Гидрид урана(III)
| Имена | |
|---|---|
| Другие имена | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| ХимическийПаук | |
ПабХим CID | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| ЭМ-М-М 3 | |
| Молярная масса | 241.05273 g mol −1 |
| Появление | от коричнево-серого до коричневато-черного цвета пирофорный порошок |
| Плотность | 10,95 г см −3 |
| Реагирует | |
| Структура | |
| Кубический, cP32 | |
| Пм 3 н, № 223 | |
а = 18:664,3 [4] | |
| Опасности | |
| точка возгорания | пирофорный |
| Паспорт безопасности (SDS) | ibilabs.com |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Гидрид урана , также называемый тригидридом урана UH 3 ), представляет собой неорганическое соединение и гидрид урана ( .
Характеристики
[ редактировать ]Гидрид урана представляет собой высокотоксичный пирофорный порошок от коричневато-серого до коричневато-черного цвета или хрупкое твердое вещество. Его плотность при 20 °C составляет 10,95 г·см. −3 , значительно ниже, чем у урана (19,1 г см −3 ). Он обладает металлической проводимостью, мало растворим в соляной кислоте и разлагается в азотной кислоте .
Существуют две кристаллические модификации гидрида урана, обе кубические: α-форма, получаемая при низких температурах, и β-форма, выращиваемая при температуре образования выше 250 °C. [5] После роста обе формы метастабильны при комнатной температуре и ниже, но α-форма медленно превращается в β-форму при нагревании до 100 °C. [3] и β-UH 3 ферромагнитны И α- , при температурах ниже ~180 К. Выше 180 К они парамагнитны. [6]
Образование металлического урана
[ редактировать ]Реакция газообразного водорода
[ редактировать ]Воздействие водорода на металлический уран приводит к водородному охрупчиванию . Водород диффундирует через металл и образует сеть хрупкого гидрида по границам зерен . Водород можно удалить и восстановить пластичность путем отжига в вакууме . [7]
Металлический уран, нагретый до 250–300 °C (482–572 °F ), реагирует с водородом с образованием гидрида урана . Дальнейшее нагревание примерно до 500 °C обратимо удалит водород. Это свойство делает гидриды урана удобными исходными материалами для создания реактивного уранового порошка наряду с различными карбидами , нитридами и галогенидами урана . [5] Обратимая реакция протекает следующим образом: [2]
- 2 U + 3 H 2 ⇌ 2 UH 3
Гидрид урана не является межузельным соединением , поэтому металл расширяется при образовании гидрида. В его решетке каждый атом урана окружен 6 другими атомами урана и 12 атомами водорода ; каждый атом водорода занимает большую тетраэдрическую дырку в решетке. [8] Плотность водорода в гидриде урана примерно такая же, как в жидкой воде или жидком водороде . [9] В структуре присутствует связь UHU через атом водорода. [10]
Реакция воды
[ редактировать ]Гидрид урана образуется, когда металлический уран (например, в Magnox топливе с корродированной оболочкой ) подвергается воздействию воды или пара с диоксидом урана в качестве побочного продукта: [8]
- 7 U + 6 H 2 O → 3 UO 2 + 4 UH 3
Образующийся гидрид урана пирофорен; если металл (например, поврежденный топливный стержень ) впоследствии подвергнется воздействию воздуха, может возникнуть чрезмерное тепло, и сам объемный металлический уран может воспламениться. [11] Загрязненный гидридами уран можно пассивировать воздействием газовой смеси 98% гелия и 2% кислорода . [12] Конденсированная влага на металлическом уране способствует образованию водорода и гидрида урана; пирофорная поверхность может образовываться в отсутствие кислорода. [13] Это создает проблему подводного хранения отработавшего ядерного топлива в бассейнах для отработанного топлива . В зависимости от размера и распределения частиц гидрида самовоспламенение может произойти после неопределенной продолжительности воздействия воздуха. [14] Такое воздействие создает риск самовозгорания остатков топлива в хранилищах радиоактивных отходов. [15]
Гидрид урана при контакте с водой выделяет водород. При контакте с сильными окислителями может возникнуть пожар и взрыв. Контакт с галоидоуглеродами может вызвать бурную реакцию. [16]
Другие химические реакции
[ редактировать ]Порошок гидрида урана, пропитанный полистиролом , непирофорен и поддается прессованию, однако его водородно-углеродное соотношение неблагоприятно. Вместо этого в 1944 году был представлен гидрогенизированный полистирол. [17]
Сообщается, что дейтерид урана можно использовать для создания некоторых типов нейтронных инициаторов .
