Degviela "Valkyrie" • Arkādijs Kuramšins • Zinātniski populāri uzdevumi "Elementiem" • Ķīmija

Degviela “Valkyrie”

20. gadsimta 50. gados Amerikas Savienoto Valstu gaisa spēki sāka liela augstuma virszemes smadzeņu bumbvedēju, kuru dizains tika veidots īpašai degvielai. Pirmais no diviem lidaparāta prototipiem, ko sauca par XB-70 Valkyrie (XB-70 Valkyrie), 1964. gadā pirmo reizi veica, un, pabeidzot 33 pilotu lidojumus, 1969. gadā atvaļinājās un aizlidoja uz ASVF Nacionālo muzeju par Gaisa spēku bāzi Wright-Patterson.

ASV gaisa spēku XB-70A "Virsūcējs" bumbvedējs "Valkyrie"

Otra lidmašīna 1966. gada 8. jūnijā crasās komerciālās filmēšanas laikā, saskaroties ar F-104 cīnītāju (skat. Videoklipu). Pēc viena no prototipiem un, iespējams, pēc jaunās izlūkošanas informācijas par ievērojamo padomju aizsardzības pretošanās spēju uzlabošanu tika samazināti ar virsuzdevumu bumbvedēju uzbūvi saistīti projekti.

Piecu gadu testa lidojumu laikā pilotiem un lidlauku pavadītājiem izdevās kristīt Valkyrie par "zaļo pūķi", ņemot vērā spilgti zaļo liesmu, kas rodas no šī gaisa kuģa darba dzinēju sprauslām.

Uzdevums

Tagad iedomājieties, ka jūs, kā ķīmiķis, nokļuvāt Valkīrijas degvielas paraugā (saucam par to) degviela X), un jūs, uzzinot, ka šī degviela ir atsevišķa viela, nevis maisījums (kā parasti, šādas problēmas nav atrisinātas bez īpaša pieņēmuma), jūs nolēmāt atšifrēt degvielas formulu.

Ir zināms, ka istabas temperatūrā degviela X Tas ir bezkrāsains šķidrums ar skābu smaržu, ar viršanas temperatūru 61 ° C. Pie 100 ° C un normālā atmosfēras spiediena tvaika blīvums degviela X ir 2,06 g / l – patiesība, strādājiet ar X degviela šādā temperatūrā ir bīstama: tā spontāni aizdegas gaisā.

Vienīgie degšanas produkti ar 6,3 g degviela X 8,1 g ūdens un 17,4 g oksīda cietas istabas temperatūrā ir skābeklī (vai gaisā) Akas satur 68,94% skābekļa (pēc svara). Ar karstā ūdens tvaiku degviela X reaģē ar ūdeņraža izdalīšanos un skābes veidošanos Batvasināts no oksīdiem A.

Noteikt molekulārā formula degviela X. Pierakstīt tās reakcijas vienādojumi ar skābekļa un ūdens tvaiku.


1. padoms

Nav pārāk daudz ķīmisko elementu, kuru savienojumi var krāsot liesmu zaļā krāsā.


2. padoms

Kā māca dažādu līmeņu ķīmisko olimpiāžu dalībnieku pieredze, jūs nezināt, kur sākt – noteikt molekulmasu! Problēmas dati ir pietiekami, lai sekotu šai pieredzei.


3. padoms

Ja aprēķinu rezultātā esat ieguvis molekulāro formulu, kas nav ļoti atbilstoša elementu veidojošajām vielām X, ko paredz periodiskā sistēma (un, iespējams, veselais saprāts), neuztraucieties. Dažreiz tas notiek.


Šķīdums

Informācija, kas sadedzināta degviela X veidojas tikai ūdens un oksīds (un cieta viela), kas ļauj secināt, ka kurināmais ir jebkura elementa binārais ūdeņraža savienojums. Skābekļa klātbūtne šajā savienojumā ir maz ticama: vielā, kuras galvenais mērķis ir sadedzināt skābekli ar enerģijas izdalīšanos, skābekļa klātbūtne samazinās tā siltumspēju.

