Degalai "Valkyrie" • Arkadijus Kuramshin • Mokslinės-populiarios užduotys "Elementai" • Chemija

„Valkyrie“ degalai

1950 m. Jungtinių Amerikos Valstijų oro pajėgos pradėjo kurti aukšto viršgarsinio bombonešio, kurio konstrukcija buvo sukurta specialiai degalams. 1964 m. Pirmasis iš dviejų orlaivių prototipų, vadinamų XB-70 Valkyrie (XB-70 Valkyrie), padarė pirmąjį skrydį ir, baigęs 33 pilotinius skrydžius, 1969 m. Išėjo į pensiją ir išplaukė į Nacionalinį JAVF muziejų oro pajėgų bazėje "Wright-Patterson".

JAV oro pajėgų XB-70A "Viršūnių bombonešis" Valkyrie "

1966 m. Birželio 8 d. Antrasis lėktuvas sudaužė komercinio filmavimo metu, susidūręs su F-104 naikintuvu (žr. Vaizdo įrašą). Po vieno iš prototipų avarijos ir, galbūt, po naujos žvalgybos informacijos apie reikšmingą sovietų oro gynybos pajėgumų stiprinimą, buvo sutrumpinti viršgarsinių bombonešių kūrimo projektai.

Dėl penkerių metų bandomųjų skrydžių pilotai ir aerodromų palydovai sugebėjo kleisti Valkyrie "žalią drakoną" dėl ryškios žalios ugnies, susidarančios iš šio orlaivio darbo variklių antgalių.

Užduotis

Dabar įsivaizduokite, kad jūs, kaip chemikas, patekote į "Valkyrie" degalų pavyzdį (vadinkime tai kuro X), o jūs, sužinoję, kad šis kuras yra atskira medžiaga, o ne mišinys (kaip įprasta, tokios problemos nėra išspręstos be jokios prielaidos), jūs nusprendėte iššifruoti kuro formulę.

Žinoma, kad kambario temperatūroje kuro X Tai bespalvis skystis su rūgštus kvapu, verdantis 61 ° C temperatūroje. Esant 100 ° C ir normaliam atmosferos slėgiui, garų tankis kuro X yra 2,06 g / l – tiesa, dirba su X kuras tokioje temperatūroje yra pavojinga: jis savaime užsidega ore.

Vieninteliai degimo produktai yra 6,3 g kuro X 8,1 g vandens ir 17,4 g oksido kietos medžiagos kambario temperatūroje yra deguonimi (arba oru) Akurių sudėtyje yra 68,94% deguonies (pagal svorį). Karšto vandens garais kuro X reaguoja su vandenilio išsiskyrimu ir rūgšties susidarymu Bgautas iš oksido A.

Nustatykite molekulinė formulė kuro X. Užsirašykite jo reakcijos su deguonimi ir vandens garais lygtys.


1 patarimas

Nėra per daug cheminių elementų, kurių junginiai gali dažyti ugnies žalią.


2 patarimas

Kaip mokosi įvairiausių cheminių olimpiadų dalyvių patirtis, jūs nežinote, kur pradėti – nustatykite molekulinę masę! Problemos duomenys yra pakankami, kad būtų galima laikytis šios patirties.


3 patarimas

Jei atlikus skaičiavimus gaujate molekulinę formulę, kuri nėra labai suderinta su elementų, sudarančių medžiagą X, numatytą pagal periodinę sistemą (ir tikriausiai sveiku protu), valentingumo galimybes, nesijaudinkite. Kartais tai atsitinka.


Sprendimas

Informacija, kuri deginama kuro X susidaro tik vanduo ir oksidas (ir kietas), todėl galima daryti išvadą, kad kuras yra bet kurio elemento binarinis vandenilio junginys. Deguonies buvimas šiame junginyje yra mažai tikėtinas: medžiagoje, kurios pagrindinis tikslas yra deginti deguonį su energijos išsiskyrimu, deguonies buvimas sumažins jo kaloringumą.

Informacija apie skystos agregacijos būklę kartu su žemu virimo temperatūra leidžia išmesti metalo hidrido versiją ir padaryti išvadą, kad kuro X – nemetalinis vandenilio junginys. Galų gale aktyviųjų metalų hidridai yra junginių turinčios medžiagos, kurios, greičiausiai, gali būti apibūdinamos kaip joninės, todėl jų kietoji agregavimo būklė, maža kintamumas ir aukštas virimo temperatūra.

Manoma, kad šis nemetalinis boras jau gali kilti dėl degios liepsnos spalvos.ir tam tikra informacija apie cheminius savybes. Tačiau spėlionių nepakanka, ir tai turi būti patvirtinta skaičiavimais.

