塩化ウラン(IV)

四塩化ウラン：合成、性質、用途

四塩化[ウラン]は、ウランと塩素の化合物で、ウランの酸化数は+4です。暗緑色の吸湿性固体として知られ、ウラン濃縮プロセスや有機ウラン化学において重要な役割を果たしています。

合成法

四塩化[ウラン]]の合成は、酸化ウラン]とヘキサクロロプロペンとの反応によって一般的に行われます。また、有機溶媒中で[塩化水素とヨウ化ウラン]を反応させることで、四塩化[[ウラン付加溶媒を得ることも可能です。これらの合成法は、目的とする四塩化ウランの純度や用途によって選択されます。

物理的および化学的性質

四塩化ウランは、吸湿性のある暗緑色の固体です。高真空下で500℃に加熱すると分解します。結晶構造において、ウラン原子は8つの塩素原子に囲まれており、U-Cl結合長は264 pmと287 pmの2種類が存在します。これは、ウラン原子の配位環境の複雑さを示しています。

四塩化[ウラン]]はルイス酸として作用し、非プロトン性ルイス塩基性溶媒に溶解します。一方、プロトン性溶媒への溶解は複雑で、水に溶解させるとウランアクアイオン[U(H₂O)ₓ]⁴⁺(x=8または9)を形成します。このアクアイオンは加水分解を受けやすく、酸性度によってその挙動が大きく変化します。pH 0以下の強酸性条件下では加水分解は抑制されますが、pHが上昇すると加水分解が進行し、[U(H₂O)ₓ₋₁(OH)]³⁺などの加水分解種が生成します。この加水分解反応の[[酸解離定数]は約1.6です。

アルコールとの反応では加溶媒分解が起こり、四塩化ウランからアルコキシドが生成します。また、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミドなどの非プロトン性溶媒にも溶解し、溶媒和化合物を形成します。しかし、溶媒に水分が含まれていると加水分解が生じるため、溶媒の厳格な脱水処理が不可欠です。

四塩化ウランの溶液は空気酸化を受けやすく、ウラニルイオン錯体を形成します。この酸化反応は、四塩化ウランの取り扱いにおいて注意が必要な点です。

用途

四塩化[ウラン]]は、商業的には純粋な酸化ウラン]と[[四塩化炭素を370℃で反応させることで生産されます。主な用途の一つは、電磁的同位体分離(EMIS)によるウラン濃縮です。

1944年、オークリッジのY-12国家安全保障複合施設では、酸化[ウラン]から四塩化ウランを生産する工程が開始され、マンハッタン計画の一環としてカルトロン計画に供給されました。カルトロン計画では、六フッ化ウランに比べて腐食性が低いという利点から四塩化ウランが用いられました。しかし、不純物として猛毒のホスゲンを含むため、厳重な管理が求められました。この方法は1950年代には使われなくなりましたが、1980年代にイラクが核兵器開発計画で復活させています。この方法では、四塩化ウランをイオン化してウランプラズマを得て、磁場を用いてウラン235を濃縮していました。しかし、高電力消費と低回収率という欠点から、大規模な濃縮施設では採用されていません。

近年では、四塩化ウランとアルカリ金属塩化物を溶融させた溶融塩が、溶融塩原子炉の燃料として研究されています。また、塩化リチウム-塩化カリウム共晶混合物と共に溶解した四塩化ウランは、熱化学的再処理による使用済み核燃料からのアクチノイド除去技術の研究開発においても注目されています。

四塩化ウランは、その独特の性質と歴史的背景から、核燃料サイクルや原子力関連技術において重要な役割を担ってきた化合物です。今後の研究開発によって、新たな用途が見出される可能性も秘めています。

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