生在高温环境条件，如伟如伟晶岩脉中的晶岩脉中的晶质铀矿常含较多的晶质铀矿常含较多的Th和和TR；而而在在中低温热液成因的沥青铀矿中只含痕量的中低温热液成因的沥青铀矿中只含痕量的Th和和TR，有时甚至完全不含。，有时甚至完全不含。U4+矿物中也含有矿物中也含有U6+，但它们之间不是类质同，但它们之间不是类质同象关系，象关系，U6+是四价铀的氧化物。是四价铀的氧化物。变变生生作作用用系系指指在在铀铀

40、钍钍衰衰变变过过程程中中放放出出的的射射线线作作用用下下和和核核裂裂变变碎碎片片的的作作用用下下某某些些含含铀铀、钍钍矿矿物物的的晶体结构遭到破坏从而呈非晶态的现象晶体结构遭到破坏从而呈非晶态的现象。发生变生作用的主要条件有二：发生变生作用的主要条件有二：变生作用（非晶化作用）变生作用（非晶化作用）b.矿物成分复杂：如要含有易于形成络离子的变矿物成分复杂：如要含有易于形成络离子的变价元素，类质同象发育，原子间相互配位复杂。价元素，类质同象发育，原子间相互配位复杂。a.矿物中含有放射性元素，如矿物中含有放射性元素，如U、Th等。等。容易发生变生作用的矿物有容易发生变生作用的矿物有U-Ti复杂氧

41、化物，复杂氧化物，含含U的的Nb-Ta复杂氧化物及一部分四价铀的硅酸盐。复杂氧化物及一部分四价铀的硅酸盐。（）具油脂光泽、沥青光泽、无解理、）具油脂光泽、沥青光泽、无解理、贝壳状断口、半透明或碎片边缘微透光，贝壳状断口、半透明或碎片边缘微透光，密度、硬度低。密度、硬度低。（）光性上为均质体（或局部残留非）光性上为均质体（或局部残留非均质性），折光率和反射性偏低。均质性），折光率和反射性偏低。变生矿物的特点（相对非变生矿物而言）变生矿物的特点（相对非变生矿物而言）变生矿物进一步变化的结果是，分解成各个组变生矿物进一步变化的结果是，分解成各个组成元素的简单氧化物和氢氧化物，甚至变成凝胶成元素的简单

42、氧化物和氢氧化物，甚至变成凝胶(SiO2)。但对这种非晶质体焙烧后，不能恢复原始但对这种非晶质体焙烧后，不能恢复原始结构，只能形成结构，只能形成U3O8或铀酸盐。或铀酸盐。（）矿物中非结构水含量偏高，加热焙烧后会）矿物中非结构水含量偏高，加热焙烧后会重新结晶，但不一定恢复到原始结构。重新结晶，但不一定恢复到原始结构。（）恢复晶体结构时发生放热反应。）恢复晶体结构时发生放热反应。2六价铀矿物的晶体化学特点六价铀矿物的晶体化学特点（）铀酰离子的结构及特点）铀酰离子的结构及特点：单独的：单独的U6+离子离子在自然界是不稳定的，由于在自然界是不稳定的，由于U6+具有很高的正电具有很高的正电荷，半径小（

43、荷，半径小（0.80），），在能量上处于不稳定状在能量上处于不稳定状态，很容易与氧结合，形成态，很容易与氧结合，形成UO22+络离子。络离子。晶体结构的基本特点：晶体结构的基本特点：铀铀酰酰为为一一线线型型离离子子，呈呈哑哑铃铃状状，UO之之间间的的平平均均距距离离为为1.9。此此距距离离比比U6+与与O2-的的离离子子半半径径之之和和（0.8+1.32=2.12）要要小小得得多多，这这说说明明铀铀原原子子与与氧氧原子之间原子之间 的电子云相互重迭，的电子云相互重迭，UO为共价键。为共价键。铀酰沿长轴方向的总长是铀酰沿长轴方向的总长是6.046.84，(U6+、O2-半径之和为半径之和为2.1

44、2，在长轴方向最长为在长轴方向最长为2个个O2-，1.3222=5.28；U6+两半径之和为两半径之和为20.8=1.6，因而因而2O2-与与U6+之间总长应为之间总长应为5.28 +1.6=6.88)为一巨型离子，在自然界任何一阳为一巨型离子，在自然界任何一阳离子的半径都比它小离子的半径都比它小(如最大半径的金属离子如最大半径的金属离子Cs+为为1.60，而，而UO22+如按半径计算为如按半径计算为3.02-3.42)，因其形态特殊，它不与任何其它阳离子发生类，因其形态特殊，它不与任何其它阳离子发生类质同象置换。质同象置换。铀酰中的两个氧原子几乎是电中性铀酰中的两个氧原子几乎是电中性。O2-

