铀化合物指的是铀与其他的元素组成的
纯净物。铀在不同情况下,可以生成U(Ⅲ)、U(Ⅳ)和U(Ⅵ)的各种铀化合物,其中最稳定的是U(Ⅵ)的化合物,其次是U(Ⅳ)的化合物。铀化合物主要包括氧化物、氢化物、碳化物、氮化物、氯化物、氟化物、硅化物、溴化物以及碘化物等。词条对上述铀化合物进行了详细介绍。
简介
铀(Uranium)是一种银白色金属化学元素,属于元素周期表中的锕系,化学符号为U,原子序为92。每个铀原子有92个质子和92个电子,其中6个为价电子。铀具微放射性,其同位素都不稳定,并以铀-238(146个中子)和铀-235(143个中子)最为常见。
铀在不同情况下,可以生成U(Ⅲ)、U(Ⅳ)和U(Ⅵ)的各种铀化合物,其中最稳定的是U(Ⅵ)的化合物,其次是U(Ⅳ)的化合物。铀化合物主要包括氧化物、氢化物、碳化物、氮化物、氯化物、氟化物、硅化物、溴化物以及碘化物等。词条对上述铀化合物进行了详细介绍。
氧化物
二氧化铀
分子式:UO2
二氧化铀是深褐色粉末,密度为10.97克/厘米3,熔点2878°C。二氧化铀具有半导体性质,电阻率随温度升高而下降。由于二氧化铀具有受强辐照时不发生异性变形、在高温下晶格结构不变、不挥发和不与水发生化学反应等特性,已广泛用于制造反应堆燃料元件。
二氧化铀在室温下较稳定,但在空气中加热到200°C以上时会氧化成八氧化三铀。二氧化铀在高温下能与氟化氢、氟化铵等作用生成四氟化铀;溶解在过氧化氢的碱溶液中,生成过氧铀酸盐。二氧化铀可用金属热还原法还原成金属铀,还原剂常用钙和镁。
具有工业意义的二氧化铀制备方法有两种:
①高温还原法 三氧化铀或八氧化三铀在800~900°C与氢进行还原反应而得;或用氨作还原剂,在550°C也可制得二氧化铀。
②热分解法重铀酸铵(NH)UO、三碳酸铀酰铵(NH)[UO(CO)]及草酸铀酰UOCO等铀盐,在隔绝空气的情况下热分解,生成三氧化铀,分解产生的还原性气体,可进一步将三氧化铀还原成二氧化铀。分解温度约为450°C,还原温度为650~800°C。
三氧化铀
分子式:UO3
三氧化铀随着生成条件不同,具有无定形和多种晶体结构,至少有六种晶体异构体,并各具有不同的特性。其颜色通常为橙色,随着晶体结构不同,颜色也不同。
几乎所有的铀酰盐、铀酰铵复盐、铀酸铵盐在空气中煅烧,都可生成三氧化铀。工业上最常用的制备方法是三碳酸铀酰铵、硝酸铀酰UO(NO)、重铀酸铵及铀的水合过氧化物在400°C下热分解。
八氧化三铀
分子式:U3O8
八氧化三铀粉末的颜色随制备的温度不同而呈橄榄绿、墨绿,有时呈黑色。三氧化铀在温度大于500°C时,即可转化为八氧化三铀。重铀酸铵在800°C热分解也可得到八氧化三铀。
氢化物
分子式:UH3
性质:反应性很强。细粒UH3在空气中或氧中于-76℃可自燃;它与水发生剧烈反应,其程度取决于反应物的相对量和接触速度;与卤代有机溶剂的反应是危险的,非卤代有机溶剂不能溶解氢化铀或不发生反应;与热浓硫酸反应较快。铀在氢气中加热可制得氢化铀,250℃时该反应非常迅速。铀与沸水或蒸汽反应也生成氢化铀。
氢化铀是实验室中由铀制备大部分铀化合物的中间产物。块状金属铀在250°C时与氢迅速反应,生成黑色粉末状氢化铀,温度高于400°C时,氢化铀开始分解,可得高活性细粉末状的铀。这种铀特别适于合成铀的化合物,这是氢化铀最主要的用途。
碳化物
