Palivo pre "Valkyrie" • Arkady Kuramshin • Vedecko-populárne úlohy na "prvkoch" • Chémia

Palivo pre „Valkyrie“

V 50-tych rokoch 20. storočia letecké sily Spojených štátov začali s vývojom nadzvukového bombardéra vysokej nadmorskej výšky, ktorého konštrukcia bola navrhnutá pre špeciálne palivo. V roku 1964 prvý z dvoch prototypov lietadla, nazývaný XB-70 Valkyrie (XB-70 Valkyrie), urobil svoj prvý let a po dokončení 33 pilotných letov v roku 1969 odišiel do dôchodku a odletel do Národného múzea USAF na základni vzdušných síl Wright-Patterson.

US Air Force XB-70A "Valkyrie" nadzvukový bombardér

Druhé lietadlo sa 8. júna 1966 zrútilo počas natáčania komerčnej zbierky, v rozpore s bojovníkom F-104 (pozri video). Po páde jedného z prototypov a pravdepodobne po nových spravodajských informáciách o významnom zvýšení schopností sovietskej vzdušnej obrany boli projekty súvisiace s výstavbou nadzvukových bombardérov obmedzené.

Počas piatich rokov skúšobných letov sa pilotom a sprievodcom letiskami podarilo pokúsiť Valkyrie ako "zeleného draka" kvôli jasne zelenému plameňu vychádzajúcemu z dýz pracovných motorov tohto lietadla.

úloha

Teraz si predstavte, že vy, ako chemik, ste dostali do rúk vzorky Valkyrieho paliva (nazveme to palivo X) a vy, keď zistíte, že toto palivo je individuálna látka a nie zmes (ako obvykle sa takéto problémy nevyriešia bez určitého predpokladu), rozhodli ste sa rozlúštiť vzorec paliva.

Je známe, že pri izbovej teplote palivo X Je to bezfarebná kvapalina s kyslou vôňou s teplotou varu 61 ° C. Pri 100 ° C a pri normálnom atmosférickom tlaku je hustota pary palivo X je 2,06 g / l – pravda, pracovať s X paliva pri takejto teplote je nebezpečná: zapáli sa spontánne na vzduchu.

Jediné produkty spaľovania 6,3 g palivo X 8,1 g vody a 17,4 g oxidu pevného pri izbovej teplote je v kyslíku (alebo vzduchu) obsahujúceho 68,94% kyslíka (vztiahnuté na hmotnosť). Pri pary horúcej vody palivo X reaguje s uvoľňovaním vodíka a tvorbou kyseliny Bodvodené od oxidu .

určiť molekulárny vzorec palivo X. Zapíšte si rovnice jeho reakcie s kyslíkom a vodnou parou.


Tip 1

Nie je príliš veľa chemických prvkov, ktorých zložky môžu farbu plameňa vyfarbiť zelene.


Tip 2

Ako skúsenosti mnohých účastníkov chemických olympiád na rôznych úrovniach učí, neviete, kde začať – určite molekulovú hmotnosť! Dáta v tomto probléme stačia na to, aby ste túto skúsenosť sledovali.


Tip 3

Ak ste v dôsledku výpočtov získali molekulárny vzorec, ktorý nie je veľmi v súlade s valenčnou schopnosťou prvkov tvoriacich látku X predpovedaných periodickým systémom (a pravdepodobne zdravým rozumom), nebojte sa. Niekedy sa to stane.


rozhodnutie

Informácie, ktoré pri spálení palivo X len voda a oxid sú vytvorené (a tuhé), čo umožňuje konštatovať, že palivo je binárna vodíková zlúčenina akéhokoľvek prvku. Prítomnosť kyslíka v tejto zlúčenine je nepravdepodobná: v látke, ktorej hlavným účelom je spaľovanie kyslíka pri uvoľňovaní energie, prítomnosť kyslíka zníži jej výhrevnosť.

Informácie o kvapalnom stave agregácie spojené s nízkou teplotou varu umožňujú vyradiť verziu hydridu kovu a dospieť k záveru, že palivo X – nekovová vodíková zlúčenina. Napokon, hydridy aktívnych kovov sú látky s väzbami, ktoré môžu byť skôr opísané ako iónové, čo spôsobuje ich pevný agregačný stav, nízku prchavosť a vysokú teplotu varu.

