De dióxido de uranio o de óxido de uranio (IV) ( U O 2 ) , también conocido como urania o óxido de uranoso , es un óxido de uranio , y es un negro, radiactivo , cristalina en polvo que se produce naturalmente en el mineral uraninita . Se utiliza en barras de combustible nuclear en reactores nucleares . Como combustible MOX se utiliza una mezcla de dióxido de uranio y plutonio . Antes de 1960, se utilizaba como color amarillo y negro en esmaltes cerámicos y vidrio.
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| Nombres | |
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| Nombres IUPAC Dióxido de uranio Óxido de uranio (IV) | |
| Otros nombres Urania óxido uranoso | |
| Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
| ChemSpider | |
| Tarjeta de información ECHA | 100.014.273  |
| Número CE |
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PubChem CID | |
| Número RTECS |
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| UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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| Propiedades | |
| UO 2 | |
| Masa molar | 270,03 g / mol |
| Apariencia | polvo negro |
| Densidad | 10,97 g / cm 3 |
| Punto de fusion | 2.865 ° C (5.189 ° F; 3.138 K) |
| insoluble | |
| Estructura | |
| Fluorita (cúbica), cF12 | |
| Fm 3 m, No. 225 | |
a = 547,1 p. m. [1] | |
| Tetraédrico (O 2 - ); cúbico (U IV ) | |
| Termoquímica | |
Entropía molar estándar ( S | 78 J · mol −1 · K −1 [2] |
| −1084 kJ · mol −1 [2] | |
| Peligros | |
| Ficha de datos de seguridad | ICSC 1251 |
| Pictogramas GHS |    |
| Palabra de señal GHS | Peligro |
Declaraciones de peligro GHS | H300 , H330 , H373 , H400 , H410 , H411 |
Consejos de prudencia del SGA | P260 , P264 , P270 , P271 , P273 , P284 , P301 + 310 , P304 + 340 , P310 , P314 , P320 , P321 , P330 , P391 , P403 + 233 , P405 , P501 |
| NFPA 704 (diamante de fuego) |  4 0 0 |
| punto de inflamabilidad | N / A |
| Compuestos relacionados | |
Óxidos de uranio relacionados | Octóxido de triuranio Trióxido de uranio |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
 verificar ( ¿qué es ?)  | |
| Referencias de Infobox | |
Producción
El dióxido de uranio se produce reduciendo el trióxido de uranio con hidrógeno .
- UO 3 + H 2 → UO 2 + H 2 O a 700 ° C (973 K)
Esta reacción juega un papel importante en la creación de combustible nuclear mediante el reprocesamiento nuclear y el enriquecimiento de uranio .
Química
Estructura
El sólido es isoestructural con (tiene la misma estructura que) fluorita ( fluoruro de calcio ), donde cada U está rodeada por ocho O vecinos más cercanos en una disposición cúbica. Además, los dióxidos de cerio , torio , plutonio y neptunio tienen las mismas estructuras. Ningún otro dióxido elemental tiene la estructura de fluorita. Tras la fusión, la coordinación UO media medida se reduce de 8 en el sólido cristalino (UO 8 cubos) a 6,7 ± 0,5 (a 3270 K) en la masa fundida. [3] Los modelos consistentes con estas medidas muestran que la masa fundida consiste principalmente en unidades poliédricas UO 6 y UO 7 , donde aproximadamente 2 ⁄ 3 de las conexiones entre poliedros comparten esquinas y 1 ⁄ 3 comparten el borde. [3]
Dióxido de uranio
Pellet de dióxido de uranio sinterizado
Oxidación
El dióxido de uranio se oxida en contacto con el oxígeno al octaóxido de triuranio .
- 3 UO 2 + O 2 → U 3 O 8 a 700 ° C (970 K)
La electroquímica del dióxido de uranio se ha investigado en detalle, ya que la corrosión galvánica del dióxido de uranio controla la velocidad a la que se disuelve el combustible nuclear usado . Consulte combustible nuclear gastado para obtener más detalles. El agua aumenta la tasa de oxidación de los metales plutonio y uranio . [4] [5]
Carbonización
El dióxido de uranio se carboniza en contacto con el carbono , formando carburo de uranio y monóxido de carbono .
