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Trimolecular Reactions of Uranium Hexafluoride with Water

化学 分子 六氟化铀 放热反应 反应机理 密度泛函理论 物理化学 水解 计算化学 有机化学 热力学 催化作用 物理 冶金 材料科学
作者
Maria C. Lind,Stephen L. Garrison,James M. Becnel
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:114 (13): 4641-4646 被引量:17
标识
DOI:10.1021/jp909368g
摘要

The hydrolysis reaction of uranium hexafluoride (UF(6)) is a key step in the synthesis of uranium dioxide (UO(2)) powder for nuclear fuels. Mechanisms for the hydrolysis reactions are studied here with density functional theory and the Stuttgart small-core scalar relativistic pseudopotential and associated basis set for uranium. The reaction of a single UF(6) molecule with a water molecule in the gas phase has been previously predicted to proceed over a relatively sizable barrier of 78.2 kJ x mol(-1), indicating this reaction is only feasible at elevated temperatures. Given the observed formation of a second morphology for the UO(2) product coupled with the observations of rapid, spontaneous hydrolysis at ambient conditions, an alternate reaction pathway must exist. In the present work, two trimolecular hydrolysis mechanisms are studied with density functional theory: (1) the reaction between two UF(6) molecules and one water molecule, and (2) the reaction of two water molecules with a single UF(6) molecule. The predicted reaction of two UF(6) molecules with one water molecule displays an interesting "fluorine-shuttle" mechanism, a significant energy barrier of 69.0 kJ x mol(-1) to the formation of UF(5)OH, and an enthalpy of reaction (DeltaH(298)) of +17.9 kJ x mol(-1). The reaction of a single UF(6) molecule with two water molecules displays a "proton-shuttle" mechanism, and is more favorable, having a slightly lower computed energy barrier of 58.9 kJ x mol(-1) and an exothermic enthalpy of reaction (DeltaH(298)) of -13.9 kJ x mol(-1). The exothermic nature of the overall UF(6) + 2H(2)O trimolecular reaction and the lowering of the barrier height with respect to the bimolecular reaction are encouraging.
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