Введение

chembox
| Watchedfields = changed
| verifiedrevid = 452010868
| Name = Uranium trioxide
| ImageFile = UO3 gamma lattice.png
| IUPACName = Uranium trioxideУран(VI) оксид
| OtherNames = Uranyl oxideУранный оксид, Уранил оксид; Uranic oxideУранический оксид
|Section1=
|Section2=
|Section3=
|Section4=Chembox Thermochemistry
| DeltaHf = −1230 kJ·mol−1
| Entropy = 99 J·mol−1·K−1 Следует отметить, что при температуре выше 750 °C даже при давлении 5 атм O2 UO3 разлагается на U3O8. Уранил нитрат, UO2(NO3)2·6H2O, можно нагревать для получения UO3. Это происходит в процессе переработки ядерного топлива. Топливные стержни растворяют в HNO3 для отделения уранил нитрата от плутония и продуктов деления (метод PUREX). Чистый уранил нитрат превращают в твердый UO3 путем нагревания до 400 °C. После восстановления водородом (в присутствии другого инертного газа) до диоксида урана, уран может быть использован в новых топливных стержнях MOX. Диуран аммония или диуран натрия (Na2U2O7·6H2O) могут быть разложены. Диуран натрия, также известный как «желтый пирог», превращается в триоксид урана при обогащении урана. Диоксид урана и тетрафторид урана являются промежуточными продуктами в процессе, который завершается получением гексафторида урана. Триоксид урана транспортируется между перерабатывающими предприятиями в виде геля, чаще всего от шахт к конверсионным заводам. При использовании для конверсии все оксиды урана часто называют переработанным ураном (RepU). Корпорация Cameco, работающая на крупнейшем в мире уранном заводе в Блайнд-Ривер, Онтарио, производит триоксид урана высокой чистоты. Сообщается, что коррозия урана в водном растворе, богатом кремнекислотой, приводит к образованию диоксида урана, триоксида урана и коффинита. В чистой воде в первую неделю образуется шёпит (UO2)8O2(OH)12·12(H2O), а через четыре месяца – студтит (UO2)O2·4(H2O). Это изменение оксида урана также приводит к образованию метастудтита, более стабильного пероксида уранила, который часто встречается на поверхности отработавшего ядерного топлива, подвергавшегося воздействию воды. Отчеты о коррозии урана были опубликованы Королевским обществом.

Опасности для здоровья и безопасности

Как и все соединения урана(VI), UO3 опасен при вдыхании, проглатывании и контакте с кожей. Это ядовитое, слабо радиоактивное вещество, которое может вызывать одышку, кашель, острые поражения артерий, а также изменения в хромосомах лейкоцитов и половых желез, приводящие к врожденным дефектам развития при вдыхании. Однако при попадании внутрь уран оказывает преимущественно токсическое воздействие на почки и может серьезно нарушить их функцию.

Твердость

Единственным хорошо изученным бинарным триоксидом актинида является UO3, для которого известно несколько полиморфных модификаций. Твердый UO3 при нагревании отщепляет O2, образуя зеленый U3O8: сообщаемые температуры разложения на воздухе варьируются от 200 до 650 °C. Нагревание при 700 °C в атмосфере водорода приводит к образованию темно-коричневого диоксида урана (UO2), который используется в топливных стержнях MOX-топлива.

Альфа

Форма α (альфа): слоистое твердое вещество, в котором 2D-слои соединены атомами кислорода (показаны красным цветом). Гидратированный пероксид уранила, образующийся при добавлении перекиси водорода в водный раствор нитрата урана и последующем нагревании до 200–225 °C, формирует аморфный триоксид урана, который при нагревании до 400–450 °C превращается в альфа-триоксид урана.

Бета-эпидемия

Форма β (бета) UO3: это твердое вещество содержит множество уникальных мест расположения атомов урана и искаженных многогранников. Эта форма может быть получена при нагревании диураната аммония, а П. С. Дебетс и Б. О. Лупстра обнаружили четыре твердые фазы в системе UO3-H2O-NH3, которые все можно рассматривать как UO2(OH)2·H2O, где некоторая часть воды заменена аммиаком. Было установлено, что прокаливание при 500 °C на воздухе приводит к образованию бета-формы триоксида урана.

