Uranijum-dioksid
Uranijum dioksid ili uranijum(IV) oksid (UO2), takođe uranija i uranijum oksid, oksid je uranijuma i crn radioaktivan kristalni prah koji se u prirodnom obliku javlja kao mineral uraninit. Koristi se kao nuklearno gorivo u izradi šipki kod nuklearnih reaktora. Smeša dioksidā uranijuma i plutonijuma se koristi kao tzv. MOX gorivo. Do 1960. godine korišćen je za bojenje grnčarijskih glazura i stakla u žutu ili crnu boju.
| |
| Nazivi | |
|---|---|
| IUPAC nazivs
Uranijum dioksid
Uranijum(IV) oksid | |
| Drugi nazivi
Urania
Uranijum oksid | |
| Identifikacija | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard | 100.014.273 |
| RTECS | YR4705000 |
| Svojstva | |
| UO2 | |
| Molarna masa | 270,02771 g mol−1 |
| Agregatno stanje | smeđe ili crne granule (prah) |
| Gustina | 10,97 g/cm³ |
| Tačka topljenja | 2865 °C (3140 K) |
| nerastvorljiv | |
| Struktura | |
| Kristalna rešetka/struktura | Fluorit (kubna), cF12 |
| Kristalografska grupa | Fm3m, No. 225 |
| Geometrija molekula | Tetraedralna (O2−); kubna (UIV) |
| Termohemija | |
Standardna molarna
entropija (S |
78 J·mol−1·K−1[1] |
Standardna entalpija
stvaranja (ΔfH |
−1084 kJ·mol−1[1] |
| Opasnosti | |
EU klasifikacija (DSD)
|
Veoma toksičan (T+) Opasan za životnu sredinu (N) |
| R-oznake | R26/28, R33, R51/53 |
| S-oznake | (S1/2), S20/21, S45, S61 |
| Tačka paljenja | N/A |
| Srodna jedinjenja | |
Ukoliko nije drugačije napomenuto, podaci se odnose na standardno stanje materijala (na 25°C [77°F], 100 kPa). | |
 verifikuj (šta je   ?)
| |
| Reference infokutije | |
Dobijanje uredi
Uranijum dioksid se dobija redoks reakcijom uranijum trioksida i vodonika.
- UO
3 + H
2 → UO
2 + H
2O na 700 °C (970 K)
Ova reakcija igra važnu ulogu u stvaranju nuklearnog goriva kroz nuklearnu reciklažu i obogaćivanje uranijuma.
Hemija uredi
Struktura uredi
Uranijum dioksid je u čvrstom stanju izostrukturalan sa (ima istu struktutu kao) fluoritom (kalcijum-fluoridom). Pored tih hemijskih jedinjenja, dioksidi cerijuma, plutonijuma i neptunijuma imaju istu strukturu. Nijedan drugi dioksid u elementalnom obliku nema strukturu fluorita.
Oksidacija uredi
Uranijum dioksid oksidira pri kontaktu triuranijum oktaoksida sa kiseonikom.
- 3 UO
2 + O
2 → U
3O
8 na 700 °C (970 K)
Elektrohemija uranijum dioksida je detaljno istraživana zato što galvanska korozija uranijum dioksida kontroliše brzinu pri kojoj se korišćeno nuklearno gorivo raspada. Voda povećava brzinu oksidacije metala plutonijuma i uranijuma.[2][3]
Karbonizacija uredi
Uranijum dioksid je karbonizovan u kontaktu sa ugljikom, pri čemu se dobija uranijum karbid i ugljen-monoksid.
- UO
2 + 4 C → UC
2 + 2 CO
Ovaj proces se mora izvesti u stanju inertnog gasa jer uranijum karbid veoma brzo oksidira nazad u uranijum oksid.
Upotreba uredi
Nuklearno gorivo uredi
UO2 se uglavnom koristi kao nuklearno gorivo, naročito u oblicima UO2, i smeše UO2 i PuO2 (plutonijum dioksid), čime nastaje gorivo pod imenom „mešoviti oksid” (MOX gorivo) koje se koristi u obliku šipki u nuklearnim reaktorima.
Bitno je spomenuti da je toplotna provodljivost uranijum dioksida veoma mala ako se uporedi sa uranijumom, uranijum nitridom, uranijum karbidom ili cirkonijumom, kao obložnim materijalima. Ova niska toplotna provodljivost može rezultovati lokalizovanim pregrevanjima u centrima peletnog goriva. Grafik ispod pokazuje različite temperaturne gradijente kod određenih jedinjenja goriva. Za sva ova goriva gustina toplotne snage je ista, kao što je i prečnik svih peleta isti.