Гидрид урана, обогащенный примерно до 5% урана-235, предлагается в качестве комбинированного ядерного топлива / замедлителя нейтронов для саморегулирующегося ядерного энергетического модуля с водородным замедлителем . Согласно вышеупомянутой заявке на патент, рассматриваемая конструкция реактора начинает вырабатывать электроэнергию, когда газообразный водород при достаточной температуре и давлении поступает в активную зону (состоящую из гранулированного металлического урана) и реагирует с металлическим ураном с образованием гидрида урана. [18] Гидрид урана является одновременно ядерным топливом и замедлителем нейтронов ; очевидно, что он, как и другие замедлители нейтронов, будет достаточно замедлять нейтроны, чтобы обеспечить возможность возникновения реакций деления; Атомы урана-235 в составе гидрида также служат ядерным топливом. Как только ядерная реакция началась, она будет продолжаться до тех пор, пока не достигнет определенной температуры, примерно 800 ° C (1500 ° F), где из-за химических свойств гидрида урана он химически разлагается и превращается в газообразный водород и металлический уран. Потеря замедления нейтронов из-за химического разложения гидрида урана, следовательно, замедлит — и в конечном итоге остановит — реакцию. Когда температура вернется к приемлемому уровню, водород снова соединится с металлическим ураном, образуя гидрид урана, восстановив умеренность, и ядерная реакция начнется снова. [18]
Гидрид урана-циркония (UZrH), комбинация гидрида урана и гидрида циркония (II) , используется в качестве топлива/замедлителя в реакторах класса TRIGA .
При нагревании с дибораном из гидрида урана образуется борид урана . [19] Из брома при 300 °C бромид урана (IV) образуется . С хлором при 250 ° C хлорид урана (IV) образуется . Фтороводород при 20 ° C образует фторид урана (IV) . Хлорид водорода при 300 ° C дает хлорид урана (III) . Бромистый водород при 300 ° C дает бромид урана (III) . Йодид водорода при 300 ° C образует йодид урана (III) . Аммиак при 250 °C образует нитрид урана(III) . Сероводород при 400 °C образует сульфид урана(IV) . Кислород при 20 °C образует окись триурана . Вода при температуре 350°C производит диоксид урана . [20]
Ион гидрида урана может мешать некоторым масс-спектрометрическим измерениям, проявляясь в виде пика с массой 239, создавая ложное увеличение сигнала для плутония-239. [21]
История
[ редактировать ]Пули из гидрида урана использовались в серии экспериментов « щекотка хвоста дракона » для определения критической массы урана. [22]
Гидрид урана и дейтерид урана были предложены в качестве делящегося материала для уран-гидридной бомбы . Однако испытания с гидридом и дейтеридом урана во время операции «Апшот – Нотхол» оказались разочаровывающими. На ранних этапах Манхэттенского проекта , в 1943 году, гидрид урана исследовался как перспективный материал для бомбы; от него отказались в начале 1944 года, поскольку оказалось, что такая конструкция неэффективна. [23]
Приложения
[ редактировать ]Водород, дейтерий и тритий можно очистить путем взаимодействия с ураном, а затем термического разложения образовавшегося гидрида/дейтерида/тритида. [24] Чрезвычайно чистый водород получают из слоев гидрида урана на протяжении десятилетий. [25] Нагревание гидрида урана — удобный способ введения водорода в вакуумную систему. [26]
Набухание и измельчение при синтезе гидрида урана можно использовать для получения очень мелкого металлического урана, если порошкообразный гидрид термически разлагается.
Гидрид урана может быть использован для разделения изотопов водорода , получения порошка металлического урана, а также в качестве восстановителя .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Карл Л. Явс (2008). Теплофизические свойства химических веществ и углеводородов . Уильям Эндрю. стр. 307–. ISBN 978-0-8155-1596-8 . Проверено 11 октября 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б Эгон Виберг; Нильс Виберг; Арнольд Фредерик Холлеман (2001). Неорганическая химия . Академическая пресса. стр. 239–. ISBN 978-0-12-352651-9 . Проверено 11 октября 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б Герд Мейер; Лестер Р. Морсс (1991). Синтез соединений лантаноидов и актинидов . Спрингер. стр. 44–. ISBN 978-0-7923-1018-1 . Проверено 11 октября 2011 г.
- ^ Барчер В.; Бёф А.; Качуффо Р.; Фурнье Ж.М.; Кухс В.Ф.; Ребизант Ж.; Рустичелли Ф (1985). «Нейтронографическое исследование b-UD3 И b-UH3». Твердотельная коммуникация . 53 : 423–426. дои : 10.1016/0038-1098(85)91000-2 .
