Paliwo dla "Walkirii" • Arkady Kuramshin • Zadania naukowo-popularne w "Elementach" • Chemia

Paliwo dla „Walkirii”

W latach 50. XX wieku siły powietrzne Stanów Zjednoczonych rozpoczęły budowę naddźwiękowego bombowca o dużej wysokości, którego konstrukcja została zaprojektowana dla specjalnego paliwa. W 1964 roku, pierwszy z dwóch prototypów samolotu, zwany X Walkerie XB-70 (XB-70 Valkyrie), wykonał swój pierwszy lot, a po ukończeniu 33 lotów pilotów, w 1969 roku przeszedł na emeryturę i poleciał do Muzeum Narodowego USAF w bazie lotniczej Wright-Patterson.

Naddźwiękowy bombowiec US Air Force XB-70A "Valkyrie"

Drugi samolot z 8 czerwca 1966 r. Rozbił się podczas kręcenia reklamy, kolidując z myśliwcem F-104 (patrz wideo). Po katastrofie jednego z prototypów i, być może, po uzyskaniu nowych informacji wywiadowczych na temat znacznego zwiększenia możliwości radzieckiej obrony powietrznej, projekty związane z budową naddźwiękowych bombowców zostały ograniczone.

Przez pięć lat lotów próbnych piloci i lotniskowcy zdołali ochrzcić Walkirię jako "zielonego smoka" z powodu jasnego zielonego płomienia wydobywającego się z dysz pracujących silników tego samolotu.

Zadanie

Teraz wyobraź sobie, że ty, jako chemik, dostałeś się w ręce próbki paliwa Valkyrie (nazwijmy to paliwo X), a ty, po stwierdzeniu, że to paliwo jest pojedynczą substancją, a nie mieszaniną (jak zwykle takie problemy nie zostały rozwiązane bez pewnego założenia), zdecydowałeś się rozszyfrować formułę paliwa.

Wiadomo, że w temperaturze pokojowej paliwo X Jest to bezbarwna ciecz o kwaśnym zapachu, gotująca się w temperaturze 61 ° C. Przy 100 ° C i normalnym ciśnieniu atmosferycznym gęstość pary paliwo X wynosi 2,06 g / l – prawda, praca z X paliwa w takiej temperaturze jest niebezpieczna: zapala się samorzutnie w powietrzu.

Jedyne produkty spalania 6,3 g paliwo X 8,1 g wody i 17,4 g tlenkowego ciała stałego w temperaturze pokojowej zawiera tlen (lub powietrze) Azawierający 68,94% tlenu (wagowo). Z gorącą parą wodną paliwo X reaguje z uwalnianiem wodoru i powstawaniem kwasu Bpochodzące z tlenku A.

Ustal wzór cząsteczkowy paliwo X. Zapisz równania reakcji z tlenem i parą wodną.


Wskazówka 1

Nie ma zbyt wielu pierwiastków chemicznych, których związki mogą pomalować płomień na zielony.


Wskazówka 2

Jak uczy doświadczenie wielu uczestników olimpiady chemicznej na różnych poziomach, nie wiesz od czego zacząć – określ masę cząsteczkową! Dane występujące w problemie wystarczą, aby śledzić to doświadczenie.


Wskazówka 3

Jeśli w wyniku obliczeń otrzymasz wzór cząsteczkowy, który nie jest bardzo spójny z walencyjnymi właściwościami pierwiastków tworzących substancję X przewidywaną przez Układ Okresowy (i, prawdopodobnie, zdrowy rozsądek), nie martw się. Czasami to się dzieje.


Rozwiązanie

Informacje, które po spaleniu paliwo X tworzy się tylko woda i tlenek (i ciało stałe), co pozwala wnioskować, że paliwo jest dwuskładnikowym związkiem wodorowym dowolnego pierwiastka. Obecność tlenu w tym związku jest mało prawdopodobna: w substancji, której głównym celem jest spalanie tlenu przy uwolnieniu energii, obecność tlenu obniży jego wartość kaloryczną.

Informacje o ciekłym stanie skupienia, w połączeniu z niskim punktem wrzenia, umożliwiają odrzucenie wersji wodorku metalu i stwierdzenie, że paliwo X – niemetalowy związek wodoru. W końcu wodorki metali aktywnych są substancjami z wiązaniami, które można raczej określić jako jonowe, co powoduje ich stały stan skupienia, niską lotność i wysoką temperaturę wrzenia.

Przypuszczenie, że ten niemetal – bor powinien powstać już ze względu na kolor płomienia, który spalił to paliwo,i trochę informacji o właściwościach chemicznych. Jednak domysły nie wystarczą i należy je potwierdzić za pomocą obliczeń.