UO 2 + 4 C → UC 2 + 2 CO
Este proceso debe realizarse bajo un gas inerte, ya que el carburo de uranio se oxida fácilmente de nuevo a óxido de uranio .
Usos
Combustible nuclear
El UO 2 se utiliza principalmente como combustible nuclear , específicamente como UO 2 o como una mezcla de UO 2 y PuO 2 ( dióxido de plutonio ) llamado óxido mixto ( combustible MOX ), en forma de barras de combustible en reactores nucleares .
Tenga en cuenta que la conductividad térmica del dióxido de uranio es muy baja en comparación con el uranio , el nitruro de uranio , el carburo de uranio y el material de revestimiento de circonio . Esta baja conductividad térmica puede provocar un sobrecalentamiento localizado en los centros de los pellets de combustible. El siguiente gráfico muestra los diferentes gradientes de temperatura en diferentes compuestos de combustible. Para estos combustibles, la densidad de potencia térmica es la misma y el diámetro de todos los pellets es el mismo. [ cita requerida ]
Pellet de combustible de óxido de uranio
Contenedores de material de partida para la producción de pellets de combustible de dióxido de uranio en una planta en Rusia
La conductividad térmica del circonio metálico y el dióxido de uranio en función de la temperatura.
Color para esmalte de vitrocerámica
El óxido de uranio (urania) se utilizó para colorear el vidrio y la cerámica antes de la Segunda Guerra Mundial, y hasta que se descubrieron las aplicaciones de la radiactividad, este era su principal uso. En 1958, las fuerzas armadas de EE. UU. Y Europa permitieron nuevamente su uso comercial como uranio empobrecido, y su uso comenzó de nuevo en una escala más limitada. Los esmaltes cerámicos a base de uranio son de color verde oscuro o negro cuando se cuecen en una reducción o cuando se usa UO 2 ; más comúnmente se usa en oxidación para producir esmaltes de color amarillo, naranja y rojo brillante. [6] Fiestaware de color naranja es un ejemplo bien conocido de un producto con un esmalte de color urania. El vidrio de uranio es de color verde pálido a amarillo y, a menudo, tiene fuertes propiedades fluorescentes. Urania también se ha utilizado en formulaciones de esmalte y porcelana . Es posible determinar con un contador Geiger si un esmalte o vidrio producido antes de 1958 contiene urania.
Otro uso
Antes de darse cuenta de la nocividad de la radiación, se incluía uranio en las dentaduras postizas y las dentaduras postizas, ya que su ligera fluorescencia hacía que las dentaduras postizas parecieran más dientes reales en una variedad de condiciones de iluminación.