Boja za keramičku glazuru uredi
Uranijum oksid (urania) je pre Drugog svetskog rata bio korišćen za bojenje stakla i keramike. Keramika bojena na ovaj način je dobijala zelenu ili crnu boju nakon pečenja u redukcionoj atmosferi, odnosno žutu i narandžastu boju nakon pečenja u oksidacionoj atmosferi. Narandžasto obojeni proizvod po imenu Fiestaware je dobro poznat primer proizvoda sa glazurom dobijen korišćenjem uranijum oksida. Urania se takođe koristila i za izradu staklenog emajla, uranijumovog stakla i porcelana. Pomoću Gajger-Milerovog brojača moguće je ustanoviti da li glazura i/ili staklo sadrže uranijum oksid. (Senzor je Gajger-Milerova cev, u kojoj se nalazi inertni gas (najčešće helijum, neon ili argon), koja provodi struju kada čestica ili foton radijacije trenutno omoguće da gas postane provodnik. Cev pojačava ovu provodnost kaskadnim efektom i na izlazu daje trenutni impuls, koji je zatim ispisan na displeju u vidu igle ili lampice.)
Druge upotrebe uredi
Osiromašeni uranijum UO2 (DUO2) se može koristiti kao materijal za zaštitu od radijacije. Na primer, beton od osiromašenog uranijuma (DUCRETE) je „teški” betonski materijal gde je šljunak zamenjen agregatom uranijum dioksida; ovaj materijal prolazi ispitivanja kako bi mogao biti korišćen za izradu bačvi za radioaktivni otpad. Bačve mogu biti izrađene od duo2-čeličnog keramala (kermeta), kompozitnog materijala napravljenog od agregata uranijum dioksida koji služi kao zaštita od radijacije, grafita i/ili silicijum karbida koji služi za apsorpciju i kontrolisanje količine jonizujućeg (neutronskog) zračenja, te od čelika kao kalupa čija visoka toplotna provodljivost omogućava lako neutralizovanje viška toplote.
Osiromašeni uranijum dioksid se takođe može koristiti i kao katalizator, npr. za degradaciju lako isparljivih organskih jedinjenja u gasovitom stanju, oksidaciju metana u metanol, te uklanjanje sumpora iz petroleja. Ima visoku efikasnost i dugotrajnu stabilnost ukoliko se koristi za „uništavanje” lako isparljivih organskih jedinjenja, u poređenju sa komercijalnim katalizatorima, kao što su plemeniti metali, titanijum dioksid (TiO2) ili kobalt oksid (Co3O4). Na ovom području se i dalje vrše mnoga ispitivanja, te se osiromašeni uranijum favorizuje kao važna komponenta uranijuma, zbog njegove male radioaktivnosti.[4]
Korišćenje uranijum dioksida kao materijala za izradu akumulatora se takođe istražuje. Baterije bi mogle imati visoku gustinu snage i potencijal od 4,7 V po ćeliji. Druga aplikacija koja se istražuje je upotreba uranijum dioksida u fotoelektrohemijskim ćelijama za proizvodnju vodonika uz pomoć solarne energije gde bi se UO2 koristio kao fotoanoda. Pre toga, uranijum dioksid se koristio i kao toplotni provodnik za ograničavanje protoka struje (URDOX otpornik), što je i prva njegova upotreba sa svojstvima poluprovodnika.
Poluprovodnička svojstva uredi
Opsežna pukotina uranijum dioksida se može uporediti sa onom silicijuma i galijum arsenida, sa skoro pa optimalnom efikasnošću u odnosu na parabolu opsežne pukotine apsorpcije solarne radijacije, što ukazuje na moguću veliku efikasnost solarnih ćelija baziranih na strukturi Šotki diode; takođe apsobira različite talasne dužine, uključujući infracrvenu, što još više povećava efikasnost. Njegova unutrašnja provodljivost na sobnoj temperaturi je otprilike ista kao i ona jednokristalnog silicijuma.[5]
Dielektrična konstanta uranijum dioksida je oko 22, što je skoro pa duplo veće od silicijumove (11,2) ili galijum arsenidove (14,1) konstante. Ovo znači prednost za Si i GaAs u konstrukciji integrisanih kola, jer može omogućiti visoku gustinu integracije sa visokim „probojnim” naponima i niskom podložnošću raspadima kod tunel efekata pri primeni tehnologije komplementarnog metal-oksid-poluprovodnika.
