Brændstof til "Valkyrie" • Arkady Kuramshin • Videnskabeligt populære opgaver på "Elements" • Kemi

Brændstof til “Valkyrie”

I 1950'erne begyndte De Forenede Staters Luftvåben udviklingen af ​​en supersonisk bombefly med høj højde, hvis konstruktion var designet til specialbrændstof. I 1964 lavede den første af to prototyper af flyet, kaldet XB-70 Valkyrie (XB-70 Valkyrie) sin første flyvning, og efter at have afsluttet 33 pilotflyvninger, i 1969 pensioneret og fløj til National Museum of USAF på Air Force base Wright-Patterson.

US Air Force XB-70A "Valkyrie" supersonisk bombefly

Det andet fly styrede den 8. juni 1966 under optagelsen af ​​den kommercielle kollision med F-104-fighteren (se video). Efter sammenbruddet af et af prototyperne og muligvis efter de nye efterretningsoplysninger om den betydelige forbedring af kapaciteten i det sovjetiske luftforsvar blev projekterne i forbindelse med opbygningen af ​​supersoniske bombefly begrænset.

I fem års testflyvninger lykkedes piloter og flyvebeboere at dræbe Valkyrie som den "grønne drage" på grund af den lyse grønne flamme, der stammer fra dyserne fra arbejdsmotorerne på dette fly.

opgave

Forestil dig nu, at du som kemiker fik fat i en prøve af Valkyries brændstof (lad os kalde det brændstof X), og efter at du har fundet ud af, at dette brændstof er et enkelt stof, og ikke en blanding (som sædvanlig, er sådanne problemer ikke løst uden en bestemt antagelse), besluttede du at dechiffrere brændstofets formel.

Det vides at ved stuetemperatur brændstof X Det er en farveløs væske med en sur lugt, kogende ved 61 ° C. Ved 100 ° C og normalt atmosfærisk tryk, damptæthed brændstof X er 2,06 g / l – sandt, arbejde med X brændstof ved en sådan temperatur er farlig: den antændes spontant i luften.

De eneste forbrændingsprodukter af 6,3 g brændstof X 8,1 g vand og 17,4 g oxid fast stof ved stuetemperatur er i oxygen (eller luft) Enindeholdende 68,94% oxygen (efter vægt). Med varmt vand damp brændstof X reagerer med frigivelsen af ​​hydrogen og dannelsen af ​​syre Bafledt af oxid En.

Bestem molekylær formel brændstof X. Skriv ned ligninger af dets reaktion med oxygen og vanddamp.


Tip 1

Der er ikke for mange kemiske elementer, hvis forbindelser kan male flammen grønt.


Tip 2

Som erfaringer fra mange deltagere i kemiske olympiader på forskellige niveauer lærer, ved du ikke, hvor du skal starte – bestem molekylvægten! Dataene i problemet er nok til at følge denne oplevelse.


Tip 3

Hvis du som resultat af beregningerne har opnået en molekylær formel, der ikke er meget i overensstemmelse med valensevnen af ​​de elementer, der danner substans X, der forudsiges af det periodiske system (og sandsynligvis sund fornuft), skal du ikke bekymre dig. Nogle gange sker det.


beslutning

Oplysninger, der ved brænding brændstof X kun vand og oxid dannes (og faststof), hvilket gør det muligt at konkludere, at brændstoffet er en binær hydrogenforbindelse af ethvert element. Tilstedeværelsen af ​​ilt i denne forbindelse er usandsynligt: ​​i et stof, hvis hovedformål er at brænde i oxygen med frigivelse af energi, vil tilstedeværelsen af ​​oxygen reducere brændværdien.

Oplysninger om aggregatets flydende tilstand kombineret med et lavt kogepunkt gør det muligt at kassere versionen af ​​metalhydridet og konkludere brændstof X – nonmetal hydrogenforbindelse Når alt kommer til alt er hydriderne af aktive metaller stoffer med bindinger, som i stedet kan beskrives som ioniske, hvilket forårsager deres faste aggregerende tilstand, lav volatilitet og højt kogepunkt.

