Оксид урана(IV)

Оксид урана(IV) — неорганическое бинарное химическое соединение урана с кислородом — вещество тёмно-коричневого, почти чёрного, цвета. Химическая формула UO₂ (точнее, UO_2±x). Широко используется как ядерное топливо в реакторах.

Оксид урана​(IV)​
U4+           O2−
Общие
Систематическое наименование	Оксид урана​(IV)​, Диоксид урана
Традиционные названия	Двуокись урана
Хим. формула	UO2
Физические свойства
Состояние	твёрдое (в виде чёрного порошка)
Молярная масса	270,03 г/моль
Плотность	10,97 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	2875 °C
Мол. теплоёмк.	63,6 Дж/(моль·К)
Теплопроводность	4,5 Вт/(м·K)
Энтальпия
• образования	−1084,5 кДж/моль
Коэфф. тепл. расширения	9,2⋅10−6 K−1
Давление пара	в зависимости от температуры lgp=33,115T-4,026lgT+25,686 атм
Структура
Координационная геометрия	Тетраэдрическая (O2−) кубическая (UIV), координационное число U[8], O[4]
Кристаллическая структура	кубическая, $O_h^5$$O_{h}^{5}$, Fm3m, No. 225
Классификация
Рег. номер CAS	1344-57-6
PubChem	10916
Рег. номер EINECS	215-700-3
SMILES	O=[U]=O
InChI	InChI=1S/2O.U FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N
RTECS	YR4705000
ChemSpider	10454 и 21257709
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

СвойстваПравить

Температура плавления в зависимости от стехиометрического состава составляет от 2840 до 2875 °C. Диоксид урана — нестехиометрическое соединение, имеющее состав от UO_1,6 до UO_2,5. Диоксид урана термодинамически устойчив при нагревании в вакууме или в восстановительной атмосфере до температуры 1600 °C и возгоняется без разложения. При более высокой температуре он теряет кислород с образованием достехиометрического диоксида. В присутствии же кислорода, способен растворять его в себе с сохранением кубической структуры кристалла типа флюорита CaF₂, причём дополнительные (сверх стехиометрии) атомы кислорода удерживаются в промежутках кристаллической решётки в результате внедрения атомов кислорода в решётку UO₂ с образованием фазы UO_2±x, где x зависит от температуры. При увеличении содержания кислорода цвет диоксида изменяется от тёмно-коричневого до чёрного.

Диоксид урана обладает сильно-основными свойствами, не реагирует с водой и её парами до 300 °C, не растворяется в соляной кислоте, но растворим в азотной кислоте, царской водке и смеси HNO₃ и HF. При растворении в азотной кислоте происходит образование уранил-ионов UO2+
2. Известен один кристаллогидрат диоксида урана UO₂•2H₂O — чёрный осадок, выпадающий при гидролизе растворов урана. Диоксид урана входит в состав урановых минералов уранинита и клевеита.

ПрименениеПравить

 

Бочки с сырьем для производства таблеток диоксида урана на Новосибирском заводе химиконцентратов.

У диоксида урана нет фазовых переходов, он менее подвержен газовому распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить глубину выгорания до нескольких процентов. Диоксид урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах.

Эти свойства позволяют применять его в ядерных реакторах, получая высокие температуры и, следовательно, высокий КПД реактора. ТВЭЛы из диоксида урана изготавливаются в виде брусков, трубок, таблеток и т. д. методами керамической технологии: холодным прессованием и выдавливанием с последующим спеканием изделий или горячим прессованием. В виде порошка диоксид урана диспергируется в металлических, графитовых или керамических матрицах. Основной недостаток керамики — низкая теплопроводность — 4,5 Вт/(м·К) (при температуре 800 °C). Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.

Диоксид урана, как и другие оксиды урана, используется также как промежуточный продукт при производстве других урановых соединений, главным образом фторидов. В общем, все оксиды урана являются наиболее устойчивыми его соединениями, в связи с чем широко используются как для хранения урана, так и как промежуточное звено между урановорудным, аффинажно-металлургическим и фторидными урановыми производствами.

ПолучениеПравить

Диоксид урана можно получить, восстанавливая водородом высшие оксиды:

${\mathsf{U}}_{\mathsf{3}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{8}}\mathsf{+}\mathsf{2}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\to <!--\; \to \; -->\mathsf{3}\mathsf{U}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{2}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {U_{3}O_{8}+2H_{2}\rightarrow 3UO_{2}+2H_{2}O}}$ 

или оксалат уранила:

$\mathsf{U}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{C}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{4}}\cdot <!--\; \cdot \; -->\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\to <!--\; \to \; -->\mathsf{U}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{C}\mathsf{O}\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\mathsf{+}\mathsf{C}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\mathsf{+}\mathsf{4}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {UO_{2}C_{2}O_{4}\cdot 3H_{2}O+H_{2}\rightarrow UO_{2}+CO\uparrow +CO_{2}\uparrow +4H_{2}O}}$ 

ЛитератураПравить

• Громов Б. В. Введение в химическую технологию урана. — М.: Атомиздат, 1978.
• Кац Дж., Рабинович Е. Химия урана: уран как элемент, его бинарные соединения, гидраты окислов и оксигалогениды. — М.: Иностранная литература, 1954.
• Шевченко В. Б., Судариков Б. Н. Технология урана. — М., 1961.
• Паевский А. История молекул: оксид урана IV Архивная копия от 16 октября 2021 на Wayback Machine