Uran(IV)-oxid

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP)
06 – Giftig oder sehr giftig 08 – Gesundheitsgefährdend 09 – Umweltgefährlich
Gefahr
H- und P-Sätze H:
  • Lebensgefahr bei Einatmen.
  • Lebensgefahr bei Verschlucken.
  • Kann die Organe schädigen (alle betroffenen Organe nennen, sofern bekannt) bei längerer oder wiederholter Exposition (Expositionsweg angeben, wenn schlüssig belegt ist, dass diese Gefahr bei keinem anderen Expositionsweg besteht).
  • Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.
P: ?
EU-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP)
Sehr giftig Umweltgefährlich
Sehr giftig Umwelt-
gefährlich
(T+) (N)
R- und S-Sätze R:
  • Sehr giftig beim Einatmen und Verschlucken.
  • Gefahr kumulativer Wirkungen.
  • Giftig für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben
S:
  • Unter Verschluss und für Kinder unzugänglich aufbewahren. (Text nur erforderlich bei Abgabe an nichtgewerbliche Endverbraucher)
  • Bei der Arbeit nicht essen, trinken oder rauchen.
  • Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich, Etikett vorzeigen).
  • Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen/Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen.
Radioaktivität
Radioaktiv
 
Radioaktiv
Kristallstruktur
Struktur von Urandioxid
__ U4+     __ O2−
Kristallsystem

kubisch

Raumgruppe Fm3m (Nr. 225)
Gitterkonstanten

a = 547 pm

Koordinationszahlen

U[8], O[4]

Allgemeines
Name Uran(IV)-oxid
Andere Namen Urandioxid
Verhältnisformel UO2
CAS-Nummer 1344-57-6
PubChem 10916
ECHA-InfoCard 100.014.273
Kurzbeschreibung braunes bis schwarzes, kristallines Pulver
Eigenschaften
Molare Masse 270,03 g/mol
Aggregatzustand fest
Dichte 10,97 g/cm3
Schmelzpunkt 2865 °C
Löslichkeit nahezu unlöslich in Wasser

Uran(IV)-oxid (oft auch Urandioxid, UO2) ist ein Oxid des Urans. In der Natur kommt es z.B. als Uraninit vor, wobei der ursprünglich aus Uran(IV)-oxid bestehende Uraninit teilweise zu Uran(VI)-oxid weiteroxidiert wird.

Darstellung

Durch Reduktion von Uran(VI)-oxid mit Wasserstoff wird Uran(IV)-oxid gebildet.

{\mathrm  {UO_{3}+H_{2}\ {\xrightarrow  {450\ ^{{\circ }}C}}\ UO_{2}+H_{2}O}}

Das für die Herstellung der Brennelemente in Kernkraftwerken benötigte Uran(IV)-oxid wird überwiegend aus Uran(VI)-fluorid hergestellt. Für die Umwandlung gibt es mehrere Verfahren. Nasschemische Verfahren sind das AUC- und das ADU-Verfahren.

Beim AUC-Verfahren (AmmoniumUranylCarbonat-Verfahren) wird mit Hilfe von Wasser, Ammoniak und Kohlenstoffdioxid Ammoniumuranylcarbonat gebildet und dieses dann durch Erhitzen zu Uran(VI)-oxid umgewandelt. Dieses wird anschließend mit Wasserstoff zu Uran(IV)-oxid reduziert.

Mit dem ADU-Verfahren (AmmoniumDiUranat-Verfahren) werden aus UF6 über Hydrolyse zu Uranylfluorid, Fällung mit Ammoniaklösung zu Ammoniumdiuranat und anschließendem Kalzinieren im Wasserstoffstrom Uran(IV)-oxid hergestellt. Die Gleichungen für das ADU-Verfahren lauten:

\mathrm {UF_{6}\ +\ 2\ H_{2}O\ \longrightarrow \ UO_{2}F_{2}\ +\ 4\ HF}
{\mathrm  {2\ UO_{2}F_{2}\ +\ 6\ NH_{4}OH\ \longrightarrow }}
{\mathrm  {\ (NH_{4})_{2}U_{2}O_{7}\ \downarrow \ +\ 4\ NH_{4}F+\ 3\ H_{2}O}}
{\mathrm  {(NH_{4})_{2}U_{2}O_{7}\ +\ 2\ H_{2}\ \longrightarrow }}
{\mathrm  {\ 2\ UO_{2}\ +\ 2\ NH_{4}OH\ +\ H_{2}O}}

Das ADU-Verfahren ist auch für die Rückgewinnung von Uran aus Lösungen mit Uran(VI)-verbindungen gut geeignet.

Neben diesen Verfahren wird auch ein trockenes Verfahren, das DC-Pulver-Verfahren, verwendet. Bei diesem Verfahren wird das Hexafluorid direkt zu Uran(IV)-oxid bei höheren Temperaturen umgewandelt. Vorteilhaft ist hier, dass keine Abfalllösungen mit Urangehalten anfallen, die einer weiteren Aufbereitung bedürfen. Die Gleichung für dieses Verfahren lautet:

{\mathrm  {\ UF_{6}+2\ H_{2}O+H_{2}\longrightarrow \ UO_{2}+6\ HF}}

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Uran(IV)-oxid ist der für die Wiederaufbereitung von Brennelementen verwendete PUREX-Prozess. Bei diesem wird durch eine Extraktion Uranylnitrat gebildet, das wiederum durch Erhitzen in Uran(VI)-oxid umgewandelt und anschließend zu Uran(IV)-oxid reduziert wird.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Uran(IV)-oxid ist ein braunes bis schwarzes, kristallines Pulver. Es weist ein kubisches Kristallsystem auf, hat die Raumgruppe Fm3m (Nr. 225), mit einem Gitterparameter a = 547 pm und vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Der Strukturtyp ist der CaF2-Typ (Fluorit) und die Koordinationszahlen sind U[8], ;O[4].

Uran(IV)-oxid ist zudem ein Halbleiter. So konnte in Laborversuchen aus UO2 eine funktionsfähige Schottkydiode hergestellt werden. Wegen Problemen mit der Dotierung findet dieser Werkstoff in der elektronischen Schaltungstechnik keine Anwendung.

Frisch erzeugtes Uran(IV)-oxid aus irdischem Natururan hat eine spezifische Aktivität von 22300 Bq/g.

>Chemische Eigenschaften

Uran(IV)-oxid-Luft-Gemische (Staubwolken) sind explosionsfähig, als feines Pulver reagiert es heftig mit der Luft unter Freisetzung von Wärme (pyrophor). Hierbei verbrennt es zu Triuranoctoxid U3O8.

Anwendungen

Uran(IV)-oxid ist der wichtigste Kernbrennstoff in Kernreaktoren. Es wird zu sogenannten „Pellets“ verarbeitet, um in Brennstäben genutzt zu werden. Weiterhin wurde es früher als farbgebender Zusatz in diversen Gläsern und Keramiken genutzt.

Urandioxid-Pellets für einen Kernreaktor

In Form eines URDOX-Widerstandes mit Heißleitereigenschaften diente er zur Strombegrenzung in Heizkreisen von Allstromgeräten.

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Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 18.02. 2020