Tlenek A zawiera 68,94% tlenu i 31,16% pierwiastka. Z tych wartości można obliczyć równoważną masę elementu (Muh), stosując prawo równoważników, które brzmi: "Substancje wchodzą w reakcje chemiczne i tworzą się w nich w ilościach równych lub proporcjonalnych do ilości ich równoważników; masy substancji biorących udział w reakcji chemicznej i powodujące jej wynik są równe lub proporcjonalne do równoważnych mas tych substancji"Otrzymujemy równoważną masę pierwiastka Muh = 3,62.

Równoważnik masy molowej prostej substancji można określić za pomocą następującego wzoru:

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

gdzie A(element) – masa atomowa elementu tworzącego prostą substancję, oraz CO – stopień utlenienia (modulo), który element pozyskuje w wyniku reakcji chemicznej.

Na podstawie tego wzoru można określić masę atomową pierwiastka przez iterację przez pomnożenie równoważnej masy przez możliwe wartości stopnia utlenienia.

Dla stanu utleniania 3 otrzymujemy masę atomową pierwiastka 10.8, który odpowiada masie atomowej boru, czyli paliwo X – związek wodoru z boru, wzór dla którego piszemy jakoxHy.

Gęstość pary podana w opisie problemu mówi, że przy 100 ° C (373 K) i normalnym ciśnieniu atmosferycznym (101,3 Pa) 2,06 gramów paliwo X zajmują objętość 1 litra. Zgodnie z równaniem Mendelejewa – Clapeyron \ [P \ razy V = \ dfrac m M \ razy R \ razy T \] znajdujemy masę cząsteczkową paliwo X:

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

Masa cząsteczkowa (jeśli poprawnie przeliczono temperaturę na bezwzględną i zarejestrowano ciśnienie w paskach) wynosi 63 g / mol. Następnie możesz przejść na dwa sposoby:

1. Zgodnie z wynikami spalania substancji w tlenie. Wzorzec spalania paliwo X:

BxHna + O2 → x / 2B2O3 + y / 2H2O, podczas spalania 0,1 mola paliwa uwalniane jest 0,25 mola tlenku boru i 0,45 mola wody, a następnie x = 5, y = 9, a pożądaną formułą jest B5H9.

2. Analitycznie:

w X paliwa cztery lub mniej atomów boru nie mogą być zawarte, ponieważ dla x = 4 otrzymuje się wzór B4H20iz trzema zewnętrznymi elektronami boru na jeden atom niemetalu, pięć atomów wodoru po prostu nie może wystąpić, masa fragmentu B6 równa 64,8 amu, czyli większa niż masa molowa paliwa. Pozostała tylko opcja B5H9.

Ta substancja, która naprawdę służyła jako paliwo dla eksperymentalnych samolotów Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, nosi nazwę pentaboran-9 (jest również mniej energii i bardziej niebezpieczna w pracy pentaboro-11 – B5H11).

Reakcje:

Z tlenem: 2B5H9 + 12O2 = 5B2O3 + 9H2O.

Z parą wodną: B5H9 + 15H2O = 5h3BO3 + 12H2.


Epilog 1

(związane z teorią chemii)

Wielu czytelników, którzy są przyzwyczajeni do przewidywania wartościowości pierwiastka chemicznego, a więc formuły jego wyższego tlenku i lotnego związku wodoru, wzór cząsteczkowy paliwo X B5H9 (jak również wzór na jego analogowy B5H11) może wydawać się niezwykłe, a nawet błędne. Wydaje się, że wszystko jest całkiem proste: bor jest w głównej podgrupie trzeciej grupy, ma trzy elektrony na poziomie elektronów zewnętrznych, które mogą sparować z trzema elektronami z trzema atomami wodoru, a związek wodoru z boru można zapisać jako BH3. Jednak nie jest to: cząsteczki BH3 nie istnieje, a najprostszym borowodorkiem jest diboran, którego formuła to B2H6.

Powodem tego jest to, że elementy głównych podgrup, do których należy bor, mają tendencję do wypełniania zewnętrznej powłoki do ośmiu elektronów. Zgodnie z zasadą oktetów elektronicznych (zasada Lewisa), stabilna powłoka elektronowa jest powłoką izoelektroniczną (patrz seria Isoelektroniczna) na gazy obojętne. Poprzez tworzenie wiązań chemicznych (zarówno jonowych, jak i kowalencyjnych) atomy mają tendencję do przekazywania lub przyjmowania tak wielu elektronów, aby zapewnić obecność ośmiu elektronów na ich zewnętrznej warstwie.

