Dióxido de urânio - Uranium dioxide

Dióxido de urânio
UO2lattice.jpg
Nomes
Nomes IUPAC
Dióxido de
urânio Óxido de urânio (IV)
Outros nomes
Urania
óxido Uranous
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.014.273 Edite isso no Wikidata
Número EC
Número RTECS
UNII
  • InChI = 1S / 2O.U
    Chave: FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N
  • O = [U] = O
Propriedades
UO 2
Massa molar 270,03 g / mol
Aparência pó preto
Densidade 10,97 g / cm 3
Ponto de fusão 2.865 ° C (5.189 ° F; 3.138 K)
insolúvel
Estrutura
Fluorita (cúbica), cF12
Fm 3 m, No. 225
a  = 547,1 pm
Tetraédrico (O 2− ); cúbico (U IV )
Termoquímica
78 J · mol −1 · K −1
Entalpia de
formação
padrãof H 298 )
−1084 kJ · mol −1
Perigos
Ficha de dados de segurança ICSC 1251
Pictogramas GHS GHS06: TóxicoGHS08: Risco para a saúdeGHS09: Risco ambiental
Palavra-sinal GHS Perigo
H300 , H330 , H373 , H400 , H410 , H411
P260 , P264 , P270 , P271 , P273 , P284 , P301 + 310 , P304 + 340 , P310 , P314 , P320 , P321 , P330 , P391 , P403 + 233 , P405 , P501
NFPA 704 (diamante de fogo)
4
0
0
Ponto de inflamação N / D
Compostos relacionados
Óxidos de urânio relacionados
Octóxido de triurânio
trióxido de urânio
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referências da Infobox

Dióxido de urânio ou óxido de urânio (IV) ( L O 2 ) , também conhecida como urania ou óxido uranous , é um óxido de urânio , e é um preto, radioactivo , cristalino em pó que naturalmente ocorre no mineral uraninite . É usado em barras de combustível nuclear em reatores nucleares . Uma mistura de dióxido de urânio e plutônio é usada como combustível MOX . Antes de 1960, era usado como cor amarela e preta em esmaltes cerâmicos e vidros.

Produção

O dióxido de urânio é produzido pela redução do trióxido de urânio com hidrogênio .

UO 3 + H 2 → UO 2 + H 2 O a 700 ° C (973 K)

Esta reação desempenha um papel importante na criação de combustível nuclear por meio do reprocessamento nuclear e enriquecimento de urânio .

Química

Estrutura

O sólido é isoestrutural com (tem a mesma estrutura que) fluorita ( fluoreto de cálcio ), onde cada U é circundado por oito vizinhos mais próximos em um arranjo cúbico. Além disso, os dióxidos de cério , tório , plutônio e neptúnio têm as mesmas estruturas. Nenhum outro dióxido elementar tem a estrutura de fluorita. Após a fusão, a coordenação UO média medida reduz de 8 no sólido cristalino ( cubos de UO 8 ), para 6,7 ​​± 0,5 (a 3270 K) no fundido. Modelos consistentes com essas medições mostram que o fundido consiste principalmente em unidades poliédricas UO 6 e UO 7 , onde aproximadamente 23 das conexões entre os poliedros compartilham os cantos e 13 compartilham as bordas.

Oxidação

O dióxido de urânio é oxidado em contato com o oxigênio ao octaóxido de triurânio .

3 UO 2 + O 2 → U 3 O 8 a 700 ° C (970 K)

A eletroquímica do dióxido de urânio foi investigada em detalhes, pois a corrosão galvânica do dióxido de urânio controla a taxa de dissolução do combustível nuclear usado . Veja combustível nuclear gasto para mais detalhes. A água aumenta a taxa de oxidação dos metais de plutônio e urânio .

Carbonização

O dióxido de urânio é carbonizado em contato com o carbono , formando carboneto de urânio e monóxido de carbono .

.

Esse processo deve ser feito sob um gás inerte, pois o carboneto de urânio é facilmente oxidado de volta a óxido de urânio .

Usos

Combustível nuclear

O UO 2 é usado principalmente como combustível nuclear , especificamente como UO 2 ou como uma mistura de UO 2 e PuO 2 ( dióxido de plutônio ), denominado óxido misto ( combustível MOX ), na forma de barras de combustível em reatores nucleares .

Observe que a condutividade térmica do dióxido de urânio é muito baixa quando comparada com o urânio , nitreto de urânio , carboneto de urânio e material de revestimento de zircônio . Esta baixa condutividade térmica pode resultar em superaquecimento localizado nos centros dos pellets de combustível. O gráfico abaixo mostra os diferentes gradientes de temperatura em diferentes compostos de combustível. Para esses combustíveis, a densidade de energia térmica é a mesma e o diâmetro de todos os pellets é o mesmo.

Cor para esmalte vitrocerâmico

Contador Geiger (kit sem caixa) reagindo de forma audível a um fragmento laranja do Fiestaware.

O óxido de urânio (urânia) era usado para colorir o vidro e a cerâmica antes da Segunda Guerra Mundial e, até que as aplicações da radioatividade fossem descobertas, esse era seu principal uso. Em 1958, os militares dos Estados Unidos e da Europa permitiram seu uso comercial novamente como urânio empobrecido, e seu uso começou novamente em uma escala mais limitada. Os esmaltes cerâmicos à base de urânia são verdes escuros ou pretos quando queimados em redução ou quando UO 2 é usado; mais comumente é usado na oxidação para produzir esmaltes amarelos, laranja e vermelhos brilhantes. A louça Fiesta de cor laranja é um exemplo bem conhecido de um produto com um esmalte cor de urânia. O vidro de urânio varia entre o verde claro e o amarelo e geralmente tem fortes propriedades fluorescentes. Urania também tem sido usado em formulações de esmalte e porcelana . É possível determinar com um contador Geiger se um esmalte ou vidro produzido antes de 1958 contém urânia.