碳化铀都是相对惰性的半金属物质,能少许溶于酸中,并会与水反应及在空气中燃点形成U3O8。铀的碳化物包括一碳化铀(UC)、二碳化铀(UC2)和三碳化二铀(U2C3)。向熔化铀加入碳,或在高温下把铀金属置于一氧化碳中,可产生UC和UC2。U2C3在1800°C以下稳定,通过对UC和UC2的混合物进行机械施压可以形成。
一碳化铀
分子式:UC
黑色粉末,具有NaCl型面心立方结构。密度13.63g/cm3。熔点(2375±100)℃。常温下,与水慢慢反应,加热使反应变快,生成UO2、CH4和高级烃。400℃时,无论在氧气或空气中都着火而生成U3O8和CO2。1100℃时,与氮气生成氮化物。室温下,与浓酸反应缓慢,加热后反应剧烈。可通过控制元素的比例和温度,直接使元素化合而成,亦可用铀与甲烷等烃类气体反应制得。与许多难熔金属及碳化锆等有相容性,故可用锆、铌、钛、钒等溶于一碳化铀中增加其机械强度,提高防腐蚀性,可用作核反应堆的释热元件
二碳化铀
分子式:UC2
组成在UC1.85与UCl.94之间。密度11.7g/cm3。熔点2450℃±75℃。1800℃由四方结构转变为立方结构。呈金属性,可导热导电。常温下,与水反应缓慢,加热使反应变快。在空气中慢慢分解。与氟一起稍微加热就会爆炸。室温下,与浓酸反应缓慢;碱可分解它。铀碳化物的制备可通过控制元素的比例和温度,直接使元素化合而成。
三碳化二铀
分子式:U2C3
性质:一碳化铀和二碳化铀的混合物在1300~1800℃加热生成倍半碳化物三碳化二铀。在1800℃以上则分解成一碳化铀和二碳化铀。三碳化二铀也具有铀碳化物(一碳化铀、三碳化二铀)的特性。 铀的碳化物具有独特的金属传导性,其熔点和硬度都很高,适于做核燃料。共有三种碳化铀:UC、UC和UC。UC和分散在石墨中的UC,是高温反应堆使用的核燃料形式。将氢化铀分解而得的细铀粉末与甲烷作用,在650°C生成UC,在950°C以上生成UC。也可用碳还原氟化铀,然后用真空电弧熔化及浇铸而得UC。
氮化物
浅灰色粉末,体心立方结构,熔点~2630℃,理论密度值为14.32g/cm3,具金属性,是热和电的良导体。温度在300℃以下时,与水反应缓慢,生成一层二氧化铀保护层。溶于硝酸、浓高氯酸或热磷酸,不溶于热的或冷的盐酸、硫酸或氢氧化钠溶液。与熔融碱反应迅速。UN与潮湿空气或水能迅速进行反应。易于氧化,温度低于1200℃制得的氮化铀,在空气中室温下就可着火。加热铀和氮到400℃以上,得到的是氮化铀、三氮化二铀和二氮化铀(UN,U2N3和UN2)混合物;在高于1200℃的1个大气压的氮气中仅氮化铀是稳定的。通常在2.0MPa的氮气中电弧熔融金属铀制备。是潜在的核燃料,其铀原子密度高、慢化能力低和熔点高,可作为快中子堆的改进型燃料。
氯化物
三氯化铀
分子式:UCl3
性质:橄榄绿色晶体。具放射性和吸湿性。相对密度5.51。熔点842℃。易溶于水、酸和冰醋酸,不溶于四氯化碳、三氯甲烷、丙酮等有机溶剂。一种强还原剂。在空气中不稳定。由氢在59℃还原四氯化铀或在250~300℃时用氯化氢与铀的氢化物反应而得。也可由氢还原四氯化铀制得。
四氯化铀
分子式:UCl4
性质:亦称氯化铀。深绿色晶体。有毒!具放射性和强吸湿性。挥发性高。相对密度4.87。熔点590℃。沸点792℃。溶于水和极性溶剂。在空气中易氧化。由八氧化三铀和碳混合物在氯气中加热制得。
五氯化铀
分子式:UCl5