Гамма

Форма γ (гамма): с различными окружениями урана, показанными в зелёном и жёлтом цветах. Наиболее часто встречающимся полиморфом является γ UO3, структура которого, полученная методом рентгеновской дифракции порошка, была определена. Соединение кристаллизуется в пространственной группе I41/amd с двумя атомами урана в элементарной ячейке. Оба атома окружены несколько искажёнными октаэдрами атомов кислорода. Один атом урана имеет два ближайших и четыре более удалённых атома кислорода, а другой – четыре ближайших и два более удалённых атома кислорода в качестве ближайших соседей. Таким образом, корректно описать структуру как [UO2]2+[UO4]2−, то есть уранилуранат. Окружение атомов урана, показанное жёлтым цветом в гамма-форме. Цепи из колец U2O2 в гамма-форме образуют слои, при этом соседние слои ориентированы под углом 90 градусов друг к другу. Эти цепи содержат жёлтые атомы урана, находящиеся в октаэдрическом окружении, искажённом в сторону квадратной плоскости за счёт удлинения связей уран-кислород вдоль оси.

Дельта

Форма дельта (δ) — это кубическое твердое вещество, в котором атомы кислорода расположены между атомами урана.

Эпсилон

Предлагаемая кристаллическая структура эпсилон (ε)-формы состоит из слоев гексагональных бипирамид урана, соединенных через полиэдры с общими ребрами. Эти слои соединены посредством аксиальных атомов кислорода уранила. Предлагаемая структура относится к триклинической пространственной группе P 1.

Форма высокого давления

Существует твердая форма, устойчивая при высоком давлении, содержащая кольца U2O2 и U3O3.

Гидраты

Известно несколько гидратов триоксида урана, например, UO3·6H2O, которые в старой литературе часто называют "урановой кислотой" из-за сходства их формулы с формулами различных кислородсодержащих кислот металлов, хотя фактически они не обладают выраженной кислотностью.

Изоляция матрицы

Инфракрасная спектроскопия молекулы UO3, изолированной в аргоновой матрице, указывает на Т-образную структуру (точечная группа C2v) для этой молекулы. Это отличается от обычно наблюдаемой молекулярной симметрии D3h, характерной для большинства триоксидов. На основании силовых констант авторы определяют длины связей U–O в диапазоне от 1,76 до 1,79 Å (176–179 пм).

Вычислительное исследование

Расчеты предсказывают, что точечная группа молекулы UO3 — C2v, с длиной аксиальной связи 1,75 Å, длиной экваториальной связи 1,83 Å и углом 161° между аксиальными атомами кислорода. Более симметричный вид D3h представляет собой седловую точку, находящуюся на 49 кДж/моль выше минимума C2v. Авторы объясняют это эффектом Яна-Теллера второго порядка.

Кубическая форма триоксида урана

Кристаллическая структура фазы триоксида урана состава UO2.82 была определена методами рентгенопорошковой дифракции с использованием фокусирующей камеры типа Гвинея. Элементарная ячейка кубическая, с параметром a = 4.138 ± 0.005 кX. Атом урана расположен в точке (000), а атомы кислорода – в точках (View the MathML source), (View the MathML source) и (View the MathML source), при наличии некоторого количества вакансий по анионам. Соединение изоструктурно ReO3. Расстояние между атомами урана и кислорода, равное 2.073 Å, соответствует предсказанному Захариасеном для прочности связи S = 1.

Электрохимическая модификация

Исследовано обратимое внедрение магниевых катионов в кристаллическую решетку триоксида урана с помощью циклической вольтамперометрии, используя графитовый электрод, модифицированный микроскопическими частицами оксида урана. Аналогичный эксперимент был проведен и для U3O8. Это пример электрохимии модифицированного твердого электрода; эксперимент с триоксидом урана связан с использованием электродов из углеродистой пасты. Также возможно восстановление триоксида урана натрием с образованием оксидов натрия и урана. Ранее было показано, что литий может быть внедрен в кристаллическую решетку триоксида урана электрохимическим путем, что аналогично принципу работы некоторых перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов. В таких перезаряжаемых элементах один из электродов представляет собой оксид металла, содержащий, например, кобальт, который восстанавливается для поддержания электронейтральности: на каждый добавленный к материалу электрода электрон в решетку этого оксидного электрода входит ион лития.

Амфотеризм и реактивность к образованию связанных урана и катионов

Оксид урана является амфотерным и проявляет свойства как кислоты, так и основания, в зависимости от условий.

Оксиды урана в керамике

Керамика на основе UO3 становится зеленой или черной при обжиге в восстановительной атмосфере и желтой до оранжевой при обжиге в кислородной среде. Оранжевый Fiestaware – хорошо известный пример изделия с глазурью, содержащей уран. UO3 также использовался в составах эмалей, уранового стекла и фарфора. До 1960 года UO3 применялся как агент кристаллизации в кристаллических цветных глазурях. Возможно определить с помощью счетчика Гейгера, был ли изготовлен глазурь или стекло из UO3.