Informācija par šķidruma agregācijas stāvokli kopā ar zemu viršanas temperatūru ļauj atbrīvoties no metāla hidrīda versijas un secināt, ka degviela X – nemetāla ūdeņraža savienojums. Galu galā aktīvo metālu hidrīdi ir vielas ar saitēm, kuras drīzāk var raksturot kā jonu, kas izraisa to stabilu agregācijas stāvokli, zemu volatilitāti un augstu viršanas temperatūru.

Pieņēmums, ka šim nemetāla boram jau vajadzētu būt tādēļ, ka šī degviela ir sadedzināta liesmas krāsā,un daži dati par ķīmiskajām īpašībām. Tomēr minējumus nepietiek, un tas ir jāapstiprina aprēķinos.

Oksīds A satur 68,94% skābekļa un 31,16% elementa. No šīm vērtībām jūs varat aprēķināt elementa ekvivalento masu (Muh), piemērojot līdzvērtīgu likumu, kurā teikts: "Vielas nonāk ķīmiskās reakcijās un tās veido tādā apjomā, kas ir vienāds vai proporcionāls to ekvivalenta lielumam; ķīmiskajā reakcijā iesaistīto vielu masa, kā rezultātā iegūst to rezultātu, ir vienāda vai proporcionāla šo vielu līdzvērtīgai masai"Mēs iegūstam, ka līdzvērtīgā elementa masa Muh = 3,62.

Vienkāršas vielas molārās masas ekvivalentu var noteikt pēc formulas:

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

kur A(elements) ir elementa atomu masa, kas veido vienkāršu vielu, un CO – oksidācijas pakāpe (pēc moduļa), ko elements iegūst ķīmiskās reakcijas rezultātā.

Pamatojoties uz šo formulu, elementa atomu masu var noteikt, atkārtojot to, reizinot ekvivalento masu ar iespējamām oksidācijas pakāpes vērtībām.

Attiecībā uz oksidēšanas stāvokli 3 mēs iegūstam elementa 10.8 atomu masu, kas atbilst bora atomu masai, tas ir, degviela X – bora ūdeņraža savienojums, formula, par kuru mēs rakstām kāxHy.

Problēmas paziņojumā norādītais tvaiku blīvums norāda, ka pie 100 ° C (373 K) un normālā atmosfēras spiediena (101,3 Pa) 2,06 grami degviela X aizņem apjomu 1 litrs. Saskaņā ar Mendelejeva – Clapeyron vienādojumu \ [P \ times V = \ dfrac m M \ times R \ times T \] mēs atrodam molekulmasu degviela X:

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

Molekulmasa (ja jūs pareizi pārveidojat temperatūru absolūtā stāvoklī un reģistrējat slodzi pascālos) ir 63 g / mol. Tad jūs varat iet divos veidos:

1. Saskaņā ar degšanas vielu skābekļa rezultātiem. Degšanas modelis degviela X:

BxHpie + O2 → x / 2B2O3 + y / 2H2O, sadedzinot 0,1 mol degvielu, atbrīvo 0,25 mol bora oksīda un 0,45 molā ūdens, tad x = 5, y = 9, un vēlamā formula ir B5H9.

2. Analītiski:

in X degviela četrus vai mazāk bora atomus nevar ietvert, jo x = 4 iegūst formulu B4H20, un ar trim ārējiem bora elektroniem uz vienu nemetāla atomu, piecus ūdeņraža atomus vienkārši nevar notikt, B fragments6 vienāds ar 64,8 amu, kas ir lielāks par degvielas mola masu. Vienīgā opcija ir B5H9.

