放射化学5.ppt

《放射化学5.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《放射化学5.ppt（20页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第五五章章天然天然放射性放射性元素元素【主要内容主要内容】1 天然放射系2 铀、钍、镭、氡、钋、锕、钫、镤的结构，性质，存在形式，水溶液化学、制备及提纯。3 自然界其它放射性核素【重点难点】【重点难点】铀、钍的纯净物性质，制备及水溶液化学【学习方法及重点难点】学习方法及重点难点】1 1、本章内容较为复杂，难以归纳和系统化，、本章内容较为复杂，难以归纳和系统化，学习方式以学生个人阅读和老师答疑为主，学习方式以学生个人阅读和老师答疑为主，老师课堂讲授为辅。老师课堂讲授为辅。2 2、学习时要从天然放射性元素的结构出发，、学习时要从天然放射性元素的结构出发，了解其物理和化学性质，自然存在形式，了解其

2、物理和化学性质，自然存在形式，用途，制备（既各种存在形式之间的转化用途，制备（既各种存在形式之间的转化路线），提纯和分析方法。各种放射性元路线），提纯和分析方法。各种放射性元素进行对比学习，有共性，有个性，会有素进行对比学习，有共性，有个性，会有更好的效果。更好的效果。3 3、本章的重点内容为铀和钍、本章的重点内容为铀和钍第一节、第一节、天然放射系天然放射系1 1、天然放射性元素天然放射性元素 不具有任何稳定同位素的元素称为放射性元素。这不具有任何稳定同位素的元素称为放射性元素。这些元素绝大多数位于周期表的后部，即从些元素绝大多数位于周期表的后部，即从PoPo起起直直到目到目前已知的最重的前已

3、知的最重的l09l09号元素，在周期表中部只有两种放号元素，在周期表中部只有两种放射性元素射性元素TcTc和和PmPm。人们将迄今所知的。人们将迄今所知的2727种放射性元素种放射性元素分成天然放射性元素分成天然放射性元素和和人工放射性元素。天然放射性人工放射性元素。天然放射性元素是指那些最初是从自然界发现而不是元素是指那些最初是从自然界发现而不是人工合成人工合成的的放射性元素。放射性元素。2 2、天然放射系天然放射系 若干放射性核素彼此按特定的衰变关系相关联，最若干放射性核素彼此按特定的衰变关系相关联，最终衰变成为一种稳定的核素，这些核素所组成的系列终衰变成为一种稳定的核素，这些核素所组成的

4、系列称为放射系。自然界存在着三个天然放射系，已称为放射系。自然界存在着三个天然放射系，已知知这这三个放射系的成员总数共有三个放射系的成员总数共有4949个核素，原子序数从个核素，原子序数从9292(铀铀)到到80(80(汞汞)。这三个天然放射系，一个是铀系，它。这三个天然放射系，一个是铀系，它的起始核素是的起始核素是238238U(4n+2U(4n+2系系)，最终的稳定核素是，最终的稳定核素是206206PbPb，另一个是钍系，起始核素是另一个是钍系，起始核素是232232Th(4nTh(4n系系)，最终的稳定，最终的稳定产物是产物是208208PbPb；第三个是锕系，起始核素是；第三个是锕系

5、，起始核素是235235U U（4n+14n+1系系)，最终的稳定产物是，最终的稳定产物是207207Pb(AcD)Pb(AcD)。同一放射系中各成。同一放射系中各成员之间原子质量数酌差恰好是员之间原子质量数酌差恰好是4 4的整数倍。的整数倍。3 3、天然放射系的特点天然放射系的特点(1)(1)各各具有一个长寿命的祖先。它们的寿命大于或接近具有一个长寿命的祖先。它们的寿命大于或接近于地球的午龄；因此至今仍旧能存在于地球的午龄；因此至今仍旧能存在于于地球上。地球上。(2)(2)最终产物都是稳定最终产物都是稳定的的铅同铅同位位素。素。(3)(3)中间形成稀有气体元素中间形成稀有气体元素氡氡，因此铀

6、、，因此铀、钍钍矿物暴露在矿物暴露在大气中很容易造成大区域的污染。大气中很容易造成大区域的污染。(4)(4)氡氡衰变后生成的产物衰变后生成的产物都都是一些金属元素的放射性同是一些金属元素的放射性同位素，它们容易沉积在与位素，它们容易沉积在与氡氡相接触的物体表面，通常相接触的物体表面，通常称它们为放射性淀质。称它们为放射性淀质。4 4、天然放射系的形成历史天然放射系的形成历史 天然放射系建立的对放射化学和原子核物理的发展天然放射系建立的对放射化学和原子核物理的发展起了重要的作用，研究天然放射系所取得的经验后来起了重要的作用，研究天然放射系所取得的经验后来在研究入工放射系和裂变产物的衰变链中也得到