Bor ma tylko trzy elektrony na zewnętrznym (walencyjnym) poziomie, dlatego w hipotetycznym związku BH3 na zewnętrznej warstwie elektronowej boru będzie znajdować się sześć elektronów. Taka konfiguracja nie będzie stabilna, a zatem związki o powłoce sześcioelektronowej nie będą stabilne i po prostu nie mogą istnieć. Aby zwiększyć stabilność swoich związków, bor przyjmuje na tę orbitę parę elektronów z już utworzonych wiązań kowalencyjnych. Ostatecznie powstają tak zwane wiązki wieloośrodkowe, w których para (lub większa liczba elektronów) może jednocześnie należeć do więcej niż dwóch jąder (ryc. 1).

Ryc. 1. Struktura diboranu. Wiadomo, że krótsza długość wiązania chemicznego wskazuje na jego większą wytrzymałość, to znaczy, że bardziej stałe wiązania chemiczne mają mniejszą odległość międzyatomową. Na tej podstawie możemy wywnioskować, że dwuatomowe wiązania B-H (długość 119 pikometrów) są silniejsze niż oddziaływanie w cztero-środkowym wiązaniu czteroelektronowym (długość 131 μm). Zdjęcie z en.wikipedia.org

Skład związków z wieloośrodkowymi wiązaniami kowalencyjnymi często różni się od składu, który można przewidzieć na podstawie użycia "zwykłej" teorii wiązań walencyjnych, gdzie pojedynczy,podwójne lub potrójne wiązanie może być utworzone tylko między dwoma atomami (to znaczy chmura elektronów może należeć tylko do dwóch atomów na raz – dwa centra tworzące wiązanie).

Badanie wiązania chemicznego w boranach nie tylko pozwoliło ustalić, że teoria wiązań walencyjnych i klasycznych stanów walencyjnych nie zawsze pozwala przewidzieć i opisać skład i strukturę substancji chemicznych, ale także podniosła kwestię potrzeby nowej definicji wartościowości i innych charakterystyk wiązania kowalencyjnego, Aktualna definicja wartościowości IUPAC nie może być uważana za idealną: "Valence – maksymalna kwota jednowartościowy atomy (początkowo wodór lub chlor), które mogą łączyć się z pierwiastkiem lub fragmentem lub z tym, co ten atom można zastąpić"Można go zdefiniować." Jest oczywiste, że do zdefiniowania liczby jednorodnych atomów (na przykład). zjawisko, używając słowa, które jest pochodną tego zjawiska, trochę nielogiczne.


Posłowie 2

(związane z praktycznym znaczeniem projektu "Walkiria" dla chemii)

Paliwo Borodovodnuyu zostało wybrane do "Walkirii" nie jest przypadkowe.Ponieważ borany są spalane z wytworzeniem stałego krystalicznego tlenku boru B2O3i węglowodory – z tworzeniem gazowego CO2podczas spalania borowodorku uwalnia się więcej energii ("dodatkowe" ciepło spalania substancji, wśród produktów spalania, których są stałe substancje krystaliczne, jest niczym więcej jak energią uwalnianą podczas tworzenia sieci krystalicznej stałego produktu spalania). Na przykład podczas spalania jednego grama etanu C2H6 51,4 kJ zostaje uwolniony, a gdy jeden gram diboranu B zostanie spalony2H6 – prawie półtora raza więcej, 72,7 kJ. Logiczne jest założenie, że im więcej energii zostanie uwolnione podczas spalania paliwa, na przykład potrzeba mniej paliwa, aby latać określoną odległość, lub można załadować więcej ładunku.

Wykorzystanie paliwa wodorowego z całą jego wysoką efektywnością energetyczną było skomplikowane przez ogromną liczbę czynników, takich jak wysoka palność, wrażliwość na działanie wilgoci w powietrzu i wysoka toksyczność w porównaniu z węglowodorami (co ostatecznie doprowadziło do tego, że Valkyrie XB-70 i pozostaje jedynym znanym paliwem boranowym samolotu).