- ^ Перейти обратно: а б Сиборг, Гленн Т. (1968). "Уран". Энциклопедия химических элементов . Скоки, Иллинойс : Reinhold Book Corporation. п. 782. LCCCN 68-29938.
- ^ KHJ Бушоу (2005). Краткая энциклопедия магнитных и сверхпроводящих материалов . Эльзевир. стр. 901–. ISBN 978-0-08-044586-1 . Проверено 11 октября 2011 г.
- ^ И. Н. Туманов (2003). Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле . Издательство Нова. п. 232. ИСБН 1-59033-009-9 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Перейти обратно: а б Амит Арора (2005). Учебник неорганической химии . Издательство Дискавери. п. 789. ИСБН 81-8356-013-Х . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Питер Геворкян (2009). Альтернативные энергетические системы в проектировании зданий (GreenSource Books) . МакГроу Хилл Профессионал. п. 393. ИСБН 978-0-07-162147-2 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Г. Сингх (2007). Загрязнение окружающей среды . Издательство Дискавери. ISBN 978-81-8356-241-6 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ «Ржавчина никогда не спит» . Бюллетень ученых-атомщиков . 50 (5): 49. 1994 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ «ЕМСП» . Teton.if.uidaho.edu. Архивировано из оригинала 30 сентября 2009 г. Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Агентство ОЭСР по ядерной энергии (2006 г.). Усовершенствованные ядерные топливные циклы и обращение с радиоактивными отходами . Издательство ОЭСР. п. 176. ИСБН 92-64-02485-9 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Абир аль-Таббаа ; Дж. А. Стегеманн (2005). Обработка и восстановление стабилизации/затвердевания: материалы Международной конференции по лечению и восстановлению стабилизации/затвердевания, 12–13 апреля 2005 г., Кембридж, Великобритания . Тейлор и Фрэнсис. п. 197. ИСБН 0-415-37460-Х . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Международная конференция по ядерному разложению 2001 г.: обеспечение безопасного, надежного и успешного вывода из эксплуатации: 16–18 октября 2001 г., Центр конференций и мероприятий Содружества, Лондон, Великобритания, выпуск 8 . Джон Уайли и сыновья. 2001. с. 278. ИСБН 1-86058-329-6 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ «Уран и нерастворимые соединения» . Оша.гов. Архивировано из оригинала 22 марта 2010 г. Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Лилиан Ходдесон; и др. (2004). Критическая ассамблея: техническая история Лос-Аламоса в годы Оппенгеймера, 1943–1945 . Издательство Кембриджского университета. п. 211. ИСБН 0-521-54117-4 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Перейти обратно: а б Петерсон, Отис Г. (20 марта 2008 г.). «Заявка на патент 11/804450: Саморегулирующийся ядерный энергетический модуль» . Публикация заявки на патент США . Ведомство США по патентам и товарным знакам, Федеральное правительство США, Вашингтон, округ Колумбия, США . Проверено 5 сентября 2009 г.
- ^ Гарри Юлиус Эмелеус (1974). Успехи неорганической химии и радиохимии . Том. 16. Академическая пресса. п. 235. ИСБН 0-12-023616-8 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Саймон Коттон (2006). Химия лантаноидов и актинидов . Джон Уайли и сыновья. п. 170. ИСБН 0-470-01006-1 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Кентон Джеймс Муди; Ян Д. Хатчеон; Патрик М. Грант (2005). Ядерно-криминалистический анализ . ЦРК Пресс. п. 243. ИСБН 0-8493-1513-1 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ «Фото – Щекотка хвоста дракона» . Mphpa.org. 3 августа 2005 г. Архивировано из оригинала 18 февраля 2010 г. Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Мур, Майк (июль 1994 г.). «Хорошо лежишь» . Бюллетень ученых-атомщиков . 50 (4): 2. Бибкод : 1994БуАтС..50д...2М . дои : 10.1080/00963402.1994.11456528 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Э. Э. Шпильрайн (1987). Теплофизические свойства гидридов, дейтеридов и тритидов лития и их растворов с литием . Спрингер. п. 104. ИСБН 0-88318-532-6 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Юда Юрум (1995). Водородная энергетическая система: производство и использование водорода и будущие аспекты . Спрингер. п. 264. ИСБН 0-7923-3601-1 . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ Фред Роузбери (1992). Справочник по электронной ламповой и вакуумной технике . Спрингер. п. 121. ИСБН 1-56396-121-0 . Проверено 7 февраля 2010 г.