7、了广在研究入工放射系和裂变产物的衰变链中也得到了广泛的应用，而且至今对放射化学研究仍旧具有指导意泛的应用，而且至今对放射化学研究仍旧具有指导意义。其发展历程见书本第义。其发展历程见书本第160-167160-167页。页。第第二二节、节、铀铀铀是天然放射性元素中最著名的元素，这并非由于铀铀是天然放射性元素中最著名的元素，这并非由于铀在周期表中的特殊位置在周期表中的特殊位置天然存在的最后一个元素；而是天然存在的最后一个元素；而是因为它在核燃料中是最基本、最重要的元素。因为它在核燃料中是最基本、最重要的元素。天然存在的唯一的对热中子裂变截面大的可裂变同位天然存在的唯一的对热中子裂变截面大的可裂变同

8、位素是素是239239U U。人们还可以在裂变反应的同时人为地再生新的核。人们还可以在裂变反应的同时人为地再生新的核燃料燃料239239PuPu和和233233U U。它们分别是由下列核反应产生的：。它们分别是由下列核反应产生的：天天然然铀铀中中238238U U的的丰丰度度比比235235U U大大140140倍倍，而而在在自自然然界界中中232232ThTh的的储储藏藏量量又又是是铀铀的的四四倍倍。238238U U和和232232ThTh称称为为为为潜潜在在核核燃燃料料。热热中中子子可可以以使使许许多多重重核核裂裂变变，但但只只有有 、和和 具具有有裂裂变截面大、寿命长的特点。变截面大、

9、寿命长的特点。1 1、铀铀元素元素 铀铀为为9292号号元元素素，基基态态原原子子的的构构型型是是 RnRn 5 5f f3 36d6d1 17 7s s2 2，原原子子半半径径较较大大，对对外外层层电电子子的的控控制制力力较较弱弱；因因5f5f电电子子的的结结合合能能稍稍大大于于7s7s和和6d6d，故故电电子子的的丢丢失失首首先先是是6d6d电电子子，其其次次为为7s7s电电子子，最最后后才才是是5f5f电电子子。所所以以在在低低价价氧氧化化态态时时，相相应应铀铀离离子子的的电电子子壳壳层层中中仅仅有有5f5f电电子子被被遗遗留留下下来来。铀铀有有1515种种同同位位素素和和一一种种同同质

10、质异异能能素素，重重要要的的铀铀同同位位素素有有三三种种天天然然同同位位素素234234U U，235U U，238238U U，和和两两种种人人同同位位素素233233U U，239239U U；铀铀的的氧氧化化态态有有4 4种种，+3 3价价(5(5f f3 3)、+4 4价价(5(5f f2 2)、+5 5价价(5(5f f1 1)及及+6 6价价(5(5f f0 0)，其其中中+6 6价价最最常常见见。铀铀元元素各种价态之间的氧化还原电势图如下：素各种价态之间的氧化还原电势图如下：铀的特征之一是离子半径比较大。因而铀的化合物都是不易挥发的，铀的特征之一是离子半径比较大。因而铀的化合物都

11、是不易挥发的，仅有六氟化铀在室温下是挥发的，在六氟化铀中铀具有最小的离子半径仅有六氟化铀在室温下是挥发的，在六氟化铀中铀具有最小的离子半径（0.830.83），而氟离子半径又较大（），而氟离子半径又较大（1.331.33），铀被六个氟所屏蔽，形成），铀被六个氟所屏蔽，形成分子型结构，故具有低熔点、低沸点的特征。分子型结构，故具有低熔点、低沸点的特征。铀广泛分布于地壳和环境水中。它在自然界中主要以四价和六价化铀广泛分布于地壳和环境水中。它在自然界中主要以四价和六价化合物状态存在，形成合物状态存在，形成UOUO2 2和各种铀酰盐。铀在地壳中的平均含量约为和各种铀酰盐。铀在地壳中的平均含量约为0.0