Oksidas A yra 68,94% deguonies ir 31,16% elemento. Iš šių verčių galite apskaičiuoti lygiavertę elemento masę (Muh), taikydama atitikmenų įstatymą, kuriame rašoma: "Medžiagos patenka į chemines reakcijas ir yra suformuotos jomis lygiais arba proporcingomis jų ekvivalentų kiekiams; cheminės reakcijos metu susidarančių medžiagų masė, kurios rezultatas yra jos rezultatas, yra lygi arba proporcinga šių medžiagų ekvivalentinėms masėms". Mes gauname lygiavertę elemento masę Muh = 3,62.

Paprastos medžiagos molinis masės ekvivalentas gali būti nustatomas pagal formulę:

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

kur A(elementas) – elemento, sukuriančio paprastą medžiagą, atominė masė, ir CO – oksidacijos laipsnis (modulis), kurį elementas įgyja dėl cheminės reakcijos.

Remiantis šia formule, elemento atominė masė gali būti nustatyta pakartotinai, dauginant lygiavertę masę į galimas oksidacijos laipsnio vertes.

Esant oksidacijos būsenai 3, mes gauname elemento 10.8 atominę masę, kuri atitinka boro atomų masę, t. Y. kuro X – boro vandenilio junginys, formulė, kuria mes rašome kaipxHy.

Garso tankis, pateiktas problemoje, teigia, kad esant 100 ° C (373 K) ir normaliam atmosferos slėgiui (101,3 Pa) 2,06 g kuro X užima 1 litro tūrį. Pagal Mendelejevo-Clapeyrono lygtį \ [P \ times V = \ dfrac m M \ times R \ times T \] mes nustatome molekulinę masę kuro X:

\ [M = \ dfrac (m \ times R \ times R) (P \ times V). \]

Molekulinė masė (jei teisingai paversite temperatūrą absoliučia ir užregistruotumėte slėgį paskaliais) yra 63 g / mol. Tada galite eiti dviem būdais:

1. Pagal degančių medžiagų deguonies rezultatus. Degimo modelis kuro X:

BxHne + O2 → x / 2B2O3 + y / 2H2O, deginant 0,1 molą kuro, išleidžiamas 0,25 mol boro oksido ir 0,45 mol vandens, tada x = 5, y = 9, o norima formulė yra B5H9.

2. Analiziškai:

į X kuras keturių ar mažiau boro atomų negalima laikyti, nes jei x = 4, gaunama B formulė4H20, o trijuose išoriniuose boro elektronuose vienam nemetalo atomui tiesiog negalima atsirasti penkių vandenilio atomų, fragmento B masė6 lygus 64,8 amu, kuris yra didesnis už degalų molinę masę. Vienintelis pasirinkimas yra B5H9.

Ši medžiaga, kuri iš tikrųjų tarnavo kaip degalai eksperimentiniams JAV oro pajėgų orlaiviams, vadinama pentaboranu-9 (taip pat yra mažiau energijos ir pavojingesnė pentaboro-11-B5H11).

Reakcijos:

Su deguonimi: 2B5H9 + 12o2 = 5B2O3 + 9H2O.

Su vandens garais: B5H9 + 15H2O = 5h3BO3 + 12H2.


Epilogas 1

(susijęs su chemijos teorija)

Daugelis skaitytojų, kurie pripratę prognozuoti cheminio elemento, taigi ir jo aukštesnio oksido ir lakiojo vandenilio junginio formulę, molekulinę formulę kuro X B5H9 (taip pat jo analogo B formulę5H11) gali atrodyti neįprasta ir net neteisinga. Atrodytų, kad viskas yra gana paprasta: boras yra pagrindinės trečios grupės pogrupyje, jis turi tris elektronus ant išorinio elektrono lygio, kuris gali susieti trijų trijų vandenilio atomų elektronus, o boro vandenilio junginys gali būti parašytas kaip BH3. Tačiau tai nėra: BH molekulės3 neegzistuoja, o paprasčiausias borohidridas yra diboranas, kurio formulė yra B2H6.

Priežastis yra ta, kad pagrindinių pogrupių, prie kurių priklauso boras, elementai paprastai užpildo išorinį apvalkalą iki aštuonių elektronų. Pagal elektroninių oktetų taisyklę (Lewis'o taisyklė) stabili elektronų apvalkale yra izoelectronic apvalkalas (žr. Isoelectronic series), skirtas inertinėms dujoms. Sudarant cheminius ryšius (tiek joninius, tiek kovalentinius), atomai linkę paaukoti ar priimti tiek daug elektronų, kad užtikrintų aštuonių elektronų buvimą ant jų išorinio sluoksnio.