El UO 2 empobrecido (DUO 2 ) se puede utilizar como material de protección contra la radiación . Por ejemplo, DUCRETE es un material de " hormigón pesado " donde la grava se reemplaza con agregado de dióxido de uranio; este material se investiga para su uso en toneles de desechos radiactivos . Los toneles también pueden estar hechos de DUO 2 - cermet de acero , un material compuesto hecho de un agregado de dióxido de uranio que sirve como blindaje contra la radiación, el grafito y / o carburo de silicio que sirve como absorbedor y moderador de la radiación de neutrones , y el acero como matriz, cuya la conductividad permite una fácil eliminación del calor de descomposición. [ cita requerida ]
El dióxido de uranio empobrecido también se puede utilizar como catalizador , por ejemplo, para la degradación de compuestos orgánicos volátiles en fase gaseosa, oxidación de metano a metanol y eliminación de azufre del petróleo . Tiene alta eficiencia y estabilidad a largo plazo cuando se usa para destruir COV en comparación con algunos de los catalizadores comerciales , como los catalizadores de metales preciosos , TiO 2 y Co 3 O 4 . Se están realizando muchas investigaciones en esta área, favoreciendo el DU para el componente de uranio debido a su baja radiactividad. [7]
Se está investigando el uso de dióxido de uranio como material para baterías recargables . Las baterías pueden tener una alta densidad de potencia y un potencial de 4,7 V por celda. Otra aplicación investigada es en células fotoelectroquímicas para la producción de hidrógeno asistida por energía solar, donde se utiliza UO 2 como fotoanodo . En épocas anteriores, el dióxido de uranio también se utilizó como conductor de calor para la limitación de corriente (resistencia URDOX), que fue el primer uso de sus propiedades semiconductoras. [ cita requerida ]
El dióxido de uranio es también el piezomagnético conocido más fuerte en el estado antiferromagnético observado a temperaturas criogénicas por debajo de 30 kelvin . UO 2 muestra una magnetoestricción lineal que cambia de signo con el signo del campo magnético aplicado, y la memoria magnetoelástica cambia en campos magnéticos cercanos a 180.000 Oe. [8]
Propiedades de semiconductores
La banda prohibida del dióxido de uranio es comparable a las del silicio y el arseniuro de galio , cerca del óptimo de eficiencia frente a la curva de banda prohibida para la absorción de la radiación solar, lo que sugiere su posible uso para células solares muy eficientes basadas en la estructura del diodo Schottky ; también absorbe en cinco longitudes de onda diferentes, incluido el infrarrojo, lo que mejora aún más su eficiencia. Su conductividad intrínseca a temperatura ambiente es aproximadamente la misma que la del silicio monocristalino . [9]
La constante dieléctrica del dióxido de uranio es de aproximadamente 22, que es casi el doble que la del silicio (11.2) y GaAs (14.1). Esta es una ventaja sobre Si y GaAs en la construcción de circuitos integrados , ya que puede permitir una integración de mayor densidad con voltajes de ruptura más altos y con menor susceptibilidad a la ruptura de túneles CMOS .
El coeficiente de Seebeck del dióxido de uranio a temperatura ambiente es de aproximadamente 750 µV / K, un valor significativamente superior a los 270 µV / K del telururo de talio y estaño (Tl 2 SnTe 5 ) y del telururo de talio germanio (Tl 2 GeTe 5 ) y del bismuto - aleaciones de telurio , otros materiales prometedores para aplicaciones de generación de energía termoeléctrica y elementos Peltier .
El impacto de la desintegración radiactiva del 235 U y 238 U en sus propiedades semiconductoras no se midió en 2005.[actualizar]. Debido a la lenta tasa de desintegración de estos isótopos, no debería influir significativamente en las propiedades de las células solares de dióxido de uranio y los dispositivos termoeléctricos, pero puede convertirse en un factor importante para los chips VLSI . El uso de óxido de uranio empobrecido es necesario por este motivo. La captura de partículas alfa emitidas durante la desintegración radiactiva como átomos de helio en la red cristalina también puede provocar cambios graduales a largo plazo en sus propiedades. [ cita requerida ]
La estequiometría del material influye drásticamente en sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, la conductividad eléctrica de UO 1.994 es órdenes de magnitud más baja a temperaturas más altas que la conductividad de UO 2.001 .
El dióxido de uranio, como el U 3 O 8 , es un material cerámico capaz de soportar altas temperaturas (alrededor de 2300 ° C, en comparación con un máximo de 200 ° C para el silicio o GaAs), lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta temperatura como dispositivos termofotovoltaicos.
El dióxido de uranio también es resistente al daño por radiación , lo que lo hace útil para dispositivos rad-duros para aplicaciones militares y aeroespaciales especiales .