Predpokladá sa, že tento nekovový – bór by mal vzniknúť už kvôli farbe plameňa, ktoré spaľovalo toto palivo,a niektoré informácie o chemických vlastnostiach. Hádanie však nestačí a musí to byť potvrdené výpočtom.

oxid obsahuje 68,94% kyslíka a 31,16% prvku. Z týchto hodnôt môžete vypočítať ekvivalentnú hmotnosť prvku (Me), uplatňujúc zákon ekvivalentov, ktorý znie: "Látky vstupujú do chemických reakcií a vytvárajú sa v nich v množstvách rovných alebo úmerných množstvám ich ekvivalentov; hmoty látok zapojených do chemickej reakcie a výsledkom ich výsledkov sú rovnaké alebo úmerné ekvivalentným hmotám týchto látok"Získavame ekvivalentnú hmotnosť elementu Me = 3,62.

Ekvivalent molárnej hmotnosti jednoduchej látky sa môže určiť podľa vzorca:

\ M_E (\ mathit {simple \ substance}) = \ dfrac {A (\ mathit %}} {CO}

kde (element– atómová hmotnosť prvku, ktorý tvorí jednoduchú látku, a – CO – stupeň oxidácie (modulo), ktorý element získava v dôsledku chemickej reakcie.

Na základe tohto vzorca môže byť atómová hmotnosť prvku určená iteráciou vynásobením ekvivalentnej hmotnosti možnými hodnotami stupňa oxidácie.

Pri oxidačnom stave 3 sa získa atómová hmotnosť prvku 10.8, ktorý zodpovedá atómovej hmotnosti bóru, to znamená, palivo X – vodíková zlúčenina bóru, vzorec, pre ktorý píšeme akoxHy.

Hustota výparov daná vo vyhlásení o probléme hovorí, že pri 100 ° C (373 K) a pri normálnom atmosférickom tlaku (101,3 Pa) 2,06 gramov palivo X obsadiť objem 1 liter. Podľa rovnice Mendeleeva – Clapeyrona [P \ times V = \ dfrac m M \ krát R \ čas T] nájdeme molekulovú hmotnosť palivo X:

\ [M = \ dfrac {m \ krát R \ časy R} {P \ časy V}.]

Molekulová hmotnosť (ak správne pretlačíte teplotu na absolútnu hodnotu a zaznamenáte tlak v pascaloch) je 63 g / mol. Potom môžete ísť dvoma spôsobmi:

1. Podľa výsledkov horľavých látok v kyslíku. Vzor spaľovania palivo X:

BxHna + O2 → x / 2B2O3 + y / 2H2O, pri spaľovaní 0,1 mol paliva, 0,25 mol oxidu bóru a 0,45 mol vody, potom x = 5, y = 9 a požadovaný vzorec je B5H9.

2. analyticky:

v X paliva nie je možné obsiahnuť štyri alebo menej atómov bóru, pretože pre x = 4 sa získa vzorec B4H20a pri troch externých elektrónov bóru na jeden nekovový atóm sa jednoducho nemôže vyskytnúť päť atómov vodíka, hmotnosť fragmentu B6 rovný 64,8 amu, čo je väčšie ako molárna hmotnosť paliva. Jedinou možnosťou je B5H9.

Táto látka, ktorá skutočne slúžila ako palivo pre experimentálne lietadlo amerického letectva, sa nazýva pentaboran-9 (v práci pentaboro-11-B je tiež menej energie a nebezpečnejšie)5H11).

reakcie:

Pri použití kyslíka: 2B5H9 + 12O2 = 5B2O3 + 9H2O.

S vodnou parou: B5H9 + 15H2O = 5 hodín3BO3 + 12H2.


Epilóg 1

(súvisiace s teóriou chémie)

Mnoho čitateľov, ktorí sú zvyknutí predpovedať valenciu chemického prvku, a teda aj vzorce jeho vyšších oxidov a prchavých vodíkových zlúčenín, molekulový vzorec palivo X B5H9 (rovnako ako vzorec pre jeho analóg B)5H11) sa môže zdať nezvyčajné a dokonca aj nesprávne. Zdá sa, že všetko je jednoduché: bór je v hlavnej podskupine tretej skupiny, má tri elektróny na vonkajšej elektrónovej úrovni, ktoré sa môžu spájať s tromi elektrónmi troch atómov vodíka a vodíková zlúčenina bóru môže byť napísaná ako BH3, Nie sú to však: molekuly BH3 neexistuje a najjednoduchším bórhydridom je diborán, ktorého vzorec je B2H6.

Dôvodom je, že prvky hlavných podskupín, ku ktorým patrí bór, majú tendenciu naplňovať vonkajší plášť až osem elektrónov. V súlade s pravidlom elektronických oktetov (Lewisovo pravidlo) je stabilná elektrónová škrupina izoelektrónna škrupina (pozri Isoelektronická séria) voči inertným plynom. Vytváraním chemických väzieb (iónových aj kovalentných) majú atómy tendenciu darovať alebo prijímať toľko elektrónov ako zabezpečiť prítomnosť ôsmich elektrónov na svojej vonkajšej vrstve.