Den formodning om, at dette ikke-metalbor skal opstå allerede på grund af farven på den flamme, der brændte dette brændstof,og nogle oplysninger om kemiske egenskaber. Gætteri er dog ikke nok, og det skal bekræftes ved beregning.

oxid En indeholder 68,94% oxygen og 31,16% af elementet. Fra disse værdier kan du beregne den ækvivalente masse af elementet (Me), der anvender ækvivalensloven, der lyder: "Stoffer indgår kemiske reaktioner og dannes i dem i mængder svarende til eller proportional med mængderne af deres ækvivalenter; Masserne af stoffer, der er involveret i en kemisk reaktion og resulterer i resultatet er lige eller proportional med de tilsvarende masser af disse stoffer". Vi får den ækvivalente masse af elementet Me = 3,62.

Molmasseækvivalenten af ​​et enkelt stof kan bestemmes ved formlen:

\ [M_E (\ mathit {simple \ subst.}) = \ Dfrac {A (\ mathit %)} {CO}. \]

hvor En(element) – elementets atommasse danner et simpelt stof, og CO – grad af oxidation (modulo), som elementet erhverver som et resultat af en kemisk reaktion.

Baseret på denne formel kan atommassen af ​​et element bestemmes ved iterering ved at multiplicere den ækvivalente masse ved de mulige værdier af graden af ​​oxidation.

Til oxidationstilstand 3 opnår vi atommassen af ​​elementet 10,8, hvilket svarer til atomens masse af bor, det vil sige, brændstof X – hydrogenforbindelse af bor, formlen for hvilken vi skriver somxHy.

Damptætheden angivet i problemstillingen siger at ved 100 ° C (373 K) og normalt atmosfærisk tryk (101,3 Pa) 2,06 gram brændstof X optage et volumen på 1 liter. Ifølge ligningen Mendeleev – Clapeyron \ [P \ gange V = \ dfrac m M \ gange R \ gange T \] finder vi molekylvægten brændstof X:

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

Molekylvægten (hvis du korrekt konverterede temperaturen til absolut og registreret trykket i pascaler) er 63 g / mol. Så kan du gå på to måder:

1. Ifølge resultaterne af brændende stoffer i ilt. Forbrændingsmønster brændstof X:

BxHved + O2 → x / 2B2O3 + y / 2H2O, når der brændes 0,1 mol brændstof, frigives 0,25 mol boroxid og 0,45 mol vand, derefter x = 5, y = 9, og den ønskede formel er B5H9.

2. analytisk:

i X brændstof fire eller færre boratomer kan ikke indeholdes, da for x = 4 opnås formel B.4H20, og med tre eksterne borelektroner pr. et ikke-metalatom kan der simpelthen ikke forekomme fem hydrogenatomer, massen af ​​fragment B6 svarende til 64,8 amu, hvilket er større end brændstofets molære masse. Den eneste mulighed venstre er B5H9.

Dette stof, der virkelig tjente som brændstof til forsøgsfly fra det amerikanske luftvåben, hedder pentaboran-9 (der er også mindre energi og farligere i arbejdet pentaboro-11 – B5H11).

reaktioner:

Med ilt: 2B5H9 + 12O2 = 5B2O3 + 9H2O.

Med vanddamp: B5H9 + 15H2O = 5 timer3BO3 + 12H2.


Epilog 1

(relateret til teorien om kemi)

Mange læsere, der er vant til at forudsige valensen af ​​et kemisk element og dermed formlerne af dets højere oxid og flygtige hydrogenforbindelser, den molekylære formel brændstof X B5H9 (såvel som formlen for dens analoge B5H11) kan virke usædvanlig og endda forkert. Det ser ud til, at alt er ret simpelt: Bor er i hovedgruppen af ​​den tredje gruppe, den har tre elektroner på det eksterne elektronniveau, der kan parre med tre elektroner på tre hydrogenatomer, og hydrogenforbindelsen af ​​bor kan skrives som BH3. Det er dog ikke: BH molekyler3 eksisterer ikke, og det enkleste borhydrid er diboran, hvis formel er B2H6.

Årsagen til dette er, at elementerne i de vigtigste undergrupper, som bor tilhører, har tendens til at fylde den ydre skal på op til otte elektroner. I overensstemmelse med reglen om elektroniske oktetter (Lewis-regel) er en stabil elektronskal en isoelektronisk skal (se Isoelektroniske serier) til inerte gasser. Ved at danne kemiske bindinger (både ioniske og kovalente) har atomer tendens til at donere eller acceptere så mange elektroner som at sikre tilstedeværelsen af ​​otte elektroner på deres ydre lag.

