Нитрат уранила

Нитрат уранила — неорганическое соединение, урановая соль азотной кислоты. Представляет собой кристаллическое вещество жёлтого цвета с зеленоватой флуоресценцией, хорошо растворимое в воде и полярных органических растворителях. Химическая формула — UO₂(NO₃)₂·nH₂O (обычно n = 6, реже 3 или 2). Является важным промежуточным продуктом в ядерном топливном цикле, используется в аналитической химии, а также в прошлом применялся в фотографии и керамике.

Физические и химические свойства

Кристаллическая структура и внешний вид

Безводный нитрат уранила (UO₂(NO₃)₂) — гигроскопичные кристаллы жёлтого цвета. Наиболее распространённая форма — гексагидрат UO₂(NO₃)₂·6H₂O, который представляет собой крупные кристаллы лимонно-жёлтого цвета, обладающие характерной зеленоватой флуоресценцией в ультрафиолетовом свете. Кристаллы триклинной сингонии. При нагревании до 60—80 °C плавятся в собственной кристаллизационной воде, при дальнейшем нагревании разлагаются.

Растворимость

Нитрат уранила хорошо растворим в воде (до 300 г/100 мл при 20 °C), а также в этаноле, ацетоне, диэтиловом эфире. Эта способность к экстракции органическими растворителями (особенно трибутилфосфатом) используется в промышленности для очистки урана.

Химическая активность

• В водных растворах нитрат уранила диссоциирует с образованием иона уранила UO₂²⁺, который является устойчивой катионной формой урана(VI).
• Соединение проявляет окислительные свойства, особенно в кислой среде.
• При нагревании выше 200 °C разлагается до оксида урана (UO₃), а затем до U₃O₈.
• Реагирует с щелочами с образованием нерастворимых диуранатов.

Радиоактивность

Все изотопы урана радиоактивны. Природный уран, из которого получают нитрат уранила, состоит в основном из изотопа ²³⁸U (период полураспада 4,5 млрд лет), поэтому удельная активность соединения невысока (около 25 кБк/г). Однако при работе с соединением необходимо соблюдать меры радиационной безопасности, особенно при накоплении пыли или аэрозолей. Химическая токсичность урана (как тяжёлого металла) часто превышает радиационную опасность.

Получение

В промышленности и лаборатории нитрат уранила получают растворением оксидов урана (UO₃, U₃O₈) или металлического урана в азотной кислоте:

UO₃ + 2HNO₃ → UO₂(NO₃)₂ + H₂O

U + 8HNO₃ → UO₂(NO₃)₂ + 6NO₂ + 4H₂O

В ядерной промышленности процесс растворения облучённого ядерного топлива в азотной кислоте является ключевым этапом переработки отработавшего топлива (PUREX-процесс). При этом в раствор переходят уран, плутоний и продукты деления, которые затем разделяют экстракцией.

Применение

Ядерный топливный цикл

Основное применение нитрата уранила — производство ядерного топлива. В процессе конверсии урана:

1. Из рудного концентрата (жёлтый кек) получают неочищенный нитрат уранила.
2. Его очищают экстракцией трибутилфосфатом (ТБФ) в керосине.
3. Очищенный раствор упаривают и прокаливают до UO₃, который затем восстанавливают до UO₂ (диоксид урана) — основы топливных таблеток.

Аналитическая химия

Нитрат уранила используется как реактив для:

• Обнаружения фосфат-ионов (образование жёлтого осадка фосфата уранила).
• Количественного определения урана гравиметрическими и титриметрическими методами.
• Приготовления стандартных растворов урана.

Историческое применение

• Фотография: в XIX — начале XX века нитрат уранила применялся в качестве тонирующего агента для фотографических отпечатков (урановые тона) и для создания светочувствительных эмульсий.
• Керамика: добавлялся в глазури для получения жёлтых, оранжевых и зелёных цветов (урановая глазурь). В СССР и других странах до середины XX века выпускалась посуда с урановым покрытием, которая могла быть радиоактивной.
• Медицина: в начале XX века использовался в гомеопатии и как местное средство (например, при диабете), но из-за токсичности и радиоактивности был признан опасным.

Научные исследования

Нитрат уранила служит исходным соединением для синтеза других ураниловых комплексов, изучения химии актиноидов, а также в качестве источника ионов уранила в спектроскопических и кристаллографических исследованиях.

Безопасность и токсичность

Нитрат уранила является токсичным и радиоактивным веществом. Основные риски:

• Химическая токсичность: уран как тяжёлый металл поражает почки (нефротоксичность). ПДК для растворимых соединений урана в воздухе рабочей зоны составляет 0,015 мг/м³.
• Радиационная опасность: альфа-излучение при внутреннем поступлении (вдыхание, заглатывание) может вызывать поражение лёгких и костной ткани. Внешнее облучение от компактных образцов незначительно из-за слабой проникающей способности альфа-частиц.
• Пожароопасность: нитрат уранила является окислителем, может поддерживать горение органических материалов.
• Экологическая опасность: при попадании в окружающую среду соединения урана могут накапливаться в почве и водных организмах.

Меры безопасности: работа в вытяжном шкафу, использование СИЗ (перчатки, очки, респиратор), контроль радиоактивного загрязнения, утилизация как радиоактивных отходов.

Интересные факты

• Нитрат уранила использовался в качестве реагента для получения первой в мире ядерной цепной реакции (Чикагская поленница-1, 1942), хотя в самой реакции применялся металлический уран и оксид урана.
• В 1930-х годах в СССР выпускались чайные сервизы с урановой глазурью, содержащей нитрат уранила. Некоторые из них до сих пор хранятся в музеях и частных коллекциях.
• Зелёное свечение кристаллов нитрата уранила под ультрафиолетом обусловлено ионом уранила UO₂²⁺, который является одним из немногих неорганических ионов с сильной флуоресценцией.
• В детективах и шпионских романах середины XX века нитрат уранила часто фигурировал как «секретный ингредиент» для изготовления атомной бомбы, хотя на практике он является лишь промежуточным продуктом.

Источники

• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969. — Т. 3.
• Громов Б. В. Введение в химическую технологию урана. — М.: Атомиздат, 1978.
• Радиационная безопасность. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009.
• Справочник химика / под ред. Б. П. Никольского. — 2-е изд. — М.-Л.: Химия, 1966. — Т. 1.
• Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.