Šo vielu, kas patiesi kalpoja kā degviela ASV gaisa spēku eksperimentālajam lidaparātam, sauc par pentaborānu-9 (arī pentabor-11-B ir mazāk enerģijas un bīstamāka)5H11).

Reakcijas:

Ar skābekli: 2B5H9 + 12O2 = 5B2O3 + 9H2O.

Ar ūdens tvaiku: B5H9 + 15H2O = 5h3BO3 + 12H2.


Epilogs 1

(saistīts ar ķīmijas teoriju)

Daudzi lasītāji, kas pieraduši prognozēt ķīmiskā elementa valences un līdz ar to tā augstākā oksīda un gaistošā ūdeņraža savienojuma formulas, molekulārās formulas degviela X B5H9 (kā arī tā analogā B formulu)5H11) var likties neparasta un pat nepareiza. Šķiet, ka viss ir diezgan vienkāršs: bors ir trešās grupas galvenajā apakšgrupā, tam ir trīs elektroni uz ārējā elektronu līmeņa, kas var savienot trīs elektronus ar trim ūdeņraža atomus, un borona ūdeņraža savienojumu var uzrakstīt kā BH3. Tomēr tā nav: BH molekulas3 neeksistē, un vienkāršākais borohidrīds ir diborāns, kura formula ir B2H6.

Iemesls tam ir tas, ka galveno apakšgrupu, pie kuriem pieder bora elementi, parasti piepilda ārējo apvalku ar ne vairāk kā astoņiem elektroniem. Saskaņā ar elektronisko oktetu likumu (Lewis likums) stabils elektronu apvalks ir izoelektronisks apvalks (skat. Isoelektronisko sēriju) inerto gāzu gadījumā. Izveidojot ķīmiskās saites (gan jonus, gan kovalentus), atomiem ir tendence ziedot vai pieņemt tik daudz elektronu, lai nodrošinātu to, ka astoņi elektroni atrodas to ārējā slānī.

Boram ir tikai trīs elektroni ārējā (valences) līmenī, tādēļ hipotētiskajā savienojumā BH3 uz ārējā elektronu bora slāņa atrodas seši elektroni. Šāda konfigurācija nebūs stabila un attiecīgi savienojumi ar sešu elektronu apvalku nebūs stabili un vienkārši nevar pastāvēt. Lai palielinātu tā savienojumu stabilitāti, bora tendence pieņemt uz šo orbitālo elektronu pāri jau izveidojušās kovalentās saites. Galu galā izveidojas ts daudzcentru saites, kurās vienlaicīgi pāri (vai lielākam skaitam elektronu) var piederēt vairāk nekā diviem kodoliem (1. att.).

Zīm. 1 Diborāna struktūra. Ir zināms, ka īsāks ķīmiskās saites garums norāda uz tā lielāku stiprību, tas ir, jo stabilākajām ķīmiskajām saitēm ir mazāks starpatomiskais attālums. Pamatojoties uz to, mēs varam secināt, ka divatuma B-H saišu (garums 119 pikometri) ir stipra nekā mijiedarbība ar četru-centru četru elektronu saiti (garums 131 pm). Attēls no en.wikipedia.org

Savienojumu sastāvs ar daudzcentru kovalentajām saitēm bieži atšķiras no sastāva, ko varētu prognozēt, izmantojot "parasto" valences saišu teoriju, kur vienotā,divkārša vai trīskārša saite var tikt veidota tikai starp diviem atomiem (tas ir, elektronu mākonis var piederēt tikai pie diviem atomiem vienlaicīgi – divi centri, kas veido saiti).

