氫化鈾

氫化鈾，又稱三氫化鈾(${\displaystyle {\ce {UH3}}}$)，為鈾的氫化物。

氫化鈾
別名	氫化鈾(III)[1] 三氫化鈾[2][3]
識別
CAS號	13598-56-6  Y
ChemSpider	25935465
SMILES	[UH3]
性質
化學式	UH 3
莫耳質量	241.05273 g·mol⁻¹
密度	10.95 g cm−3
溶解性（水）	反應
結構
晶體結構	立方晶系，cP32
空間群	Pm3n, No. 223
晶格常數	a = 664.3 pm[4]
危險性
MSDS	ibilabs.com
閃點	自燃
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

性質

氫化鈾是一種劇毒的棕褐色至棕黑色，可自燃粉末或脆性固體。 它在 20°C 下的密度是 10.95 g cm⁻³，大大低於鈾的密度 (19.1 g cm⁻³)。 它具有金屬導電性，在鹽酸中微溶，在硝酸中分解。

氫化鈾的兩種晶體均為立方晶體：在低溫下獲得的α形式和在溫度高於250℃時產生的β形式。^[5] 兩種形式在室溫及低於室溫的溫度下都是亞穩態的，但加熱至100°C時，α形式會緩慢轉變為β形式。^[3] ${\displaystyle {\ce {\alpha - UH3}}}$和${\displaystyle {\ce {\beta - UH3}}}$在低於180K的溫度下均為鐵磁性，高於180K時為順磁性的。^[6]

以鈾金屬為原料製備

和氫氣的反應

鈾金屬暴露於氫氣中會導致氫脆。氫在金屬中擴散並在晶粒邊界形成脆性氫化物的網絡。通過真空中的退火可以除去其中的氫並恢復延展性。^[7]

金屬鈾加熱到250至300°C(482至572°F)會和氫氣反應，形成氫化鈾。 加熱到 500°C 則會釋放氫氣。 此特性使氫化鈾成為各種鈾的碳化物、氮化物和鹵化物的理想原料，可用於製備反應性鈾粉末。^[5] 這個可逆反應如下：^[2]

${\displaystyle {\ce {2U + 3H2 -> 2UH3}}}$

氫化鈾不是間隙化合物（英語：Interstitial compound），導致金屬在形成氫化物時膨脹。 在其晶格中，每個鈾原子被另外6個鈾原子和12個氫原子包圍；每個氫原子在晶格中占據一個大的四面體孔。^[8] 氫化鈾中的氫密度與液態水或液態氫中的氫密度大致相同。^[9] 通過氫原子的U-H-U橋鍵存在於結構中。^[10]

和水的反應

當鈾金屬暴露在水蒸氣中時，會形成氫化鈾。反應進行如下：

${\displaystyle {\ce {7U + 6 H2O -> 3UO2 + 4UH3}}}$

這時產生的氫化鈾是可自燃的；如果此後將金屬（例如:損壞的燃料棒）暴露在空氣中，則可能會產生過多的熱量，並且鈾金屬本身也會燃燒。^[11] 通過暴露於98％氦與2％氧的氣體混合物中，可以將被氫化物污染的鈾鈍化。^[12] 鈾金屬上的冷凝水促進了氫和氫化鈾的形成；在沒有氧的情況下可以形成可自燃表面。^[13] 這給乏核燃料池（英語：Spent fuel pool）中的乏核燃料的水下儲存帶來了問題。根據氫化物顆粒的大小和分布，在不確定的暴露時間後會發生自燃。^[14] 這樣的暴露帶來放射性廢物儲存庫中燃料碎片自燃的風險。^[15]

暴露於蒸汽中的鈾金屬產生氫化鈾和二氧化鈾的混合物。^[8]

氫化鈾與水接觸會生成氫氣。它與強氧化劑接觸，可能會引起火災和爆炸。它與鹵代烴接觸可能引起劇烈反應。^[16]

應用

氫 、氘和氚可通過與鈾反應，然後用熱分解生成的氫化物/氘化物/氚化物來純化。 ^[17] 數十年來，人們已經從氫化鈾中製備了極其純淨的氫氣。 ^[18] 加熱氫化鈾是將氫引入真空系統的便捷方法。 ^[19]

如果粉末狀的氫化鈾發生熱分解，則氫化鈾合成時的溶脹和粉碎可用於製備非常細的鈾金屬。

氫化鈾可用於氫的同位素分離，製備鈾金屬粉末，並用作還原劑 。