Outro uso

Antes da percepção da nocividade da radiação, o urânio era incluído na dentição postiça e nas dentaduras, pois sua leve fluorescência fazia com que as dentaduras parecessem mais com dentes reais em uma variedade de condições de iluminação.

O UO 2 esgotado (DUO 2 ) pode ser usado como material de proteção contra radiação . Por exemplo, DUCRETE é um material de " concreto pesado " em que o cascalho é substituído por agregado de dióxido de urânio; este material é investigado para uso em tonéis de rejeitos radioativos . Os tonéis também podem ser feitos de DUO 2 - cermet de aço , um material compósito feito de um agregado de dióxido de urânio que serve como proteção contra radiação, grafite e / ou carboneto de silício servindo como absorvedor e moderador de radiação de nêutrons , e aço como matriz, cuja alta temperatura a condutividade permite a fácil remoção do calor de decomposição.

O dióxido de urânio empobrecido também pode ser usado como um catalisador , por exemplo, para a degradação de compostos orgânicos voláteis na fase gasosa, oxidação do metano em metanol e remoção do enxofre do petróleo . Ele tem alta eficiência e estabilidade de longo prazo quando usado para destruir VOCs quando comparado com alguns dos catalisadores comerciais , como metais preciosos , TiO 2 e catalisadores de Co 3 O 4 . Muitas pesquisas estão sendo feitas nesta área, sendo o DU preferido para o componente de urânio devido à sua baixa radioatividade.

O uso de dióxido de urânio como material para baterias recarregáveis está sendo investigado. As baterias podem ter alta densidade de potência e potencial de 4,7 V por célula. Outra aplicação investigada é em células fotoeletroquímicas para produção de hidrogênio assistida por energia solar, onde o UO 2 é usado como fotoanodo . Antigamente, o dióxido de urânio também era usado como condutor de calor para limitação de corrente (resistor URDOX), que foi o primeiro uso de suas propriedades semicondutoras.

O dióxido de urânio também é o piezomagnético mais forte conhecido no estado antiferromagnético observado em temperaturas criogênicas abaixo de 30 kelvins . O UO 2 exibe uma magnetoestricção linear que muda de sinal com o sinal do campo magnético aplicado e comutação de memória magnetoelástica em campos magnéticos próximos a 180.000 Oe.

Propriedades semicondutoras

O band gap do dióxido de urânio é comparável ao do silício e do arsenieto de gálio , próximo ao ótimo para eficiência vs curva do band gap para absorção da radiação solar, sugerindo seu possível uso para células solares muito eficientes baseadas na estrutura do diodo Schottky ; ele também absorve em cinco comprimentos de onda diferentes, incluindo infravermelho, aumentando ainda mais sua eficiência. Sua condutividade intrínseca à temperatura ambiente é quase a mesma do silício de cristal único .

A constante dielétrica do dióxido de urânio é cerca de 22, que é quase duas vezes mais alta do que do silício (11.2) e GaAs (14,1). Esta é uma vantagem sobre o Si e o GaAs na construção de circuitos integrados , pois pode permitir integração de maior densidade com tensões de ruptura mais altas e com menor suscetibilidade à ruptura do tunelamento CMOS .

O coeficiente de Seebeck do dióxido de urânio à temperatura ambiente é de cerca de 750 µV / K, um valor significativamente maior do que 270 µV / K do telureto de tálio-estanho (Tl 2 SnTe 5 ) e telureto de tálio-germânio (Tl 2 GeTe 5 ) e do bismuto - ligas de telúrio , outros materiais promissores para aplicações de geração de energia termoelétrica e elementos Peltier .

O impacto do decaimento radioativo do 235 U e do 238 U em suas propriedades semicondutoras não foi medido em 2005. Devido à lenta taxa de decaimento desses isótopos, não deve influenciar significativamente as propriedades das células solares de dióxido de urânio e dispositivos termoelétricos, mas pode se tornar um fator importante para os chips VLSI . O uso de óxido de urânio empobrecido é necessário por esse motivo. A captura de partículas alfa emitidas durante o decaimento radioativo como átomos de hélio na estrutura cristalina também pode causar mudanças graduais de longo prazo em suas propriedades.

A estequiometria do material influencia dramaticamente suas propriedades elétricas. Por exemplo, a condutividade elétrica do UO 1.994 é ordens de magnitude menor em temperaturas mais altas do que a condutividade do UO 2.001 .

O dióxido de urânio, como o U 3 O 8 , é um material cerâmico capaz de suportar altas temperaturas (cerca de 2300 ° C, em comparação com no máximo 200 ° C para o silício ou GaAs), tornando-o adequado para aplicações de alta temperatura como dispositivos termofotovoltaicos.

O dióxido de urânio também é resistente a danos por radiação , tornando-o útil para dispositivos rad-hard para aplicações militares e aeroespaciais especiais .

Um diodo Schottky de U 3 O 8 e um transistor pnp de UO 2 foram fabricados com sucesso em um laboratório.

Toxicidade

Sabe-se que o dióxido de urânio é absorvido por fagocitose nos pulmões.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Barrett, SA; Jacobson, AJ; Tofield, BC; Fender, BEF (1982). "A preparação e estrutura do óxido de urânio de bário BaUO3 + x". Acta Crystallographica Section B . 38 (11): 2775. doi : 10.1107 / S0567740882009935 .

links externos