Bór má len tri elektróny na vonkajšej (valenčnej) úrovni, teda v hypotetickej zlúčenine BH3 na vonkajšej elektrónovej vrstve bóru sa umiestni šesť elektrónov. Takáto konfigurácia nebude stabilná, a preto zlúčeniny so šesť-elektrónovou škrupinou nebudú stabilné a jednoducho nemôžu existovať. Na zvýšenie stability svojich zlúčenín má bór tendenciu prijať k tejto orbitálnej dvojici elektrónov už vytvorených kovalentných väzieb. V konečnom dôsledku sa vytvárajú takzvané multi-stredné väzby, v ktorých môže dvojica (alebo viac elektrónov) súčasne patriť k viac ako dvom jadrom (obrázok 1).

Obr. 1. Štruktúra diboránu. Je známe, že kratšia dĺžka chemickej väzby znamená svoju väčšiu pevnosť, to znamená, že pevné chemické väzby majú menšiu interatomickú vzdialenosť. Na základe toho môžeme konštatovať, že diatomické B-H väzby (dĺžka 119 pikometrov) sú silnejšie ako interakcia v štyroch stredných štyroch elektrónových väzbách (dĺžka 131 pm). Obrázok z en.wikipedia.org

Zloženie zlúčenín s multicentrickými kovalentnými väzbami sa často líši od kompozície, ktorá sa dá predpovedať na základe použitia "zvyčajnej" teórie valenčných väzieb, kde jednotlivá,dvojitá alebo trojitá väzba môže byť vytvorená len medzi dvomi atómami (to znamená, že oblak elektrónov môže patriť iba dvom atómom naraz – dve centrá tvoriace väzbu).

Štúdium chemických väzieb v boránoch umožnilo nielen stanoviť, že teória valenčných väzieb a klasických valenčných stavov nemôže vždy predpovedať a opísať zloženie a štruktúru chemických látok, ale tiež vyvolala otázku novej definície valencie a iných charakteristík kovalentnej väzby, Aktuálna definícia valencie IUPAC nemožno považovať za ideálnu: "mocnosťou – maximálna suma jednomocné atómy (spočiatku vodík alebo chlór), ktoré sa môžu skombinovať s prvkom alebo fragmentom alebo s tým, čo môže byť tento atóm nahradený"Je možné ho definovať." Je zrejmé, že definovať počet univalentných atómov (napríklad). fenoménom, pomocou slova, ktoré je odvodené od tohto javu, trochu nelogické.


Slovo 2

(súvisiace s praktickým významom projektu "Valkyrie" pre chémiu)

Borodovodnuyu palivo bolo vybrané pre "Valkyrie" nie je náhodná.Pretože sú borany popálené za vzniku pevného kryštalického oxidu bóru B2O3, a uhľovodíky – s tvorbou plynného CO2, pri spaľovaní borohydridov sa uvoľňuje viac energie ("dodatočné" spaľovanie tepla, medzi produktmi spaľovania, ktoré sú tuhé kryštalické látky, nie je nič iné ako energia uvoľnená počas tvorby kryštalickej mriežky tuhého produktu spaľovania). Napríklad pri spaľovaní jedného gramu etánu C2H6 51,4 kJ sa uvoľní a keď sa spája jeden gram diboránu B2H6 – takmer jeden a pol krát viac, 72,7 kJ. Je logické predpokladať, že čím viac energie sa uvoľní počas spaľovania paliva, tým menej bude potrebné palivo, aby sa lietalo na určitej vzdialenosti alebo môžete nahrať viac užitočného zaťaženia.

Použitie borohydrového paliva pre svoju vysokú energetickú účinnosť bolo komplikované veľkým množstvom faktorov, ako je vysoká horľavosť, citlivosť na pôsobenie vlhkosti vo vzduchu a vysoká toxicita v porovnaní s uhľovodíkmi (čo nakoniec viedlo k tomu, že XB-70 Valkyrie a zostáva jediným známym leteckým palivom s obsahom boránu).