Boras turi tik tris elektronus ant išorinio (valentingumo) lygio, taigi ir hipotetiniame junginyje BH3 ant išorinio elektrono boro sluoksnio bus šeši elektronai. Tokia konfigūracija nebus stabili, todėl junginiai su šešių elektronų apvalkalu nebus stabilūs ir tiesiog negalės egzistuoti. Siekiant padidinti jo junginių stabilumą, boras linkęs priimti į šią orbitą porą elektronų jau suformuotų kovalentinių ryšių. Galiausiai susidaro vadinamosios daugiacentrinės obligacijos, kuriose viena (arba daugiau elektronų) gali vienu metu priklausyti daugiau nei dviem branduolims (1 pav.).

Pav. 1. Diborano struktūra. Žinoma, kad trumpesnis cheminių jungčių ilgis rodo jo didesnį stiprumą, t. Y. Tvirtesni cheminiai ryšiai turi mažesnį tarpatominį atstumą. Remdamiesi tuo, galime daryti išvadą, kad dviatminės B-H jungtys (ilgis 119 pikometrai) yra stipresni nei sąveika keturių centrų keturių elektronų ryšiu (ilgis 131 pm). Paveikslėlis iš en.wikipedia.org

Kompozicija junginių su multicentrinėmis kovalentinėmis jungtimis dažnai skiriasi nuo kompozicijos, kuri gali būti prognozuojama remiantis "įprastos" teorijos valentinės jungtys, kur vienintelis,dvigubus arba trigubus obligacijos gali būti suformuota tarp dviejų atomų tik (t.y., elektronų debesis tuo pačiu metu gali priklausyti tik iki dviejų atomų – dviejų centrų sudarančios jungtį).

Cheminių obligacijų boranes ne tik įmanoma tyrimas, siekiant nustatyti, kad valentinė jungtis teorija ir klasikinių Valentinės ne visada gali numatyti ir aprašyti sudėties ir struktūros cheminių medžiagų, bet taip pat turi nustatyti chemikų, kad reikalinga nauja apibrėžtis valentingumas ir kita kovalentinis ryšys charakteristikų poreikį, ypač kaip Dabartinis IUPAC valentingumo apibrėžimas negali būti laikomas idealiu: "Valence – didžiausia suma monovalentas atomai (iš pradžių vandenilis arba chloras), kuris gali būti derinamas su elementu ar fragmentu, arba su tuo, ką šį atomą galima pakeisti"Tai gali būti apibrėžta". Akivaizdu, kad apibrėžti vienalyčių atomų skaičių (pvz.). reiškinys, vartojant žodį, kuris yra šio reiškinio išvestinė medžiaga, šiek tiek nelogiška.


2 eilutė

(susijęs su praktine projekto "Valkyrie" reikšme chemijai)

Borodovodnuyu kuras buvo pasirinktas "Valkyrie" nėra atsitiktinis.Kadangi boranai sudegi, kad susidarytų kietas kristalinis boro oksidas B2O3, o angliavandeniliai – susidarant dujiniam CO2degant borhidridams išsiskiria daugiau energijos ("papildoma" medžiagų deginimo šiluma, tarp degimo produktų, kurių sudėtyje yra kietų kristalinių medžiagų, yra ne daugiau kaip energijos, išsiskiriančios kietojo degimo produkto kristalinės grotelės susidarymo metu). Pavyzdžiui, deginant vieną gramą etano C2H6 51,4 kJ išsiskiria ir kai sudeginama vienas gramas diborano B2H6 – beveik pusantro karto daugiau, 72,7 kJ. Logiškai manyti, kad kuo daugiau energijos išsiskiria deginant kurą, pvz., Norint skristi tam tikru atstumu, reikės mažiau degalų arba galėsite įkelti daugiau naudingos apkrovos.

Boro-degalų degalų naudojimas didelio energijos efektyvumo požiūriu buvo apsunkintas daugybe veiksnių, tokių kaip didelis degumas, jautrumas drėgmės poveikiui ore ir didelis toksiškumas, palyginti su angliavandeniliais (tai galų gale paskatino tai, kad XB-70 Valkyrie ir išliks vienintelis žinomas orlaivio borano kuras).

Vykdydami aviacijos ir kosmoso projektus ir kurdami efektyvų kurą, bandoma "pasipriešinti borams", ir šie bandymai buvo sėkmingi. Surasta ir sintezuojama junginių, tokių kaip karboranai, klasė. Tai yra organoborono junginiai, kurių bendra formulė yra [(CH)a(BH)mHb]ckur a = 1-6 (paprastai ne daugiau kaip 2), m = 3-10. Karboranai, kurių boro atomų skaičius yra nuo trijų iki penkių, vadinami "mažesniais" karboranais. Polideledinėje molekulėje "vidutiniai" karboranai svyruoja nuo šešių iki devynių boro atomų. Aukštesnių izomerų karboranų struktūrose yra 10 boro atomų. Karborano molekulės yra daugiasluoksnės, o CH grupės ir boro atomai yra daugiapolių viršūnėse, o vandenilio atomai, susieti su boru, gali sudaryti tiek dvi centrines, tiek daugiacentrines chemines jungtis. Žinoma kaip neutralūs karboranai (c = 0, šiuo atveju bendra formulė yra (CH)a(BH)mHa + m) ir jonai (katijonai ir anijonai), pagrįsti šiomis struktūromis.

