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Dióxido de uranio

Agosto 15, 2021

El dióxido de uranio u óxido de uranio(IV) (UO2), también conocido como urano u óxido uranoso, es un óxido de uranio. Es un polvo negro, radiactivo y cristalino que aparece naturalmente en el mineral de uraninita. Es usado en las varillas del combustible nuclear en los reactores nucleares. Una mezcla de dióxidos de uranio y plutonio es usada en el combustible MOX. Antes de 1960 era usado como un tinte colorante amarillo y negro en vidrios y en cerámica vidriada.

 
Dióxido de uranio
Nombre IUPAC
Dióxido de uranio
Óxido de Uranio(IV)
General
Otros nombres Urania
Óxido uranoso
Fórmula molecular UO2
Identificadores
Número CAS 1344-57-6[1]​
Número RTECS YR4705000
ChemSpider 21257709 10454, 21257709
PubChem 10916
UNII L70487KUZO
Propiedades físicas
Apariencia polvo negro
Densidad 10 970 kg/m³; 10,97 g/cm³
Masa molar 270,03 g/mol
Punto de fusión 3140 K (2867 °C)
Estructura cristalina Fluorita (cristal cúbico), cF12
Propiedades químicas
Solubilidad en agua insoluble
Peligrosidad
Punto de inflamabilidad no inflamable
Frases R R26/28, R33, R51/53
Frases S S1/2, S20/21, S45, S61
Compuestos relacionados
óxidos de uranio Triuranio octóxido
Trióxido de uranio
Valores en el SI y en condiciones estándar
(25 ℃ y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.
[editar datos en Wikidata]
Véase también: Pechblenda

Producción

El dióxido de uranio es producido por la reducción del trióxido de uranio con hidrógeno.

UO3 + H2 → UO2 + H2O a 700 °C (970 K)

Esta reacción ocurre como parte del reprocesamiento del combustible nuclear y del enriquecimiento del uranio para combustible nuclear.

Química

Estructura

La relación de radios del sólido es aproximadamente igual a 0.735, que corresponde a una estructura igual a la del CsCl según las reglas de Pauling. Experimentalmente se ha verificado esta estructura a condiciones estándar de presión y temperatura.

Oxidación

El dióxido de uranio es oxidado al ponerse en contacto con el oxígeno en octaóxido de triuranio.

3 UO2 + O2 → U3O8 a 700 °C (970 K)

La electroquímica del dióxido de uranio ha sido investigada en detalle ya que la corrosión galvánica del dióxido de uranio controla la tasa a la que el combustible nuclear se disuelve. Esto se trata con mayor detalle en combustible nuclear gastado. El agua incrementa la tasa de oxidación de los metales de plutonio y uranio.[2]​

Usos

 
Pellet de combustible de óxido de uranio.

Combustible nuclear

El UO2 es usado principalmente como combustible nuclear, específicamente como UO2 o como una mezcla de UO2 y de PuO2 (dióxido de plutonio) llamada óxido mezclado ( combustible MOX) para las varillas de combustible en los reactores nucleares.

Se debe destacar que la conductividad termal del dióxido de uranio es muy baja cuando se la compara con la del uranio, nitrito de uranio, carburo de uranio y del zirconio usado como material de revestimiento. Esta baja conductividad termal puede resultar en sobrecalentamiento localizado en los centros de las pellets de combustible. El gráfico de más abajo muestra los diferentes gradientes de temperatura en los distintos compuestos de combustible. Para estos combustibles la densidad de potencia termal es la misma y el diámetro de todas las pellets es el mismo.

  •  

    La conductividad termal de metal de zirconio y del dióxido de uranio como una función de la temperatura.

Colorante para el barniz de cerámicas

Todos los óxidos de uranio fueron usados como colorantes de vidrios y cerámicas. Las cerámicas basadas en óxido de uranio se vuelven verdes o negras cuando son calentadas en una atmósfera reductora y negras cuando son calentadas con oxígeno. Las Fiestaware de color naranja son un conocido ejemplo de un producto con un barniz basado en uranio. El dióxido de uranio también ha sido usado en fórmulas de esmalte, vidrio con uranio y porcelana.

Antes de 1960, los óxidos de uranio eran usados como vidriados coloreados. Es posible determinar con un contador Geiger si un barniz o vidrio contienen óxido de uranio.