45、的负的负电荷几乎完全被电荷几乎完全被U-O键所中和，铀酰的两个正电键所中和，铀酰的两个正电荷集中在垂直于铀酰长轴的平面，即荷集中在垂直于铀酰长轴的平面，即赤道平面上赤道平面上铀酰与周围的离子（原子）形成两种类型的键。铀酰与周围的离子（原子）形成两种类型的键。在赤道平面上在赤道平面上，铀对周围，铀对周围离子的引力最强离子的引力最强，基本，基本上上是离子键是离子键；而沿；而沿长轴，即长轴，即O-U-O的方向上，键的方向上，键力很弱，基本上是分子键力很弱，基本上是分子键。UO22+中由于铀原子的内层电子中由于铀原子的内层电子5f电子参与了电子参与了UO之间的共价键的组成之间的共价键的组成，所以，所以

46、UO键非常牢键非常牢固，无论在固体，还是在液体中，铀酰离子都很固，无论在固体，还是在液体中，铀酰离子都很稳定，不易分解。稳定，不易分解。（）晶体结构类型）晶体结构类型有三种类型有三种类型:链状结构链状结构（如高硅钾铀矿组）（如高硅钾铀矿组）层状结构层状结构最常见最常见架状结构架状结构（硅铀矿组）（硅铀矿组）,它们仅见于个别矿物中。它们仅见于个别矿物中。同同质质多多象象是是指指同同种种化化学学成成分分（石石墨墨和和金金刚刚石石），在在不不同同的的热热力力学学条条件件下下结结晶晶成成不不同同晶晶体体结结构构的的现现象象。每每一一种种化化学学组组成成相相同同、结结构构不不同同的的晶晶体体都都是是一一

47、种种同同质质多多象象变变体体，在在矿矿物物上上是是独独立立的的矿矿物物种种，在在六六价价铀铀矿矿物物中中发发现现了了一一系系列列同同质质多多象变体象变体。同质多象同质多象和和多型性多型性如：如：a、六价铀的磷酸盐和砷酸盐，当铀酰为四次配位六价铀的磷酸盐和砷酸盐，当铀酰为四次配位时，结构松散，这种结构有变得更紧密的趋势（五次时，结构松散，这种结构有变得更紧密的趋势（五次配位），以致形成了同质多象变种；配位），以致形成了同质多象变种；b、铀酰氢氧化物中，铀酰氢氧化物中，铀酰为六次配位，当环铀酰为六次配位，当环境改变时，境改变时，OH-可被可被O2-取代，引起配位数的取代，引起配位数的变化。（变化。

48、2OH-O2-），），也可能形成同质多象变也可能形成同质多象变种；种；c、六价铀的硅酸盐矿物、六价铀的硅酸盐矿物、硅钙铀矿和硅钙铀矿和硅钙铀矿，硅钙铀矿，也属于同质多象变种。也属于同质多象变种。多型多型是一种特殊类型的同质多象，是指化学是一种特殊类型的同质多象，是指化学成分相同的物质，形成若干种仅仅在层的堆积成分相同的物质，形成若干种仅仅在层的堆积顺序上有所不同的层状晶体结构的现象顺序上有所不同的层状晶体结构的现象。多型。多型也就是一维的同质多象，不同的多型变体，尽也就是一维的同质多象，不同的多型变体，尽管有时可能属于不同的晶系，但是它们的晶体管有时可能属于不同的晶系，但是它们的晶体结构和一

49、系列性质上的差异都很小，所以仍然结构和一系列性质上的差异都很小，所以仍然属于同一矿物种。属于同一矿物种。多型现象在六价铀矿物中广泛发育多型现象在六价铀矿物中广泛发育，在六价，在六价铀的磷酸盐、砷酸盐、钒酸盐、碳酸盐和氢氧铀的磷酸盐、砷酸盐、钒酸盐、碳酸盐和氢氧化物中都发现了多型。如钙铀云母化物中都发现了多型。如钙铀云母准钙铀云准钙铀云母、铜铀云母母、铜铀云母准铜铀云母、钡铀云母准铜铀云母、钡铀云母准钡准钡铀云母等，这些矿物普遍含层间水，而且水含铀云母等，这些矿物普遍含层间水，而且水含量能在一定范围内变化，于是构成了一系列多量能在一定范围内变化，于是构成了一系列多型性矿物。型性矿物。三、铀矿物的

50、物理性质三、铀矿物的物理性质1放射性放射性2光学性质光学性质3力学性质力学性质 4荧光性质荧光性质1放射性放射性 铀矿物与其它非放射性元素矿物的重要区铀矿物与其它非放射性元素矿物的重要区别在于它具有放射性。别在于它具有放射性。放射性系指铀、钍、镭等元素的原子核能自放射性系指铀、钍、镭等元素的原子核能自发地蜕变为另一种原子核，同时释放出发地蜕变为另一种原子核，同时释放出、射线的现象。射线的现象。这一过程称之为放射性衰变，其这一过程称之为放射性衰变，其中释放出中释放出粒子和粒子和粒子的过程称为粒子的过程称为蜕变和蜕变和蜕蜕变，电离能力为变，电离能力为，穿透能力为穿透能力为：=1：100：10000