Thực đơn
Urani
Bánh urani vàng (yellowcake) đã được nhiệt phân là sản phẩm được sản xuất công nghiệp chứa các nhóm urani có trạng thái ôxi hóa khác nhau từ thấp nhất đến cao nhất. Các hạt có thời gian lưu giữ ngắn trong lò nung sẽ ít bị ôxi hóa hơn những hạt có thời gian lưu giữ dài hơn. Hàm lượng urani thường được tính theo U3O8, kể từ những ngày thực hiện dự án Manhattan, khi đó U3O8 đã được sử dụng làm tiêu chuẩn báo cáo trong hóa phân tích.
Các mối quan hệ pha trong tổ hợp urani-ôxi mang tính phức tạp. Các trạng thái ôxi hóa quan trọng nhất của urani là urani(IV) và urani(VI) với hai ôxit tương ứng là urani điôxit (UO2) và urani triôxit (UO3).[60] Các urani ôxit khác gồm urani monoxit (UO), diurani pentoxit (U2O5) và urani peroxit (UO4·2H2O) đều tồn tại.
Các dạng urani ôxit phổ biến nhất là triurani octaoxit (U3O8) và UO2.[61] Cả hai ôxit nay đều ở dạng rắn, ít hoàn tan trong nước và tương đối bền trong nhiều kiểu môi trường. Triurani octaoxit là hợp chất urani ổn định nhất và là dạng thường gặp trong tự nhiên (tùy thuộc vào các điều kiện). Urani điôxit là dạng được dùng làm nhiên liệu hạt nhân phổ biến.[61] Ở nhiệt độ thường, UO2 sẽ chuyển một cách từ từ thành U3O8. Do tính ổn định, các urani ôxit thường được xem là dạng hợp chất dùng để lưu trữ hoặc loại bỏ.[61]
Các muối của tất cả bốn trạng thái ôxi hóa là dung dịch hòa tan trong nước và có thể được nghiên cứu ở dạng dung dịch nước. Các trạng thái ôxi hóa gồm U3+ (đỏ), U4+ (lục), UO+2 (không bền) và UO22+ (vàng).[62] Một vài hợp chất bán kim loại và rắn như UO và US tồn tại trong urani ở trạng thái ôxi hóa thông thường (II), nhưng không có các ion đơn tồn tại trong dung dịch ở trạng thái đó. Các ion U3+ giải phóng hydro từ nước vì vậy được xem là trạng thái không bền. Ion UO2+2 đặc trưng cho trạng thái ôxi hóa (VI) và tạo thành các hợp chất như uranyl cacbonat, uranyl clorua và uranyl sulfat. UO2+2 cũng tạo phức với các chất tạo phức hữu cơ, chất thường gặp nhất là uranyl axetat.[62]
Các tương tác của các ion cacbonat với urani(VI) làm cho biểu đồ Pourbaix thay đổi mạnh khi giá trị trung bình bị thay đổi từ nước sang dung dịch chứa cacbonat. Trong khi một lượng lớn cacbonat không hòa tan trong nước, urani cacbonat thỉnh thoảng hòa tan trong nước. Điều này xảy ra là do cation U(VI) có thể liên kết hai ôxit và 3 cacbonat hoặc nhiều hơn để tạo thành các phức anion.
Các biểu đồ thành phần của urani minh họa cho đặc điểm này: khi pH của dung dịch urani(VI) tăng thì urani bị chuyển thành urani ôxit ngậm nước và với giá trị pH cao nó chuyển thành phức hydroxit anion.
Khi cho thêm cacbonat vào, urani bị chuyển thành một dãy các phức cacbonat nếu pH tăng. Một ảnh hưởng của các phản ứng này là tăng độ hòa tan của urani khi giá trị pH nằm trong khoảng 6 đến 8, điều này có ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định lâu dài của các nhiên liệu hạt nhân urani ôxit đã qua sử dụng.
Kim loại urani nung ở nhiệt độ 250 đến 300 °C (482 đến 572 °F) phản ứng với hydro tạo thành urani hydrua. Thậm chí ở nhiệt độ cao hơn có thể loại bỏ hydro. Tính chất này khiến cho urani hydrua trở thành một loại vật liệu tiện lợi để tạo ra bột urani phản ứng, cùng với các hợp chất khác như cacbic, nitrit, và halua.[64] Hai dạng tinh thể của urani hydrua tồn tại là: dạng α tồn tại ở nhiệt độ thấp còn dạng β được tạo ra ở nhiệt độ trên 250 °C.[64]
Urani cacbic và urani nitrit là các hợp chất bán kim loại tương đối trơ, tan rất ít trong các loại axit, phản ứng với nước, và có thể đốt cháy trong không khí tạo thành U3O8.[64] Các cacbic của urani gồm urani monocacbic (UC), urani đicacbic (UC2), và điurani tricacbic (U2C3). Cả hai hợp chất UC và UC2 được tạo thành bằng cách thêm cacbon vào urani nóng chảy hoặc urani kim loại tiếp xúc với cacbon monoxit ở nhiệt độ cao. U2C3, ổn định dưới 1800 °C, được điều chế bằng cách pha trộn hỗp hợp nóng của UC và UC2 dưới áp lực cơ học.[65] Urani nitrit được điều chế bằng cách cho kim loại tác dụng với nitơ bao gồm urani mononitrit (UN), urani đinitrit (UN2) và điurani trinitrit (U2N3).[65]
Tất cả urani florua được tạo ra từ urani tetraflorua (UF4); bản thân UF4 được điều chế bằng cách hydroclorua hóa urani điôxit.[64] UF4 được khử bằng hydro ở 1000 °C tạo ra urani triflorua (UF3). Trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp, phản ứng của UF4 rắn với urani hexaflorua (UF6) khí có thể tạo thành các florua trung gian nhử U2F9, U4F17, và UF5.[64]
Ở nhiệt độ phòng, UF6 có áp suất hơi cao, nên nó được dùng vào quá trình khuếch tán khí để tách urani-235 từ đồng vị urani-238. Hợp chất này có thể được điều chế từ urani đioxit và urani hydrua theo phản ứng:[64]
UO2 + 4 HF → UF4 + 2 H2O (500 °C, thu nhiệt)UF4 + F2 → UF6 (350 °C, thu nhiệt)Kết quả tạo ra UF6, là chất rắn màu trắng, có tính hoạt động cao (bởi quá trình florua hóa), dễ thăng hoa (gần như ở dạng hơi lý tưởng), và là hợp chất dễ bay hơi nhất của urani.[64]
Một phương pháp điều chế urani tetraclorua (UCl4) là kết hợp trực tiếp clo với hoặc là kim loại urani hoặc urani hydrua. Sự khử UCl4 bởi hydro tạo ra urani triclorua (UCl3) trong khi các urani chứa số clo cao hơn được điều chế bởi phản ứng với clo bổ sung.[64] Tất cả urani clorua phản ứng với nước và không khí.
Các muối urani bromua và iôtua được tạo ra từ phản ứng trực tiếp của brom và iốt với urani hoặc bằng cách thêm UH3 vào các axit của nguyên tố này.[64] Ví dụ như: UBr3, UBr4, UI3, và UI4. Urani oxyhalua có thể hòa tan trong nước, gồm UO2F2, UOCl2, UO2Cl2, và UO2Br2. Sự ổn định của các oxyhalua này giảm khi khối lượng nguyên tử của thành phần halua tăng.[64]
Thực đơn
UraniLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Urani