12、004%0.0004%。目前已知的含铀矿物约有。目前已知的含铀矿物约有200200多种，其中有二三十种具有实际多种，其中有二三十种具有实际开采价值，如沥青铀矿、晶质铀矿、铀云母和钒钾铀矿等。由于矿物中开采价值，如沥青铀矿、晶质铀矿、铀云母和钒钾铀矿等。由于矿物中含有的铀酰盐易溶于水，在地下水的侵蚀下，铀会从地壳表层进入江、含有的铀酰盐易溶于水，在地下水的侵蚀下，铀会从地壳表层进入江、河、湖、海和土壤，因而也容易转移到动植物体内。铀在海水中的含量河、湖、海和土壤，因而也容易转移到动植物体内。铀在海水中的含量约为约为3 34 4g/Lg/L。2 2、金属铀单质、金属铀单质 从上图可以看出，铀是一种

13、强还原性金属，它能够与很从上图可以看出，铀是一种强还原性金属，它能够与很多氧化性物质发生反应而被氧化。如铀跟沸水反应如下：多氧化性物质发生反应而被氧化。如铀跟沸水反应如下：7U+6H 7U+6H2 20(0(气气)=3U0)=3U03 3 +4UH+4UH3 3 因此自然界中没有发现有单质铀存在，需用钙或镁还原因此自然界中没有发现有单质铀存在，需用钙或镁还原法从含铀化合物法从含铀化合物UFUF4 4中加以制备。单质铀的存放及使用要注意中加以制备。单质铀的存放及使用要注意与空气和水及氧化性物质的隔离（铝，锆或不锈钢包壳）。与空气和水及氧化性物质的隔离（铝，锆或不锈钢包壳）。单质铀有银白色金属光泽

14、，单质铀有银白色金属光泽，可以可以（斜方），（斜方），（立方），（立方），（体心立方）（体心立方）三种晶体状态存在。三种晶体状态存在。金属铀是一种重要的核燃料，在石墨反应堆中，只有金金属铀是一种重要的核燃料，在石墨反应堆中，只有金属铀才能达到临界状态。属铀才能达到临界状态。金属铀可以形成很多合金，合金可以改善铀的许多性能。金属铀可以形成很多合金，合金可以改善铀的许多性能。3 3、铀的化合物、铀的化合物 从氧化还原电势图上可以看出，从氧化还原电势图上可以看出，+6是是铀的最稳定价态，铀的最稳定价态，所以铀的其它价化合物都是从所以铀的其它价化合物都是从+6价化合物出发而制备的。如价化合物出发而制备

15、的。如UOUO2 2就是从就是从UOUO3 3用用H H2 2或或COCO还原而来：还原而来：或者可以用或者可以用(NH(NH4 4)4 4UOUO2 2(CO(CO3 3)3 3 加热的自氧化还原而来：加热的自氧化还原而来：因为自然界中存在量多的元素还硅，碳，磷，硫等，因此因为自然界中存在量多的元素还硅，碳，磷，硫等，因此铀在自然界中的不铀的存在形式和含量会有不同，但铀矿都铀在自然界中的不铀的存在形式和含量会有不同，但铀矿都以盐的形式存在。可以用酸或碱浸出法来提取其中所含的以盐的形式存在。可以用酸或碱浸出法来提取其中所含的+6价铀盐，然后将之转换成所需要的其它形式的铀的化合物及价铀盐，然后将

16、之转换成所需要的其它形式的铀的化合物及单质。单质。4 4、铀的水溶液化学、铀的水溶液化学 从氧化还原电势图上还可以看出，以集团为考虑对象，从氧化还原电势图上还可以看出，以集团为考虑对象，铀铀各种价态亲电性顺序为：各种价态亲电性顺序为：U4+UO22+U3+UO2+,这也是各这也是各价态铀的配位能力和水解（水作配位剂）能力的大小顺序。价态铀的配位能力和水解（水作配位剂）能力的大小顺序。U3+具有很强的还原性，与水作用可放出具有很强的还原性，与水作用可放出H2。UO2+很不稳定，会发生歧化反应，生成很不稳定，会发生歧化反应，生成UO22+和和U4+。第第三三节、节、钍钍1 1、钍钍元素元素 钍为钍

17、为9090号元素，号元素，基态原子的构型是基态原子的构型是 RnRn 6d6d2 27 7s s2 2，原子半径原子半径较大，对外层电子的控制力较弱，易被氧化较大，对外层电子的控制力较弱，易被氧化+4+4价；钍有价；钍有2323种种同位素，其中同位素，其中232232ThTh是丰度最高的同位素；是丰度最高的同位素；钍只钍只有有+4 4价一价一种种氧氧化态化态，因为缺电（有空轨道），离子半径小，有很强的络合，因为缺电（有空轨道），离子半径小，有很强的络合和水解倾向。和水解倾向。以前钍盐的主要用途是作为煤气灯灯芯的吸着物，在以前钍盐的主要用途是作为煤气灯灯芯的吸着物，在灯芯燃烧时，它会发出耀眼的光

