[科普中国]-铀化合物

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2。

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3，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1是深褐色粉末，密度为10.96克/厘米,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4：
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1。
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1。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5。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U3O81。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3，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1。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5。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5，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3。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5。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)5。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1。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一1。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3，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），寄生中子吸收截面低，同时对水有良好的耐腐蚀性1。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2。

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3。

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UI45。