Фторид урану(VI)

Фтори́д ура́ну(VI) (інші назви — гексафторид урану, шестифтористий уран) — бінарне з'єднання урану зі фтором, прозорі леткі світло-сірі кристали. Зв'язок уран-фтор у ньому має ковалентний характер. Має молекулярну кристалічну ґратку. Дуже отруйний.

Фторид урану(VI)
Ідентифікатори
Номер CAS	7783-81-5
Номер EINECS	232-028-6
ChEBI	30235
RTECS	YR4720000
SMILES	F[U](F)(F)(F)(F)F^[1]
InChI	InChI=1S/6FH.U/h6*1H;/q;;;;;;+6/p-6
Номер Гмеліна	2923
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Примітки картки

Єдина сполука урану, що переходить у газоподібний стан за відносно низької температури, тому широко використовується в збагаченні урану — розділенні ізотопів ²³⁵U і ²³⁸U одному з основних етапів виробництва палива для ядерних реакторів і збройового урану.

Фізичні властивості

Кристалічна структура

Фазова діаграма UF₆

За нормальних умов гексафторид урану — світло-сірі або прозорі леткі кристали з густиною 5,09 г/см³. За атмосферного тиску сублімується при нагріванні до 56,4 °C, проте за незначного збільшення тиску (наприклад, при нагріванні в запаяній ампулі) може перейти в рідину. Критична температура 230,2 °C, критичний тиск 4,61 МПа.

Гексафторид урану радіоактивний, внесок у його радіоактивність роблять усі три природні ізотопи урану (²³⁴U, ²³⁵U і ²³⁸U). Питома активність гексафториду урану з природним вмістом ізотопів урану (не збідненого і не збагаченого) становить 1,7×10⁴ Бк/г. Питома активність збідненого (тобто зі зменшеним вмістом ²³⁵U) гексафториду урану дещо нижча, високозбагаченого за ізотопом уран-235 може бути навіть на два порядки вищою і залежить від ступеня збагачення ураном-235.

Величини радіоактивності стосуються до свіжоприготовленої речовини, в якій відсутні всі дочірні нукліди уранового ряду, крім урану-234. З часом, через приблизно 150 днів після отримання сполуки, в гексафториді урану накопичуються дочірні ізотопи і відновлюється природна за концентрацією недовговічних дочірніх нуклідів ²³⁴Th і ²³¹Th (продуктів альфа-розпаду ²³⁸U і ²³⁵U, відповідно); в результаті питома активність «старого» гексафториду урану з початковим природним вмістом ізотопів збільшується до 4,0×10⁴ Бк/г.

Густину пари гексафториду урану у великому діапазоні тисків та температур можна виразити формулою:

${\displaystyle \rho ={4,291}\cdot 10^{-2}\cdot {\frac {P}{T}}+{1,2328}\cdot 10^{4}\cdot {\frac {P}{T^{3}}},}$

де ${\displaystyle \rho }$ — густина пари, кг/л;

${\displaystyle P}$ — тиск (кПа);

${\displaystyle T}$ — абсолютна температура (К).

Тиск пари ${\displaystyle P}$ (мм. рт. ст.) за температури ${\displaystyle t}$ (°C) можна знайти за такими емпіричними формулами ^:122.

Для діапазону температур 0–64 °C (над твердою речовиною, точність 0,05 %):

${\displaystyle \lg P=6,38363+0,0075377~t-{\frac {942,76}{t+183,416}}.}$

Для діапазону температур 64…116 °C (над рідиною, точність 0,03 %):

${\displaystyle \lg P=6,99464-{\frac {1126,296}{t+221,963}}.}$

Для діапазону температур 116…230 °C (над рідиною, точність 0,3 %):

${\displaystyle \lg P=7,69069-{\frac {1683,165}{t+302,148}}.}$

Хімічні властивості

Бурхливо реагує з водою та при нагріванні з органічними розчинниками; за звичайних умов розчиняється в органічних розчинниках.

Взаємодіючи з водою, утворює і фтороводень:

${\displaystyle {\mathsf {UF_{6}+2H_{2}O\rightarrow UO_{2}F_{2}+4HF\uparrow }}}$

Сильний окисник. У рідкому вигляді реагує з багатьма органічними речовинами з вибухом, тому в апаратах, заповнюваних гексафторидом урану, не можна використовувати звичайних вуглеводневих мастил, герметизувальних замазок та ущільнювачів.