Pētījums par ķīmisko savienošanu boraņos ne tikai ļāva noteikt, ka valences ķēžu un klasisko valences stāvokļu teorija ne vienmēr var paredzēt un aprakstīt ķīmisko vielu sastāvu un struktūru, bet arī izvirzīja jautājumu par nepieciešamību pēc jaunas valences un citu kovalento saišu īpašību definīcijas, IUPAC pašreizējo valences definīciju nevar uzskatīt par ideālu: "Valence – maksimālā summa monovalents atomi (sākotnēji ūdeņradis vai hlors), ko var apvienot ar elementu vai fragmentu vai ar ko šo atomu var aizstāt"To var definēt." Ir acīmredzams, ka, lai noteiktu vienvērtīgu atomu skaitu (piemēram). fenomenu, izmantojot vārdu, kas ir šīs parādības atvasinājums, nedaudz neloģiski.


2. vārds

(saistībā ar projekta "Valkyrie" praktisko nozīmi ķīmijā)

Borodovodnuyu degviela tika izvēlēta par "Valkyrie" nav nejauša.Tā kā boraņi tiek sadedzināti, veidojot cieto kristāliska bora oksīdu B2O3, un ogļūdeņraži – ar gāzveida CO veidošanos2Borohidrīdu sadegšanas laikā tiek atbrīvota lielāka enerģija ("siltums" papildu "sadegšanai vielām, starp produktiem, kuru degšanai ir cietas kristāliskas vielas, nav nekas cits kā enerģija, kas izdalās sadegšanas cietā produkta kristāla režģa veidošanās laikā). Piemēram, dedzinot vienu gramu etāna C2H6 Izdalās 51,4 kJ, un tad, kad sadedzina vienu gramu diborāna B2H6 – gandrīz pusotru reizi vairāk, 72,7 kJ. Ir loģiski pieņemt, ka, jo degvielas sadegšanas laikā tiek atbrīvota lielāka enerģija, piemēram, būs vajadzīga mazāka degvielas daudzums, lai lidotu noteiktā attālumā, vai arī jūs varat ielādēt vairāk lietderīgās slodzes.

Bora ogļūdeņražu degviela visai tās augstajai energoefektivitātei bija sarežģīta, ņemot vērā daudzus faktorus, piemēram, lielu uzliesmojamību, jutību pret mitruma iedarbību gaisā un augstu toksicitāti salīdzinājumā ar ogļūdeņražiem (kas galu galā noveda pie tā, ka XB-70 Valkīrija un paliek vienīgais zināmais borainā degvielas avots).

Strādājot pie aviācijas un kosmiskās aviācijas projektiem un efektīvas degvielas radīšanas, tika mēģināts "pārvarēt borānus", un šie mēģinājumi bija veiksmīgi. Tika atklāta un sintezēta tādu savienojumu klase kā karborāni. Tie ir organoborona savienojumi ar vispārīgo formulu [(CH)a(BH)mHb]ckur a = 1-6 (parasti ne vairāk kā 2), m = 3-10. Karborānus ar bora atomu skaitu no trim līdz pieciem sauc par "zemākiem" karborāniem. Polidēlementa molekulā "vidēji" karborāni ir no sešiem līdz deviņiem bora atomiem. Lielāku izomēru karborānu struktūrās ir 10 bora atomi. Karbora molekulas ir daudzgadīgas, bet CH grupas un bora atomi atrodas augšup pa daudzgadu virsotnēm, un ar boru saistītie ūdeņraža atomi var veidot gan divcentrus, gan daudzcentrus ķīmiskās saites. Pazīstams kā neitrāls karborāns (c = 0, šajā gadījumā vispārējā formula ir (CH)a(BH)mHa + m) un joni (katijoni un anjoni), pamatojoties uz šīm struktūrām.

Literatūrā ir atzīmēts, ka pirmie ogļhidrāti tika iegūti jau 1950. gados tieši jaunu degvielas radīšanas projektu izstrādes laikā.Tomēr šie rezultāti tika klasificēti, un informācija par karborānu sintēzi vispirms parādījās atklātajā zinātniskajā presē 1963. gadā, kad Leonīda Ivanoviča Zaharkina (PSRS) un William Lipscomb (ASV) raksti tika publicēti neatkarīgi viens no otra. Krievu zinātniskajā nomenklatūrā termina "baren" vietā tika lietots termins "karborāns" (informācija par to, vai eksperimenti ar boraņiem un karborāniem bija daļa no PSRS kosmiskās aviācijas programmas, nav droši avoti).