Otros usos

 
Contenedores con materia prima para fabricar pellets de combustible con dióxido de uranio en la planta de Novosibirsk Chemical Concentrate Works, en Rusia.

El UO2 (DUO2) empobrecido puede ser usado como un material para la protección contra la radiación. Por ejemplo, el Ducrete es un concreto pesado donde la grava es reemplazada con un agregado de dióxido de uranio; este material es investigado para ser usado para los barriles de los desechos radiactivos. También los barriles pueden ser fabricados de cermet de acero-DUO2, un material compuesto fabricado de un agregado de dióxido de uranio que sirve como un escudo contra la radiación, de grafito y/o carburo de silicio que sirven como un absorbente y moderador de la radiación por neutrones, y acero como la matriz, cuya alta conductividad termal permite una fácil remoción del calor generado por la desintegración.

El dióxido de uranio empobrecido también puede ser usado como un catalizador, por ejemplo, para la degradación de compuestos orgánicos volátiles en fase gaseosa, la oxidación del metano en metanol, y la remoción del azufre del petróleo. Tiene una alta eficiencia y estabilidad de largo plazo en su uso para destruir compuestos orgánicos volátiles cuando se le compara con algunos otros catalizadores comerciales, tales como los basados en metales preciosos, el TiO2 y el Co3O4. La mayor parte de la investigación está siendo realizada en esta área, siendo el favorito para el componente de uranio el uranio empobrecido dada su baja radiactividad.[3]​

También está siendo investigado el uso del dióxido de uranio como material para baterías recargables. Las baterías podrían tener una alta densidad de energía y un potencial de 4,7 V por celda. Otra aplicación que se investiga es para celdas foto electroquímicas para la producción de hidrógeno asistida solarmente donde el UO2 es usado como un fotoánodo. Durante los primeros años, el dióxido de uranio también fue usado como un conductor de calor para la limitación de corriente (resistor-URDOX), que fue el primer uso de sus propiedades semiconductoras.

Propiedades semiconductoras

La banda prohibida del dióxido de uranio es comparable a las del silicio y del arseniuro de galio (GaAs), cerca del óptimo para eficiencia versus la curva de brecha de banda para la absorción de radiación solar, lo que sugiere su posible uso para celdas solares muy eficientes basadas en la estructura del diodo Schottky; también absorbe en cinco diferentes longitudes de onda, incluyendo la infrarroja, aumentando aún más su eficiencia. Su conductividad intrínseca a temperatura ambiente es aproximadamente la misma que la de un monocristal de silicio.[4]​

La constante dieléctrica del dióxido de uranio es de aproximadamente 22, que es casi el doble de alta que la del silicio (11,2) y que la del GaAs (14,1). Esto es una ventaja sobre el Si y el GaAs en la construcción de circuitos integrados, ya que permite una densidad de integración más alta con un nivel de voltaje de ruptura más alto y con una susceptibilidad más baja a la ruptura de efecto túnel CMOS.

El coeficiente de Seebeck del dióxido de uranio a temperatura ambiente es de aproximadamente 750 µV/K, un valor significativamente más alto que los 270 µV/K de las aleaciones de talio estaño teluro (Tl2SnTe5) y del talio germanio teluro (Tl2GeTe5) y del bismuto-telurio, otros materiales prometedores para aplicaciones de termopotencia y de elementos Peltier.

El impacto del decaimiento radiactivo del 235U y del 238U sobre sus propiedades semiconductoras no había sido medida al año 2005. Debido a la lenta tasa de desintegración de estos isótopos, no debería ser una influencia significativa en las propiedades de las celdas solares y dispositivos termoeléctricos de dióxido de uranio, pero puede ser un factor importante para los chips VLSI. El uso del óxido de uranio empobrecido es necesario por esta razón. La captura de las partículas alfas emitidas durante la desintegración radiactiva como átomos de helio en la estructura cristalina también puede causar cambios graduales de sus propiedades en el largo plazo.

La estequiometría del material influencia dramáticamente sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, la conductividad eléctrica del UO1.994 es de órdenes de magnitud más baja a temperaturas más altas que la conductividad del UO2.001.

