Оксид урана(IV)

Оксид урана(IV)
__ U4+     __ O2−
Общие
Систематическое наименование	Оксид урана(IV), Диоксид урана
Традиционные названия	Двуокись урана
Химическая формула	UO2
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	твёрдое (в виде чёрного порошка)
Молярная масса	270,03 г/моль
Плотность	10,97 г/см³
Термические свойства
Температура плавления	2875 °C
Молярная теплоёмкость (ст. усл.)	63,6 Дж/(моль·К)
Теплопроводность (ст. усл.)	4,5 Вт/(м·K)
Энтальпия образования (ст. усл.)	−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
Структура
Координационная геометрия	Тетраэдрическая (O2−) кубическая (UIV), координационное число U[8], O[4]
Кристаллическая структура	кубическая, $O_h^5$, Fm3m, No. 225
Классификация
Рег. номер CAS	1344-57-6
Рег. номер EINECS	215-700-3
SMILES	O=U=O
RTECS	YR4705000

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

Свойства

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 востановительной 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^[1].

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.

Применение

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 урана. В общем, все оксиды урана являются наиболее устойчивыми соединениями урана, в связи с чем широко используются как для хранения урана, так и как промежуточное звено между урановорудным, аффинажно-металлургическим и фторидными урановыми производствами.

Получение

Диоксид урана можно получить, восстанавливая водородом высшие оксиды^[1]:

$\mathsf{U_3O_8 + 2H_2 \rightarrow 3UO_2 + 2H_2O}$

или оксалат уранила:

$\mathsf{UO_2C_2O_4\cdot3H_2O + H_2 \rightarrow UO_2 + CO + CO_2 + 4H_2O}$

Примечания

1. ↑ ^{1 2} проф.И. Н. Бекман Уран. Учебное пособие. — М.: МГУ, 2009.

Литература

• 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.