Bor har kun tre elektroner på det ydre (valens) niveau, derfor i den hypotetiske forbindelse BH3 På det ydre elektronlag af bor vil der være placeret seks elektroner. En sådan konfiguration vil ikke være stabil, og derfor vil forbindelser med en seks-elektronskal ikke være stabile og simpelthen ikke kunne eksistere. For at forøge stabiliteten af ​​dets forbindelser har bor tendens til at acceptere til dette kredsløb et par elektroner af allerede dannede kovalente bindinger. I sidste ende dannes de såkaldte multicenterbindinger, hvor et par (eller et større antal elektroner) samtidigt kan tilhøre mere end to kerner (figur 1).

Fig. 1. Diboranens struktur. Det er kendt, at den kortere længde af den kemiske binding indikerer dens større styrke, det vil sige, at de mere faste kemiske bindinger har en mindre interatomisk afstand. Baseret på dette kan vi konkludere, at diatomiske B-H bindinger (længde 119 picometre) er stærkere end interaktionen i en fire-center fire-elektronbinding (længde 131 pm). Billede fra en.wikipedia.org

Sammensætningen af ​​forbindelser med multicenter-kovalente bindinger adskiller sig ofte fra sammensætningen, der kunne forudsiges ud fra anvendelsen af ​​den "sædvanlige" teori om valensbindinger, hvor den enkelte,en dobbelt eller tredobbelt binding kan kun dannes mellem to atomer (det vil sige, en sky af elektroner kan kun tilhøre to atomer ad gangen – to centre danner en obligation).

Undersøgelsen af ​​kemisk binding i boraner gjorde det ikke kun muligt at bestemme, at teorien om valensbindinger og klassiske valence tilstande ikke altid kan forudsige og beskrive sammensætningen og strukturen af ​​kemiske stoffer, men også rejste spørgsmålet om behovet for en ny definition af valens og andre karakteristika ved den kovalente binding, IUPACs nuværende definition af valens kan ikke betragtes som ideel: "valens – maksimumsbeløb monovalent atomer (i første omgang hydrogen eller chlor), som kan kombinere med et element eller fragment, eller med hvad dette atom kan erstattes"Det kan defineres." Det er indlysende at definere antallet af univalente atomer (for eksempel). fænomen, ved hjælp af ordet, som er et derivat af dette fænomen, lidt ulogisk.


Efterord 2

(relateret til den praktiske betydning af projektet "Valkyrie" for kemi)

Borodovodnuyu brændstof blev valgt til "Valkyrie" er ikke utilsigtet.Da boraner brændes til dannelse af fast krystallinsk boroxid B2O3, og kulbrinter – med dannelsen af ​​gasformig CO2, under forbrændingen af ​​borhydrider frigøres mere energi (den "yderligere" forbrænding af stoffer blandt forbrændingsprodukterne, hvoraf der er faste krystallinske stoffer, er ikke mere end den energi, der frigives under dannelsen af ​​krystalgitteret af det faste forbrændingsprodukt). For eksempel, når man brænder et gram ethan C2H6 51,4 kJ frigives, og når et gram diboran B brændes2H6 – næsten en og en halv gange mere, 72,7 kJ. Det er logisk at antage, at jo mere energi frigives under forbrænding af brændstof, for eksempel vil der være mindre brændstof for at flyve en vis afstand, eller du kan indlæse mere nyttelast.

Brugen af ​​borhydrogengas brændstof til al dens høje energieffektivitet blev kompliceret af et stort antal faktorer, såsom høj brandfare, følsomhed overfor fugtighed i luften og høj toksicitet i forhold til kulbrinter (hvilket til sidst førte til, at XB-70 Valkyrie og forblive det eneste kendte flyboranbrændstof).

Mens der arbejdes på luftfart og rumfartsprojekter og om at skabe effektive brændstoffer, blev der forsøgt at "tæmme boraner", og disse forsøg var vellykkede. En klasse af forbindelser, såsom carboraner, blev opdaget og syntetiseret. Disse er organoboronforbindelser med den generelle formel [(CH)en(BH)mHb]chvor a = 1-6 (normalt ikke mere end 2), m = 3-10. Carboraner med antallet af atomer af bor fra tre til fem kaldes "lavere" karboraner. I et polyhedralt molekyle spænder "medium" karboraner fra seks til ni boratomer. Strukturerne af højere isomere carboraner indbefatter 10 boratomer. Carboranmolekyler er polyederer, hvor CH-grupperne og boratomerne er placeret i polyhedronens hjørner, og hydrogenatomerne forbundet med bor kan danne både to-center og multi-center kemiske bindinger. Kendt som neutrale carboraner (c = 0, i dette tilfælde er den generelle formel (CH)en(BH)mHa + m) og ioner (kationer og anioner) baseret på disse strukturer.

Litteraturen bemærker, at de første carbs blev opnået tilbage på 1950'erne, netop under udviklingen af ​​projekter for at skabe nyt brændstof.Disse resultater blev imidlertid klassificeret, og informationer om syntesen af ​​karboraner optrådte først i åben videnskabelig presse i 1963, hvor artikler af Leonid Ivanovich Zakharkin (i Sovjetunionen) og William Lipscomb (i USA) blev offentliggjort uafhængigt af hinanden. I den russiske videnskabelige nomenklatur blev udtrykket "baren" anvendt i stedet for udtrykket "carborane" (oplysninger om, hvorvidt forsøg med boraner og karboraner var en del af USSR's rumfartsprogrammer ikke findes i pålidelige kilder).

Den mest velundersøgte og mest velegnede viser stigningen i resistens under overgangen fra boraner til carboraner Carboran-10, hvis formel er C2B10H12. Carbourne-10 består af 10 boratomer og to carbonatomer, der ligger i hjørnerne af en regelmæssig tyve-hexagon (icosahedron). Hvert atom af bor og carbon, der er placeret ved krydsene af icosahedronen, er bundet til et hydrogenatom.

Orto-, meta- og para-carboraner-10 er kendt (figur 2). Ortho-carboran er meget modstandsdygtig overfor stærke syrer, baser og oxidationsmidler, som signifikant skelner dets egenskaber fra stærkt reaktive boraner. Smeltepunktet er 287-293 ° C. Carboran kan modstå opvarmning til en temperatur på 450 ° C, over hvilken dets skelet er isomeriseret i meta-carboran, over 600 ° C, der dannes para-carbonan.

Fig. 2. Orto-, meta- og para-carboraner (fra venstre mod højre). Hvide kugler kulstofatomer vises, hindbær – boratomer; hydrogenatomer vises ikke for at forenkle billedet. Billede fra nanomed.missouri.edu

De fleste karboraner viste sig at være voluminøse aromatiske systemer; hydrogenatomer med carbon opfører sig som hydrogenatomer i benzen, der indtræder i elektrofile substitutionsreaktioner. Hvis vi sammenligner ortho-, meta- og para-carboraner, finder den elektrofile substitution mest aktivt sted i ortho-carboran.

Opdagelsen af ​​karboraner i sin skala oversteg langt de praktiske opgaver, der blev sat i starten af ​​forskningen, som var af udelukkende anvendt natur. Udseendet af carboran markerede et nyt kapitel inden for kemisk videnskab og blev en af ​​de mest bemærkelsesværdige begivenheder inden for kemi af det XX århundrede. Undersøgelsen af ​​karboraner tillod forskere at formulere begrebet multicenterobligationer beskrevet ovenfor. I sidste ende gjorde undersøgelsen af ​​karboranernes struktur det muligt at forudse eksistensen af ​​fullerener – konvekse lukkede polyeder bestående af et lige antal trekoordinerede carbonatomer (figur 3) til den eksperimentelle opdagelse heraf i 1996 af Robert Curl,Harold Kroto og Richard Smalley modtog Nobelprisen i kemi.

Fig. 3. Fullerene (til venstre) og ortho-carboran. Figur fra artiklen: Yan Z. Voloshin et al., 2015.

Ingen begyndte at bruge karboraner som brændstof: Teknologien i deres produktion er tilstrækkeligt dyr til at anvende disse stoffer til simpel forbrænding, men carboraner og deres derivater tjener ikke kun til at skabe nye teoretiske begreber. Carboraner og deres derivater anvendes nu i mere højteknologiske processer end den simple opbygning af brændstof: af dem er varmebestandige polymere materialer og klæbemiddelsammensætninger. Carboraner anvendes til dannelse af borkarbonmaterialer til solceller, samt at skabe stoffer, der anvendes i neutronfangstbehandling til behandling af maligne tumorer.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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