Pri práci na projektoch v oblasti letectva a kozmického priestoru a pri vytváraní účinných palív sa usilovali o "kroucenie boránov" a tieto pokusy boli úspešné. Bola objavená a syntetizovaná trieda zlúčenín, ako sú karborány. Ide o organoborónové zlúčeniny všeobecného vzorca [(CH)(BH)mHb]Ckde a = 1-6 (zvyčajne nie viac ako 2), m = 3-10. Karborany s počtom atómov bóru od troch do piatich sa nazývajú "nižšie" karborány. V polyhedrálnej molekule sa "stredné" karborány pohybujú od šiestich do deviatich atómov bóru. Štruktúry vyšších izomérnych karboránov zahŕňajú 10 atómov bóru. Karbónové molekuly sú polyhedra, zatiaľ čo skupiny CH a atómy bóru sú umiestnené na vrcholoch polyhedrónu a atómy vodíka spojené s bórom môžu tvoriť ako dvojstredné, tak multicentrické chemické väzby. Známe ako neutrálne karborány (c = 0, v tomto prípade je všeobecný vzorec (CH)(BH)mHa + m) a iónov (katiónov a aniónov) založených na týchto štruktúrach.

V literatúre sa uvádza, že prvé sacharidy boli získané už v 50. rokoch práve počas vývoja projektov na vytvorenie nového paliva.Tieto výsledky sa však klasifikovali a informácie o syntéze karboránov sa prvýkrát objavili v otvorenej vedeckej tlači v roku 1963, kedy boli články Leonid Ivanovič Zakharkin (v ZSSR) a William Lipscomb (v USA) publikované nezávisle od seba. V ruskej vedeckej nomenklatúre sa namiesto termínu "carborane" používal termín "baren" (informácie o tom, či experimenty s boránmi a karborány boli súčasťou vesmírnych programov ZSSR, nie sú v spoľahlivých zdrojoch).

Najskúsenejší a najlepšie dokazuje zvýšenie odolnosti počas prechodu z boránov na karborány Carboran-10, ktorého vzorec je C2B10H12, Carbourne-10 sa skladá z 10 atómov bóru a dvoch uhlíkových atómov, ktoré sa nachádzajú na vrcholoch bežného dvadsiatich hexaedrónov (ikosahedrón). Každý atóm bóru a uhlíka, ktorý sa nachádza na vrcholoch ikosahedra, je naviazaný na atóm vodíka.

Ortho-, meta- a para-karborány-10 sú známe (obrázok 2). Ortokarboran je veľmi odolný voči silným kyselinám, zásadám a oxidačným činidlám, čo významne odlišuje jeho vlastnosti od vysoko reaktívnych boránov. Jeho teplota topenia je 287 až 293 ° C. Carborane odoláva zahriatiu na teplotu 450 ° C, nad ktorou je kostra izomerizovaná na meta-karborán, nad 600 ° C sa vytvorí para-karbonán.

Obr. 2. Ortho-, meta- a para-karborány (zľava doprava). Biele gule sú zobrazené atómy uhlíka, malina – atómy bóru; atómy vodíka sa nezobrazujú na zjednodušenie obrazu. Obrázok z nanomed.missouri.edu

Väčšina karboránov sa ukázala byť objemnými aromatickými systémami, atómy vodíka s uhlíkom sa správajú ako atómy vodíka v benzéne a vstupujú do elektrofilných substitučných reakcií. Ak porovnáme orto-, meta- a para-karborány, potom elektrofilná substitúcia prebieha najaktívnejšie v orto-karboráne.

Objav karboranov v jeho meradle ďaleko prevyšoval praktické úlohy, ktoré boli stanovené na začiatku výskumu a ktoré boli výlučne aplikovanej povahy. Vznik karboranu označil novú kapitolu v chemickej vede a stal sa jednou z najvýznamnejších udalostí v chémii XX. Storočia. Štúdium karboránov umožnilo výskumníkom formulovať koncepciu multicentrických väzieb opísaných vyššie. V konečnom dôsledku štúdium štruktúry karboránov umožnilo predpovedať existenciu fullerenov – konvexné uzavreté polyhedry pozostávajúce z párneho počtu troch koordinovaných atómov uhlíka (obrázok 3), ktorého experimentálne objavenie v roku 1996 Robert Curl,Harold Kroto a Richard Smalley dostali Nobelovu cenu za chémiu.

Obr. 3. Fulleren (vľavo) a orto-karborán. Obrázok z článku: Yan Z. Voloshin a kol., 2015.

Nikto nezačal používať karborány ako palivo: technológia ich výroby je dostatočne nákladná na použitie týchto látok na jednoduché spaľovanie, ale karborány a ich deriváty slúžia nielen na vytvorenie nových teoretických konceptov. Teraz sa karborány a ich deriváty používajú v procesoch s vyššou technológiou ako jednoduché vytváranie palív: z nich sú tepelne odolné polymérne materiály a lepiace kompozície. Karborány sa používajú pri tvorbe materiálov bóru a uhlíka pre solárne články, ako aj pri tvorbe liekov používaných na liečbu malígnych nádorov.


Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: