Esafluoruro di uranio: sintesi, reazioni, usi

L’esafluoruro di uranio è un composto inorganico avente formula UF₆.
Poiché il fluoro ha un solo isotopo stabile ovvero ¹⁹F mentre l’uranio ha due isotopi stabili l’esafluoruro di uranio può essere considerato come una miscela binaria di ²³⁵UF₆ e ²³⁸UF₆.

È una specie cristallina bianca che somiglia a una roccia di sale e presenta una geometria molecolare ottaedrica. È solubile in cloroformio, tetracloruro di carbonio, bromo e cloro liquido. Si solubilizza in nitrobenzene.

A pressione atmosferica si presenta allo stato solido a una temperatura al di sotto di 57°C e sublima a una temperatura maggiore. È liquido a valori di temperatura maggiori di 64°C se la pressione è maggiore di 1.5 atm

Sintesi dell’esafluoruro di uranio

I chimici tedeschi Ruff e Heinzelmann nel 1911 sintetizzarono l’esafluoruro di uranio per la prima volta sia tramite la fluorurazione dell’uranio che dalla fluorurazione del carburo di uranio.
L’esafluoruro di uranio può essere ottenuto attraverso diverse vie sintetiche:

• facendo reagire pellets di uranio sotto forma di piccole sfere con il fluoro a 727 °C e alla pressione di 1 atm secondo la reazione:
  U_(s) + 3 F_2(g) → UF_6(g)

Si ritiene che la diffusione molecolare del fluoro sulla superficie delle sfere di uranio sia lo stadio lento della reazione.

• in una reazione a due stadi: facendo reagire biossido di uranio con fluoruro di idrogeno a 550°C con formazione di tetrafluoruro di uranio di colore verde:
  UO₂ + 4 HF → UF₄ + 2 H₂O
  il tetrafluoruro di uranio viene poi fatto reagire con fluoro a una temperatura di 250-400°C
  UF₄ + F₂ → UF₆

• facendo reagire il tetrafluoruro di uranio con ossigeno a 800°C con formazione di esafluoruro di uranio e fluoruro di uranile:
  2 UF₄ + O₂ → UF₆ + UO₂F₂
  facendo reagire a 350 °C il carburo di uranio con il fluoro con formazione di esafluoruro di uranio e tetrafluoruro di carbonio:
  UC₂ + 7 F₂ → UF₆+ 2 CF₄

Reazioni

L’esafluoruro di uranio non reagisce con ossigeno, azoto, biossido di carbonio e aria secca ma reagisce con l’acqua.

Reagisce:

• con l’acqua per dare acido fluoridrico e fluoruro di uranile:
  UF₆ + 2 H₂O → UO₂F₂ + 4 HF

• con l’ammoniaca a una temperatura tra i 200 e i 300°C per dare ammonio uranio pentafluoruro, fluoruro di ammonio e azoto secondo la reazione:
  3 UF₆ +8 NH₃ → 3 NH₄UF₅ + 3 NH₄F + N₂

• con l’idrogeno a una temperatura di 1200-1700 °C per dare tetrafluoruro di uranio e fluoruro di idrogeno secondo la reazione di riduzione:
  UF₆ + H₂  → UF₄ + 2 HF

Usi

È utilizzato nei processi di arricchimento dell’uranio. L’isotopo dell’uranio che viene utilizzato nelle centrali atomiche è ²³⁵U e il processo di concentrazione di questo isotopo detto di arricchimento, per separare i due isotopi ²³⁵U e ²³⁸U non può essere effettuato per via chimica.

Pertanto viene fatto passare l’esafluoruro di uranio costituito dalla miscela dei due isotopi attraverso setti porosi e poiché ²³⁵UF₆ ha una massa minore rispetto a ²³⁸UF₆ ha una velocità di diffusione maggiore. Utilizzando un elevato numero di setti porosi si ottiene un arricchimento del ²³⁵UF₆.

Alla fine del processo l’esafluoruro di uranio viene decomposto a uranio secondo la reazione:
UF₆ → U + 3 F₂
L’uranio ottenuto viene poi ossidato a biossido di uranio che viene utilizzato come combustibile fissile.