El dióxido de uranio, como U3O8, es un material cerámico capaz de resistir altas temperaturas (aproximadamente 2 300 °C, en comparación a los 200 °C para el silicio o el GaAs), haciéndolo adecuado para aplicaciones de altas temperaturas como los dispositivos termofotovoltaicos.

El dióxido de uranio también es resistente al daño por radiación, haciéndolo útil para dispositivos endurecidos contra la radiación destinados a aplicaciones militares especiales o aeroespaciales.

Toxicidad

Se sabe que el dióxido de uranio es absorbido por fagocitosis en los pulmones. Es supremamente peligroso para el ser humano.[5]​

Véase también

Referencias

  1. Número CAS
  2. «Reactions of Plutonium Dioxide with Water and Oxygen-Hydrogen Mixtures: Mechanisms for Corrosion of Uranium and Plutonium». Consultado el 6 de junio de 2009.  (en inglés)
  3. 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. 
  4. 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. doi:10.1103/PhysRevLett.106.207402. 
  5. Principles of Biochemical Toxicology. Timbrell, John. PA 2008 ISBN 0-8493-7302-6

Bibliografía

  • Barrett SA, Jacobson AJ, Tofield BC, Fender BEF (1982). «The preparation and structure of barium uranium oxide BaUO3+x». Acta Crystallographica B 38 (11): 2775-2781. doi:10.1107/S0567740882009935. 

Table 1.7. Theoretical Density of Ceramics at Normal Temperatures A. Retrieved from https://app.knovel.com/hotlink/itble/rcid:kpHRDNT002/id:kt00BTE9R1/handbook-reference-data/table-1-7-theoretica