Не реагує з повністю фторованими вуглеводнями, такими як тефлон або . Не взаємодіє за нормальних умов з киснем і азотом, а також зі сухим повітрям, проте реагує з водяною парою, що міститься у вологому повітрі. За відсутності пари і слідів води не викликає суттєвої корозії алюмінію, міді, нікелю, монель-металу, алюмінієвої бронзи.

Може бути використаний як фторувальний реагент у виробництві фторорганічних сполук. При фторуванні органічних сполук гексафторид зазвичай відновлюється до . Процес фторування гексафторидом урану йде з виділенням великої кількості тепла.

Фторування ненасичених органічних сполук супроводжується приєднанням фтору подвійним зв'язком. Так, з гексафторпропілену утворюється :

${\displaystyle {\mathsf {CF_{3}{\text{-}}CF{\text{=}}CF_{2}+UF_{6}\rightarrow CF_{3}{\text{-}}CF_{2}{\text{-}}CF_{3}+UF_{4}}}}$ + 424,7 кДж/моль.

Зі фтористого ^[ru] утворюється ^[en]:

${\displaystyle {\mathsf {CF_{2}{\text{=}}CH_{2}+UF_{6}\rightarrow CF_{3}{\text{-}}CH_{2}F+UF_{4}}}}$ + 344,6 кДж/моль.

Фторування трихлоретилену супроводжується утворенням :

Фторування граничних органічних сполук фторидом урану(VI) супроводжується заміщенням одного або декількох атомів водню у початковому з'єднанні на фтор :

${\displaystyle {\mathsf {CF_{3}{\text{-}}CH_{3}+UF_{6}\rightarrow CF_{3}{\text{-}}CH_{2}F+UF_{4}+HF\uparrow }}}$ + 219,1 кДж/моль.

Отримання

1. У російському ядерно-паливному циклі: отримується взаємодією сполук урану (наприклад UF₄, оксидів) із F₂ (у промисловості реакцію проводять у полум'ї суміші H₂ і F₂) або деякими іншими фторувальними агентами, а потім очищають ректифікацією або центрифугуванням.
2. В американському ядерно-паливному циклі: перероблені в U₃O₈ («закис-окис урану» або «жовтий кек») урановмісні руди розчиняють у нітратній кислоті, отримуючи розчин UO₂(NO₃)₂. Чистий нітрат уранілу добувають за допомогою рідинної екстракції (наприклад ^[en] або ), а потім, під впливом аміаку, виходить ^[ru]. Відновлення воднем дає діоксид урану UO₂, який потім за допомогою флуоридної кислоти HF, перетворюється на тетрафторид урану UF₄. Окислення фтором дає UF₆.

Застосування

Контейнер із UF ₆

Майданчик для зберігання гексафториду урану в США

Застосовується при розділенні ізотопів ²³⁵U і ²³⁸U методами газової дифузії або центрифугування для забезпечення речовиною, що ділиться, різних ядерних технологій. При цьому утворюється значна кількість залишків, що не використовуються (збіднених на уран-235), які зазвичай зберігають у контейнерах у вигляді гексафториду урану. Нині на майданчиках при збагачувальних заводах накопичено величезну кількість гексафториду урану. Станом на 2010 рік у світі накопичено близько 2 млн тонн.

Збіднений гексафторид урану використовують для фторування органічних сполук. Отримані з використанням гексафториду урану як фторувального агенту октафторпропан (C₃F₈, хладон-218, R-218, FC-218) і 1,1,1,2-тетрафторетан (CF₃-CFH ₂, хладон-134a, R-134, HFC-134a) є альтернативою озоноруйнівним холодоагентам. Озоноруйнівний потенціал дорівнює нулю. 1,2-дифтортрихлоретан (CFCl₂CFClH, хладон-122а, R-122a, HCFC-122a) є альтернатиою озоноруйнівним фторхлорвуглецевим розчинникам. Його можна застосувати як розчинник, екстрагент, спінювальний агент при виробництві полімерних виробів, анестетик для тварин.