可由三氧化铀与四氯化碳或氯反应制得其结构为氯桥的二聚体(在固相和蒸气相中)。该二聚体又称二-μ-氯八氯合二铀(V)U2Cll0。熔点327℃(估算而得)。溶于二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳中。能与稀土元素(Ⅰ)的氧化物、氢氧化物、碳氧化物及水反应。制法:(1)三氧化铀、四氯化硅在400℃反应;(2)四氯化铀与氯在500℃反应;(3)三氧化铀与四氯化碳在高压、250℃反应。五氯化铀有α型和β型。α型为棕色晶体。易吸湿。由八氧化三铀与四氯化碳在400℃下反应,再经冷却至100℃而得。β型为红棕色晶体。易吸湿。由五氟化铀与三氯化硼反应制得。
六氯化铀
分子式:UCl6
性质:绿色晶体。固体中含有独立的六氯化铀分子。密度3.59g/cm3。熔点177.5℃。沸点75℃(真空中)。溶于四氯化碳、三氯甲烷。在潮湿空气中水解。与水剧烈反应生成氧氯化铀(UCl2O2)。制法:(1)八氧化三铀与氯、碳在380℃反应。(2)在真空中加热五氯化铀至120~150℃。(3)六氟化铀与三氯化硼在-100℃反应。(4)六氟化铀与氯化铝反应。用作化学试剂
氟化物
四氟化铀
分子式:UF4
性质:是铀的最重要化合物之一。呈翠绿色的粉末。熔点1036℃。密度(25℃)6.70g/cm3。在空气中稳定,氧气氛中加热至800℃时转变为UF6和UO2F2。不溶于水,溶于酸和碱。氨-过氧化氢混合物剧烈反应生成可溶性过氧铀酸盐。四氟化铀的制备方法不同,其堆密度也不同,通常在1.5~3.5g/cm3范围内。是生产金属铀和六氟化铀的原料,通过钙(镁)金属热还原法生产金属铀,通过氟气(F2)氟化生产六氟化铀。四氟化铀的工业制备有干法和湿法两条途径。用以制备六氟化铀和铀。
六氟化铀
分子式:UF6
黄色单斜晶体,相对密度4.68(21℃),熔点69.2(202.65千帕)℃,极易溶于水,溶于氯仿、四氯化碳,不溶于二硫化碳。常用于富集铀235作核燃料。:由四氟化铀经氟化而制得。
硅化物
分子式:USi
铀的硅化物主要是硅化铀USi,它的密度高(15.6克/厘米3),寄生中子吸收截面低,同时对水有良好的耐腐蚀性。初步辐照试验已证明,它是一个潜在的有用的核燃料。硅化铀可用真空感应炉熔化铀和硅制得,由于其组成范围很窄,实际上很少得到单相合金,往往含有过量的铀或USi。
溴化物
三溴化铀
分子式:UBr3
性质:暗褐色固体。密度5.98g/cm3。熔点-730℃。具强吸湿性。易溶于水并放出氢气;溶于极性溶剂,溶解时常伴随化学反应;几乎不溶于非极性溶剂。它与大多数金属反应,腐蚀性很强。通常用金属铀与溴蒸气在570℃直接化合来制备它。用以制备四溴化铀。
四溴化铀
分子式:UBr4
性质:棕色晶体。具放射性。相对密度5.35。熔点516℃。沸点792℃。化学稳定性差。易溶于水,并发生强烈水解,亦溶于极性溶剂。不溶于非极性液体,而溶于极性溶剂。醋酸、甲醇、酚及苯胺均能与UBr4反应放出溴化氢。在165℃由三氧化铀与四溴化碳作用或在300℃溴化三溴化铀制得。
碘化物
分子式:UI4
性质:黑色固体,密度6.76g/cm3。熔点506℃。沸点759℃。具有吸湿性,易溶于水并强烈水解。氧或干燥的空气在室温能将UI4转化成UO2I2,提高温度则转化为U3O8。室温下,UI4能与氯反应。制备UI4可用化学计量的碘蒸馏到装有细粒铀的真空室中,保持一定的碘分压,加热可制得UI4。