Koeficijent termoelektrične snage uranijum oksida na sobnoj temperaturi je oko 750 µV/K, što je mnogo više od 270 µV/K kod talijum olovo telurida (Tl2SnTe5), talijum germanijum telurida (Tl2GeTe5) i bizmut-telur legura, te drugih materijala koji „obećavaju” aplikaciju termoelektričnog generatora snage i Peltijerovog elementa.
Uticaj radioaktivnosti 235U i 238U na poluprovodnička svojstva do danas nije izmerena. Male brzine (stope) raspada ovih izotopa ne bi trebalo da svrsishodno imaju bilo kakav uticaj na solarne ćelije uranijum dioksida i termoelektrične uređaje, ali bi mogle postati bitan faktor kod čipova integrisanih kola. Korišćenje osiromašenog uranijum oksida je neophodno baš iz ovog razloga. „Hvatanje” alfa čestica emitovanih tokom radioaktivnosti kao što su atomi helijuma u kristalnoj rešeci takođe može izazvati postepene dugoročne promene u svojstvima.
Stehiometrija materijala dramatično utiče na njegova električna svojstva. Na primer, specifična električna provodnost UO1,994 je red veličine manji na višim temperaturama od provodnost UO2,001.
Uranijum dioksid, kao i triuranijum oktaoksid (U3O8), je keramički materijal koji je u stanju podneti visoke temperature (oko 2300 °C, u poređenju sa najvišom temperaturom od 200 °C za silicijum ili GaAs), što ga čini pogodnim za aplikacije u termofotovoltaičnim uređajima sa radom na visokim temperaturama.
Uranijum dioksid je takođe otporan na oštećenja od strane radijacije, što ga čini korisnim za zaštitu uređaja od visoke radijacije koji se izrađuju za specijalnu vojsku, te za aeronautičke aplikacije.
Šotki dioda žutog kolača (U3O8) i PNP tranzistor uranijum dioksida su uspešno proizvedeni u laboratoriji.[6]
Toksičnost uredi
Uranijum dioksid je poznat po tome što bude apsorbovan u procesu fagocitoze u plućima.[7]
Vidi još uredi
Reference uredi
- ^ a b Zumdahl, Steven S. (2009). Chemical Principles 6th Ed. Houghton Mifflin Company. str. A23. ISBN 978-0-618-94690-7.
- ^ Haschke, John M; Allen, Thomas H; Morales, Luis A (1999). „Reactions of Plutonium Dioxide with Water and Oxygen-Hydrogen Mixtures: Mechanisms for Corrosion of Uranium and Plutonium” (PDF). Pristupljeno 6. 6. 2009.
- ^ Haschke, John M; Allen, Thomas H; Morales, Luis A (2001). „Reactions of plutonium dioxide with water and hydrogen–oxygen mixtures: Mechanisms for corrosion of uranium and plutonium”. Journal of Alloys and Compounds. 314: 78. doi:10.1016/S0925-8388(00)01222-6.
- ^ Hutchings, GJ; Heneghan, Catherine S.; Hudson, Ian D.; Taylor, Stuart H. (1996). „A Uranium-Oxide-Based Catalysts for the Destruction of Volatile Chloro-Organic compounds”. Nature. 384 (6607): 341—343. Bibcode:1996Natur.384..341H. doi:10.1038/384341a0.
- ^ An, Y.Q.; et al. (2011). „Ultrafast Hopping Dynamics of 5f Electrons in the Mott Insulator UO(2) Studied by Femtosecond Pump-Probe Spectroscopy”. Phys. Rev. Lett. 107 (20): 207402. Bibcode:2011PhRvL.106t7402A. PMID 22181773. doi:10.1103/PhysRevLett.106.207402.
- ^ Meek, Thomas T.; Roedern, B. von (2008). „Semiconductor devices fabricated from actinide oxides”. Vacuum. 83 (1): 226—228. doi:10.1016/j.vacuum.2008.04.005.
- ^ Principles of Biochemical Toxicology. Timbrell, John. PA. 2008. ISBN 978-0-8493-7302-2
Literatura uredi
- Zumdahl, Steven S. (2009). Chemical Principles 6th Ed. Houghton Mifflin Company. str. A23. ISBN 978-0-618-94690-7.
- Barrett SA, Jacobson AJ, Tofield BC, Fender BE (1982). „The preparation and structure of barium uranium oxide BaUO3+x”. Acta Crystallographica B. 38 (11): 2775—2781. doi:10.1107/S0567740882009935.
Spoljašnje veze uredi
- „Semiconducting properties of uranium oxides”
- „Free Dictionary Listing for Uranium Dioxide”
- „Uranium dioxide” (International Bio-Analytical Industries, Inc.)