Enlaces externos

  •   Datos: Q378379
  •   Multimedia: Category:Uranium dioxide

Agosto 15, 2021
dióxido, uranio, dióxido, uranio, óxido, uranio, también, conocido, como, urano, óxido, uranoso, óxido, uranio, polvo, negro, radiactivo, cristalino, aparece, naturalmente, mineral, uraninita, usado, varillas, combustible, nuclear, reactores, nucleares, mezcla. El dioxido de uranio u oxido de uranio IV UO2 tambien conocido como urano u oxido uranoso es un oxido de uranio Es un polvo negro radiactivo y cristalino que aparece naturalmente en el mineral de uraninita Es usado en las varillas del combustible nuclear en los reactores nucleares Una mezcla de dioxidos de uranio y plutonio es usada en el combustible MOX Antes de 1960 era usado como un tinte colorante amarillo y negro en vidrios y en ceramica vidriada Dioxido de uranioNombre IUPACDioxido de uraniooxido de Uranio IV GeneralOtros nombresUraniaoxido uranosoFormula molecularUO2IdentificadoresNumero CAS1344 57 6 1 Numero RTECSYR4705000ChemSpider21257709 10454 21257709PubChem10916UNIIL70487KUZOInChIInChI InChI 1S 2O U Key FCTBKIHDJGHPPO UHFFFAOYSA NPropiedades fisicasAparienciapolvo negroDensidad10 970 kg m 10 97 g cm Masa molar270 03 g molPunto de fusion3140 K 2867 C Estructura cristalinaFluorita cristal cubico cF12Propiedades quimicasSolubilidad en aguainsolublePeligrosidadPunto de inflamabilidadno inflamableFrases RR26 28 R33 R51 53Frases SS1 2 S20 21 S45 S61Compuestos relacionadosoxidos de uranioTriuranio octoxidoTrioxido de uranioValores en el SI y en condiciones estandar 25 y 1 atm salvo que se indique lo contrario editar datos en Wikidata Vease tambien Pechblenda Indice 1 Produccion 2 Quimica 2 1 Estructura 2 2 Oxidacion 3 Usos 3 1 Combustible nuclear 3 2 Colorante para el barniz de ceramicas 3 3 Otros usos 3 4 Propiedades semiconductoras 4 Toxicidad 5 Vease tambien 6 Referencias 7 Bibliografia 8 Enlaces externosProduccion EditarEl dioxido de uranio es producido por la reduccion del trioxido de uranio con hidrogeno UO3 H2 UO2 H2O a 700 C 970 K Esta reaccion ocurre como parte del reprocesamiento del combustible nuclear y del enriquecimiento del uranio para combustible nuclear Quimica EditarEstructura Editar La relacion de radios del solido es aproximadamente igual a 0 735 que corresponde a una estructura igual a la del CsCl segun las reglas de Pauling Experimentalmente se ha verificado esta estructura a condiciones estandar de presion y temperatura Oxidacion Editar El dioxido de uranio es oxidado al ponerse en contacto con el oxigeno en octaoxido de triuranio 3 UO2 O2 U3O8 a 700 C 970 K La electroquimica del dioxido de uranio ha sido investigada en detalle ya que la corrosion galvanica del dioxido de uranio controla la tasa a la que el combustible nuclear se disuelve Esto se trata con mayor detalle en combustible nuclear gastado El agua incrementa la tasa de oxidacion de los metales de plutonio y uranio 2 Usos Editar Pellet de combustible de oxido de uranio Combustible nuclear Editar El UO2 es usado principalmente como combustible nuclear especificamente como UO2 o como una mezcla de UO2 y de PuO2 dioxido de plutonio llamada oxido mezclado combustible MOX para las varillas de combustible en los reactores nucleares Se debe destacar que la conductividad termal del dioxido de uranio es muy baja cuando se la compara con la del uranio nitrito de uranio carburo de uranio y del zirconio usado como material de revestimiento Esta baja conductividad termal puede resultar en sobrecalentamiento localizado en los centros de las pellets de combustible El grafico de mas abajo muestra los diferentes gradientes de temperatura en los distintos compuestos de combustible Para estos combustibles la densidad de potencia termal es la misma y el diametro de todas las pellets es el mismo La conductividad termal de metal de zirconio y del dioxido de uranio como una funcion de la temperatura Colorante para el barniz de ceramicas Editar Todos los oxidos de uranio fueron usados como colorantes de vidrios y ceramicas Las ceramicas basadas en oxido de uranio se vuelven verdes o negras cuando son calentadas en una atmosfera reductora y negras cuando son calentadas con oxigeno Las Fiestaware de color naranja son un conocido ejemplo de un producto con un barniz basado en uranio El dioxido de uranio tambien ha sido usado en formulas de esmalte vidrio con uranio y porcelana Antes de 1960 los oxidos de uranio eran usados como vidriados coloreados Es posible determinar con un contador Geiger si un barniz o vidrio contienen oxido de uranio Otros usos Editar Contenedores con materia prima para fabricar pellets de combustible con dioxido de uranio en la planta de Novosibirsk Chemical Concentrate Works en Rusia El UO2 DUO2 empobrecido puede ser usado como un material para la proteccion contra la radiacion Por ejemplo el Ducrete es un concreto pesado donde la grava es reemplazada con un agregado de dioxido de uranio este material es investigado para ser usado para los barriles de los desechos radiactivos Tambien los barriles pueden ser fabricados de cermet de acero DUO2 un material compuesto fabricado de un agregado de dioxido de uranio que sirve como un escudo contra la radiacion de grafito y o carburo de silicio que sirven como un absorbente y moderador de la radiacion por neutrones y acero como la matriz cuya alta conductividad termal permite una facil remocion del calor generado por la desintegracion El dioxido de uranio