Vislabāk pētīta un vislabāk demonstrē pretestības pieaugumu pārejas periodā no boraņiem līdz karborāniem Karborāns-10, kuru formula ir C2B10H12. Carbourne-10 sastāv no 10 bora atomiem un diviem oglekļa atomiem, kas atrodas regulārā divdesmit heksadēla (icosahedron) virsotnēs. Katrs bora un oglekļa atoms, kas atrodas iosaheldera virsotnēs, ir saistīts ar ūdeņraža atomu.

Ir zināmi orto-, meta- un para-karborāni-10 (2. attēls). Orto-karborāns ir ļoti izturīgs pret stiprām skābēm, bāzēm un oksidētājiem, kas ievērojami atšķir to tā īpašības no ļoti reaktīviem boraņiem. Tā kušanas temperatūra ir 287-293 ° C. Karborāns var izturēt sildīšanu līdz 450 ° C temperatūrai, virs kura tā skelets tiek izomerizēts metakarborānā virs 600 ° C, veidojas parakarbonāns.

Zīm. 2 Orto-, meta- un para-karborāni (no kreisās puses uz labo). Baltas sfēras parādīti oglekļa atomi, sārtināt – bora atomi; Ūdens atomi netiek parādīti, lai vienkāršotu attēlu. Attēls no nanomed.missouri.edu

Lielākā daļa karborānu izrādījās liela apjoma aromātiskās sistēmas, ūdeņraža atomi ar oglekli izturas kā ūdeņraža atomi benzolā, iekļaujoties elektrofilās aizvietošanas reakcijās. Ja mēs salīdzinām orto, meta un para-karborānus, tad elektrofiliskā aizvietošana notiek visstraujāk orto-karborānā.

Karborānu atrašana tās mērogā krietni pārsniedza praktiskos uzdevumus, kas tika noteikti pētījuma sākumā un bija tikai pielietojami. Karbonāna izskats iezīmēja jaunu nodaļu ķīmijas zinātnē un kļuva par vienu no ievērojamākajiem XX gs. Ķīmijas notikumiem. Karbora pētījums ļāva pētniekiem formulēt daudzcentru saišu jēdzienu, kas aprakstīts iepriekš. Visbeidzot, karborānu struktūras izpēte ļāva prognozēt fullerēnu esamību – izliektas slēgtas poliedras, kuras sastāvēja no vienādiem triju koordinētu oglekļa atomu skaitiem (3. att.), Lai eksperimentāli atklātu 1996. gadā Robert Curl,Harolds Kroto un Richard Smalley saņēma Nobela prēmiju ķīmijā.

Zīm. 3 Fullerene (pa kreisi) un orto-karborāns. Attēls no raksta: Yan Z. Voloshin et al., 2015.

Neviens sāka lietot karborānu kā degvielu: to ražošanas tehnoloģija ir pietiekami dārga, lai šīs vielas izmantotu vienkāršai sadedzināšanai, bet karborāni un to atvasinājumi kalpo ne tikai jaunu teorētisko koncepciju radīšanai. Tagad karborāni un to atvasinājumi tiek izmantoti vairāk augsto tehnoloģiju procesos nekā vienkārši degvielas radīšana: no tiem ir karstumizturīgi polimērmateriāli un līmējošas kompozīcijas. Karbonāti tiek izmantoti, lai veidotu bora oglekļa materiālus saules šūnām, kā arī lai radītu zāles, ko izmanto neitronu uztveršanas terapijā ļaundabīgo audzēju ārstēšanai.


Like this post? Please share to your friends:
Atbildēt

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