Un diodo Schottky de U 3 O 8 y un transistor pnp de UO 2 se fabricaron con éxito en un laboratorio. [10]
Toxicidad
Se sabe que el dióxido de uranio se absorbe por fagocitosis en los pulmones. [11]
Ver también
- Cleveite
- Ducrete
- Óxido de uranio
Referencias
- ^ Leinders, Gregory; Cardinaels, Thomas; Binnemans, Koen; Verwerft, Marc (2015). "Mediciones precisas de parámetros de celosía de dióxido de uranio estequiométrico" . Revista de materiales nucleares . 459 : 135–42. Código Bibliográfico : 2015JNuM..459..135L . doi : 10.1016 / j.jnucmat.2015.01.029 .
- ^ a b Zumdahl, Steven S. (2009). Principios químicos 6th Ed . Compañía Houghton Mifflin. pag. A23. ISBN 978-0-618-94690-7.
- ^ a b Skinner, LB; Benmore, CJ; Weber, JKR; Williamson, MA; Tamalonis, A .; Hebden, A .; Wiencek, T .; Concejal, OLG; Guthrie, M .; Leibowitz, L .; Parise, JB (2014). "Estructura y dinámica del dióxido de uranio fundido" . Ciencia . 346 (6212): 984–7. Código bibliográfico : 2014Sci ... 346..984S . doi : 10.1126 / science.1259709 . OSTI 1174101 . PMID 25414311 .
- ^ Haschke, John M; Allen, Thomas H; Morales, Luis A (1999). "Reacciones de dióxido de plutonio con agua y mezclas de oxígeno-hidrógeno: mecanismos de corrosión de uranio y plutonio" (PDF) . Consultado el 6 de junio de 2009 .
- ^ Haschke, John M; Allen, Thomas H; Morales, Luis A (2001). "Reacciones de dióxido de plutonio con agua y mezclas de hidrógeno-oxígeno: Mecanismos de corrosión del uranio y plutonio". Revista de aleaciones y compuestos . 314 (1–2): 78–91. doi : 10.1016 / S0925-8388 (00) 01222-6 .
- ^ Örtel, Stefan. Uran in der Keramik. Geschichte - Technik - Hersteller .
- ^ Hutchings, Graham J .; Heneghan, Catherine S .; Hudson, Ian D .; Taylor, Stuart H. (1996). "Catalizadores a base de óxido de uranio para la destrucción de compuestos cloroorgánicos volátiles". Naturaleza . 384 (6607): 341–3. Código Bibliográfico : 1996Natur.384..341H . doi : 10.1038 / 384341a0 .
- ^ M. Jaime y col. (2017), Piezomagnetismo y memoria magnetoelástica en dióxido de uranio. Nature Communications 8 , 99.
- ^ An, Yong Q .; Taylor, Antoinette J .; Conradson, Steven D .; Trugman, Stuart A .; Durakiewicz, Tomasz; Rodríguez, George (2011). "Dinámica de salto ultrarrápido de electrones de 5 f en el aislador Mott UO 2 estudiado por espectroscopia de bomba-sonda de femtosegundos". Cartas de revisión física . 106 (20): 207402. Código Bibliográfico : 2011PhRvL.106t7402A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.106.207402 . PMID 21668262 .
- ^ Manso, Thomas T .; von Roedern, B. (2008). "Dispositivos semiconductores fabricados a partir de óxidos de actínidos". De vacío . 83 (1): 226–8. Código Bibliográfico : 2008Vacuu..83..226M . doi : 10.1016 / j.vacuum.2008.04.005 .
- ^ Principios de toxicología bioquímica. Timbrell, John. PA 2008 ISBN 0-8493-7302-6 [ página necesaria ]
Otras lecturas
- Barrett, SA; Jacobson, AJ; Tofield, BC; Fender, BEF (1982). "La preparación y estructura del óxido de bario y uranio BaUO3 + x". Acta Crystallographica Sección B . 38 (11): 2775. doi : 10.1107 / S0567740882009935 .
enlaces externos
- Propiedades semiconductoras de los óxidos de uranio
- Listado de diccionario gratuito para dióxido de uranio
- El dióxido de uranio International Bio-Analytical Industries, Inc.