Podczas prac nad projektami lotniczymi i lotniczymi oraz nad tworzeniem wydajnych paliw, podejmowano próby "oswajania boranów" i próby te zakończyły się sukcesem. Klasa związków takich jak karboidany została odkryta i zsyntetyzowana. Są to związki z organoboronu o ogólnym wzorze [(CH)a(BH)mHb]cgdzie a = 1-6 (zwykle nie więcej niż 2), m = 3-10. Węglowodory z liczbą atomów boru od trzech do pięciu nazywane są "niższymi" karboranami. W wielościennej cząsteczce "średnie" karborany zawierają od sześciu do dziewięciu atomów boru. Struktury wyższych izomerycznych karboidanów obejmują 10 atomów boru. Cząsteczki karboranu są wielościanami, podczas gdy grupy CH i atomy boru znajdują się na wierzchołkach wielościanu, a atomy wodoru związane z borem mogą tworzyć zarówno dwa centralne, jak i wieloośrodkowe wiązania chemiczne. Znany jako neutralny karboidan (c = 0, w tym przypadku ogólny wzór to (CH)a(BH)mHa + m) i jony (kationy i aniony) oparte na tych strukturach.

W literaturze zauważono, że pierwsze węglowodany zostały pozyskane już w latach pięćdziesiątych właśnie podczas opracowywania projektów w celu wytworzenia nowego paliwa.Wyniki te zostały jednak sklasyfikowane, a informacje o syntezie karboranów pojawiły się po raz pierwszy w otwartej prasie naukowej w 1963 roku, kiedy artykuły Leonida Iwanowicza Zakharkina (w ZSRR) i Williama Lipscomba (w USA) zostały opublikowane niezależnie od siebie. W rosyjskiej nomenklaturze naukowej zamiast terminu "karboran" użyto terminu "baren" (informacje o tym, czy eksperymenty z boranami i karboranami były częścią programów kosmicznych ZSRR, nie są w wiarygodnych źródłach).

Najdokładniej zbadany i najlepiej pokazuje wzrost odporności podczas przejścia z boranów do karboranu Carboran-10, którego formuła to C2B10H12. Carbourne-10 składa się z 10 atomów boru i dwóch atomów węgla umiejscowionych na wierzchołkach regularnego dwudziestoheksachronu (dwudziestościanu). Każdy atom boru i węgla, znajdujący się w wierzchołkach dwudziestościanu, jest związany z atomem wodoru.

Znane są ortho-, meta- i para-karborany-10 (ryc. 2). Orto-karboran jest bardzo odporny na mocne kwasy, zasady i czynniki utleniające, co znacznie odróżnia jego właściwości od wysoce reaktywnych boranów. Jego temperatura topnienia wynosi 287-293 ° C. Karboran może wytrzymać ogrzewanie do temperatury 450 ° C, powyżej której szkielet ulega izomeryzacji do meta-karboranu, powyżej 600 ° C, powstaje para-karbonan.

Ryc. 2 Orto-, meta- i para-karborany (od lewej do prawej). Białe kule atomy węgla są wyświetlane, szkarłat – atomy boru; atomy wodoru nie są wyświetlane, aby uprościć obraz. Zdjęcie z nanomed.missouri.edu

Większość karboranów okazała się nieporęcznymi układami aromatycznymi, atomy wodoru z węglem zachowywały się jak atomy wodoru w benzenie, wchodząc w reakcje substytucji elektrofilowej. Jeśli porównamy orto, meta i para-karborany, najbardziej aktywny podstawienie elektrofilowe zachodzi w orto-karboran.

Odkrycie karboranów w swojej skali znacznie przekroczyło praktyczne zadania, które zostały ustalone na początku badań, które miały wyłącznie zastosowanie. Pojawienie się karboranu oznaczało nowy rozdział w chemii i stało się jednym z najbardziej znaczących wydarzeń w chemii XX wieku. Badanie karboranów pozwoliło badaczom sformułować wyżej opisaną koncepcję wiązań wieloośrodkowych. Ostatecznie badanie struktury węgloborowodorów można przewidzieć istnienie fulerenów – zamknięty wypukłą wielościany, składający się z równej liczby trzech współrzędnych atomów węgla (Figura 3), za odkrycie doświadczalnej która 1996 Robert Curl,Harold Kroto i Richard Smalley otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Ryc. 3 Fullerene (po lewej) i orto-karboranu. Rysunek z artykułu: Yan Z. Voloshin i in., 2015.

Nikt nie zaczął używać karboranu jako paliwa: technologia ich produkcji jest wystarczająco kosztowna, aby wykorzystać te substancje do prostego spalania, ale karborany i ich pochodne służą nie tylko do tworzenia nowych koncepcji teoretycznych. Teraz karborany i ich pochodne są stosowane w bardziej zaawansowanych technologicznie procesach niż proste wytwarzanie paliwa: z nich są odporne na ciepło materiały polimerowe i kompozycje klejowe. Karborany są wykorzystywane do tworzenia materiałów borowo-węglowych do ogniw słonecznych, a także do tworzenia leków stosowanych w terapii wychwytywania neutronów w leczeniu nowotworów złośliwych.


Like this post? Please share to your friends:

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