Запаси та утилізація

На кінець 2010-х років унаслідок ізотопного збагачення урану в світі накопичено близько 1,5-2 млн тонн збідненого урану, щорічно додається ще 40-60 тис. тонн. Більшість цього обсягу зберігається у вигляді збідненого гексафториду урану (ЗГФУ) в спеціальних сталевих ємностях. У міру вдосконалення технологій ізотопного збагачення старі запаси ЗГФУ інколи дозбагачують. Однак тривале зберігання такої великої кількості хімічно небезпечних речовин небажане, тому існують технології конверсії гексафториду урану в безпечніші форми, наприклад, оксиди урану або UF₄.

Відомі проєкти хімічної переробки гексафториду у Франції, США, Росії, Великій Британії. Продуктивність підприємств конверсії ЗГФУ, що діють на 2018 рік, — понад 60 тис. тонн на рік у перерахунку на уран. У Франції конверсія ведеться від 1980-х років, на 2018 потужність — 20 тис. тонн на рік. У 2000-х роках дві установки потужністю 18 тис. і 13,5 тис. тонн на рік введено в дію в США. У Великій Британії будують установку потужністю 7 тис. тонн. У Росії першу промислову установку за французькою технологією введено в дію 2009 року на ^[ru] в Красноярському краї. 2010 року там уведено в дію установку відновлення ЗГФУ в низькотемпературній плазмі за російською технологією. Потужність цих двох установок — близько 10 тис. тонн на рік.

Всі ці установки отримують закис-окис урану та фтороводень. Також на ^[ru] розробляють дослідно-демонстраційну установку «Кедр» потужністю 2 тис. тонн на рік із отриманням за технологією відновлення ЗГФУ у водневому полум'ї.

Небезпека

Біологічна небезпека

У Росії — клас небезпеки 1, максимальна разова ГДК в повітрі робочої зони — 0,015 мг/м³ (1998 рік). У США граничний пороговий рівень одноразового впливу згідно з ^[en] — 0,6 мг/м³ (1995).

Надзвичайно їдка речовина, що роз'їдає будь-яку живу органіку з утворенням хімічних опіків. При контакті рекомендується промивання великою кількістю води. Вплив пари та аерозолів викликає набряк легень. Всмоктується в організм через легені чи шлунково-кишковий тракт. Дуже токсичний, викликає тяжкі отруєння. Має кумулятивний ефект з ураженням печінки та нирок.

Уран слаборадіоактивний. Забруднення довкілля сполуками урану створює ризик радіаційних аварій.

За нормальних умов — тверда речовина, що швидко випаровується. Парціальний тиск пари — 14 кПа. Навколо твердої речовини швидко утворюється небезпечна концентрація пари.

Хімічна небезпека

Бурхливо реагує з водою, зокрема з атмосферною вологою, з утворенням UO₂F₂ () та фтороводню HF.

Речовина є сильним окисникм. Добре реагує з органічними речовинами. Повільно реагує з багатьма металами, утворюючи фториди металів. Агресивний до гуми та багатьох пластиків. Реагує з ароматичними сполуками типу бензолу та толуолу.

Пожежна небезпека

Не горючий, але при нагріванні (зокрема у вогні) виділяє їдку токсичну пару. Під час гасіння пожежі забороняється застосування води. Допускається застосування порошкових та вуглекислотних засобів гасіння.

Примітки

1. URANIUM HEXAFLUORIDE
   d:Track:Q278487
2. Appendix II. Properties of UF₆ and its reaction products. In: Interim guidance on the safe transport of uranium hexafluoride [ 2016-09-10 у Wayback Machine.]. — (IAEA-TECDOC-608). — IAEA, Vienna, 1991. — ISSN 1011-4289.
3. Обогащение урана / Под ред. С. Виллани. — М.: Энергоатомиздат, 1983, 320 с.
4. Орехов В. Т., Рыбаков А. Г., Шаталов В. В. Использование обеднённого гексафторида урана в органическом синтезе. — М. : Энергоатомиздат, 2007. — 112 с. — .
5. Промышленные фторорганические продукты: Справ. изд / Б. Н. Максимов, В. Г. Барабанов, И. Л. Серушкин и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб : «Химия», 1996. — 544 с. — .
6. Наследие обогащения. оригіналу за 11 листопада 2020. Процитовано 10 листопада 2019.
7. Деконверсия ОГФУ — как это делают в Зеленогорске. оригіналу за 10 листопада 2019. Процитовано 10 листопада 2019.