Literatūroje pažymima, kad pirmieji angliavandeniai buvo gauti praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje, būtent kuriant naujo kuro gamybos projektus.Tačiau šie rezultatai buvo klasifikuojami, o informacija apie karboranų sintezę pirmą kartą pasirodė atviroje mokslinėje spaudoje 1963 m., Kai straipsniai, kuriuos pateikė Leonidas Ivanovičius Zakharkinas (TSRS) ir Williamas Lipscombas (JAV), buvo paskelbti nepriklausomai vienas nuo kito. Rusijos mokslinėje nomenklatūroje vietoje termino "karboranas" buvo vartojamas terminas "baren" (informacija apie tai, ar eksperimentai su borais ir karboranais buvo SSSR erdvėlaivių programų dalis, nėra patikimi šaltiniai).

Labiausiai ištirtas ir labiausiai gerai rodo pasipriešinimo padidėjimą pereinant nuo boranų į karboranus Karboranas-10, kurio formulė yra C2B10H12. Carbourne-10 susideda iš 10 boro atomų ir dviejų anglies atomų, esančių viršūnėse reguliariai dvidešimt šešiasdešimt (Icosahedron). Kiekvienas boro ir anglies atomas, esantis piktogramos viršūnėse, yra susijęs su vandenilio atomu.

Orto-, meta- ir parakarbananai-10 yra žinomi (2 pav.). Orto-karboranas yra labai atsparus stiprioms rūgštims, bazėms ir oksiduojančioms medžiagoms, todėl jo savybės labai skiriasi nuo labai reaktyvių borų. Jo lydymosi temperatūra yra 287-293 ° C. Karboranas gali atlaikyti kaitinimą iki 450 ° C temperatūros, virš kurio jo skeletas izomerizuojamas į metakarbaraną, virš 600 ° C, susidaro parakarbonanas.

Pav. 2 Orto-, meta- ir parakarboranai (iš kairės į dešinę). Balta sfera rodomi anglies atomai, tamsiai raudona – boro atomai; vandenilio atomai nėra rodomi supaprastinant vaizdą. Nuotrauka iš nanomed.missouri.edu

Dauguma karboranų pasirodė esančios didžiulėmis aromatinėmis sistemomis, vandenilio atomai su anglimi elgiasi kaip vandenilio atomai benzene, patenka į elektrofilinių pakaitų reakcijas. Jei palyginsime orto, meta ir parakarboranus, elektroforezinis pakaitalas labiausiai aktyviai vyksta ortokarborane.

Karboranų atradimas jo masto požiūriu gerokai viršijo praktines užduotis, kurios buvo nustatytos tyrimų pradžioje ir buvo išimtinai taikomos pobūdžio. Karborano išvaizda tapo nauju skyriumi chemijos moksle ir tapo vienu iš labiausiai žinomų įvykių chemijos XX a. Karboranų tyrimas leido mokslininkams suformuluoti aukščiau aprašytų daugiacentrinių jungčių koncepciją. Galų gale, karboranų struktūros tyrimas leido numatyti fulerenų egzistavimą – išgaubtą uždarą daugiasluoksnę, sudarytą iš vienodo trijų koordinuotų anglies atomų skaičiaus (3 pav.), Eksperimentiniam atradimui, kurį 1996 m. Sukūrė Robertas Curlas,Haroldas Kroto ir Richard Smalley gavo Nobelio premiją chemijos srityje.

Pav. 3 Fullerene (kairėje) ir orto-karboranas. Paveikslas iš straipsnio: Jan Z. Voloshin ir kt., 2015.

Niekas neseniai pradėjo naudoti karboranų kaip kurą: jų gamybos technologija yra pakankamai brangi, kad šias medžiagas būtų lengviau deginti, tačiau karboranai ir jų dariniai naudingi ne tik naujoms teorinėms koncepcijoms kurti. Dabar karboranai ir jų dariniai naudojami daugiau aukštųjų technologijų procesuose nei paprastas kuro formavimas: iš jų karščiui atsparios polimerinės medžiagos ir klijų kompozicijos. Karboranai yra naudojami boro-anglies medžiagų susidarymui saulės elementams, taip pat siekiant kurti vaistus, naudojamus neutronų surinkimo terapijoje piktybinių navikų gydymui.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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