18、芒。金属灯芯燃烧时，它会发出耀眼的光芒。金属ThTh可做电子管的吸可做电子管的吸气剂，若用它制作气剂，若用它制作X X光管的靶子可以产生穿透能力很强的光管的靶子可以产生穿透能力很强的x x射射线，线，ThOThO2 2掺入钨中，制成的灯丝其使用寿命延长、电子发射掺入钨中，制成的灯丝其使用寿命延长、电子发射能力增强。能力增强。ThTh是一种重要的核原料，是一种重要的核原料，232232ThTh吸收中子后经过两吸收中子后经过两次次-衰变可得到衰变可得到233233U U，而，而233233U U是一种人造核燃料。是一种人造核燃料。2 2、金属钍单质、金属钍单质 从上图可以看出，钍是一种强还原性金属

19、，它能够与很从上图可以看出，钍是一种强还原性金属，它能够与很多氧化性物质发生反应而被氧化，钍的还原性较铀小。在常多氧化性物质发生反应而被氧化，钍的还原性较铀小。在常温下，它与氧不反应。它与氧反应很快，生成粉末状的二氧温下，它与氧不反应。它与氧反应很快，生成粉末状的二氧化钍。在沸水中钍被一层二氧化物膜覆盖。加热时金属红能化钍。在沸水中钍被一层二氧化物膜覆盖。加热时金属红能与与H H2 2、C1C12 2、BrBr2 2、N N2 2和和H H2 2S S反应。金属钍易陷于反应。金属钍易陷于HClHCl，但总残留，但总残留一些不溶残渣。稀一些不溶残渣。稀HFHF、HN0HN03 3、H H2 2S

20、0S04 4或浓或浓H H2 2POPO4 4与金属钍作用很与金属钍作用很慢。浓慢。浓HN0HN03 3能使金属钍钝化，加入少量氟化物后，可完全溶能使金属钍钝化，加入少量氟化物后，可完全溶解。解。因此自然界中没有发现有单质钍存在，需用钙还原法或因此自然界中没有发现有单质钍存在，需用钙还原法或电解法从含钍化合物中加以制备。单质钍有银白色金属光泽。电解法从含钍化合物中加以制备。单质钍有银白色金属光泽。3 3、钍的化合物、钍的化合物 从氧化还原电势图上可以看出，从氧化还原电势图上可以看出，+6是是铀的最稳定价态，铀的最稳定价态，所以铀的其它价化合物都是从所以铀的其它价化合物都是从+6价化合物出发而制

21、备的。如价化合物出发而制备的。如UOUO2 2就是从就是从UOUO3 3用用H H2 2或或COCO还原而来：还原而来：或者可以用或者可以用(NH(NH4 4)4 4UOUO2 2(CO(CO3 3)3 3 加热的自氧化还原而来：加热的自氧化还原而来：因为自然界中存在量多的元素还硅，碳，磷，硫等，因此因为自然界中存在量多的元素还硅，碳，磷，硫等，因此铀在自然界中的不铀的存在形式和含量会有不同，但铀矿都铀在自然界中的不铀的存在形式和含量会有不同，但铀矿都以盐的形式存在。可以用酸或碱浸出法来提取其中所含的以盐的形式存在。可以用酸或碱浸出法来提取其中所含的+6价铀盐，然后将之转换成所需要的其它形式的铀的化合物及价铀盐，然后将之转换成所需要的其它形式的铀的化合物及单质。单质。4 4、铀的水溶液化学、铀的水溶液化学 从氧化还原电势图上还可以看出，以集团为考虑对象，从氧化还原电势图上还可以看出，以集团为考虑对象，铀铀各种价态亲电性顺序为：各种价态亲电性顺序为：U4+UO22+U3+UO2+,这也是各这也是各价态铀的配位能力和水解（水作配位剂）能力的大小顺序。价态铀的配位能力和水解（水作配位剂）能力的大小顺序。U3+具有很强的还原性，与水作用可放出具有很强的还原性，与水作用可放出H2。UO2+很不稳定，会发生歧化反应，生成很不稳定，会发生歧化反应，生成UO22+和和U4+。