empobrecido tambien puede ser usado como un catalizador por ejemplo para la degradacion de compuestos organicos volatiles en fase gaseosa la oxidacion del metano en metanol y la remocion del azufre del petroleo Tiene una alta eficiencia y estabilidad de largo plazo en su uso para destruir compuestos organicos volatiles cuando se le compara con algunos otros catalizadores comerciales tales como los basados en metales preciosos el TiO2 y el Co3O4 La mayor parte de la investigacion esta siendo realizada en esta area siendo el favorito para el componente de uranio el uranio empobrecido dada su baja radiactividad 3 Tambien esta siendo investigado el uso del dioxido de uranio como material para baterias recargables Las baterias podrian tener una alta densidad de energia y un potencial de 4 7 V por celda Otra aplicacion que se investiga es para celdas foto electroquimicas para la produccion de hidrogeno asistida solarmente donde el UO2 es usado como un fotoanodo Durante los primeros anos el dioxido de uranio tambien fue usado como un conductor de calor para la limitacion de corriente resistor URDOX que fue el primer uso de sus propiedades semiconductoras Propiedades semiconductoras Editar La banda prohibida del dioxido de uranio es comparable a las del silicio y del arseniuro de galio GaAs cerca del optimo para eficiencia versus la curva de brecha de banda para la absorcion de radiacion solar lo que sugiere su posible uso para celdas solares muy eficientes basadas en la estructura del diodo Schottky tambien absorbe en cinco diferentes longitudes de onda incluyendo la infrarroja aumentando aun mas su eficiencia Su conductividad intrinseca a temperatura ambiente es aproximadamente la misma que la de un monocristal de silicio 4 La constante dielectrica del dioxido de uranio es de aproximadamente 22 que es casi el doble de alta que la del silicio 11 2 y que la del GaAs 14 1 Esto es una ventaja sobre el Si y el GaAs en la construccion de circuitos integrados ya que permite una densidad de integracion mas alta con un nivel de voltaje de ruptura mas alto y con una susceptibilidad mas baja a la ruptura de efecto tunel CMOS El coeficiente de Seebeck del dioxido de uranio a temperatura ambiente es de aproximadamente 750 µV K un valor significativamente mas alto que los 270 µV K de las aleaciones de talio estano teluro Tl2SnTe5 y del talio germanio teluro Tl2GeTe5 y del bismuto telurio otros materiales prometedores para aplicaciones de termopotencia y de elementos Peltier El impacto del decaimiento radiactivo del 235U y del 238U sobre sus propiedades semiconductoras no habia sido medida al ano 2005 Debido a la lenta tasa de desintegracion de estos isotopos no deberia ser una influencia significativa en las propiedades de las celdas solares y dispositivos termoelectricos de dioxido de uranio pero puede ser un factor importante para los chips VLSI El uso del oxido de uranio empobrecido es necesario por esta razon La captura de las particulas alfas emitidas durante la desintegracion radiactiva como atomos de helio en la estructura cristalina tambien puede causar cambios graduales de sus propiedades en el largo plazo La estequiometria del material influencia dramaticamente sus propiedades electricas Por ejemplo la conductividad electrica del UO1 994 es de ordenes de magnitud mas baja a temperaturas mas altas que la conductividad del UO2 001 El dioxido de uranio como U3O8 es un material ceramico capaz de resistir altas temperaturas aproximadamente 2 300 C en comparacion a los 200 C para el silicio o el GaAs haciendolo adecuado para aplicaciones de altas temperaturas como los dispositivos termofotovoltaicos El dioxido de uranio tambien es resistente al dano por radiacion haciendolo util para dispositivos endurecidos contra la radiacion destinados a aplicaciones militares especiales o aeroespaciales Toxicidad EditarSe sabe que el dioxido de uranio es absorbido por fagocitosis en los pulmones Es supremamente peligroso para el ser humano 5 Vease tambien EditarCleveita DucreteReferencias Editar Numero CAS Reactions of Plutonium Dioxide with Water and Oxygen Hydrogen Mixtures Mechanisms for Corrosion of Uranium and Plutonium Consultado el 6 de junio de 2009 en ingles 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 doi 10 1103 PhysRevLett 106 207402 Principles of Biochemical Toxicology Timbrell John PA 2008 ISBN 0 8493 7302 6Bibliografia EditarBarrett SA Jacobson AJ Tofield BC Fender BEF 1982 The preparation and structure of barium uranium oxide BaUO3 x Acta Crystallographica B 38 11 2775 2781 doi 10 1107 S0567740882009935 Table 1 7 Theoretical Density of Ceramics at Normal Temperatures A Retrieved from https app knovel com hotlink itble rcid kpHRDNT002 id kt00BTE9R1 handbook reference data table 1 7 theoreticaEnlaces externos EditarEsta obra contiene una traduccion derivada de Uranium dioxide de la Wikipedia en ingles concretamente de esta version publicada por sus editores bajo la Licencia de documentacion libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribucion CompartirIgual 3 0 Unported Propiedades semiconductoras de los oxidos de uranio en ingles Definicion en el Free Dictionary para el dioxido de uranio en ingles Datos Q378379 Multimedia Category Uranium dioxideObtenido de https es wikipedia org w index php title Dioxido de uranio amp oldid 135634410, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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