Нитрометан
| |||
| Имена | |||
|---|---|---|---|
| Название ИЮПАК Нитрометан | |||
| Предпочтительное название ИЮПАК Нитрометан [1] | |||
| Другие имена Нитрокарбол | |||
| Идентификаторы | |||
3D model ( JSmol ) | |||
| ЧЭБИ | |||
| ЧЕМБЛ | |||
| ХимическийПаук | |||
| Информационная карта ECHA | 100.000.797 | ||
| КЕГГ | |||
ПабХим CID | |||
| номер РТЭКС |
| ||
| НЕКОТОРЫЙ | |||
Панель управления CompTox ( EPA ) | |||
| Характеристики | |||
| CH3NOCH3NO2 | |||
| Молярная масса | 61.04 g/mol | ||
| Появление | бесцветная маслянистая жидкость [2] | ||
| Запах | Легкий, фруктовый [2] | ||
| Плотность | 1,1371 г/см 3 (20 °С) [3] | ||
| Температура плавления | -28,7 ° C (-19,7 ° F; 244,5 К) [3] | ||
| Точка кипения | 101,2 ° С (214,2 ° F; 374,3 К) [3] | ||
| Критическая точка ( T , P ) | 588 К, 6,0 МПа [4] | ||
| ок. 10 г/100 мл | |||
| Растворимость | смешивается с диэтиловым эфиром , ацетоном , этанолом , метанолом. [3] | ||
| Давление пара | 28 мм рт.ст. (20 °С) [2] | ||
| Кислотность ( pKa ) | |||
| -21.0·10 −6 см 3 /моль [7] | |||
| Теплопроводность | 0,204 Вт/(м·К) при 25 °C [8] | ||
Показатель преломления ( n D ) | 1,3817 (20 °С) [3] | ||
| Вязкость | 0,63 сП при 25 °C [8] | ||
| 3.46 [9] | |||
| Термохимия [10] | |||
Теплоемкость ( С ) | 106,6 Дж/(моль·К) | ||
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | 171,8 Дж/(моль·К) | ||
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | -112,6 кДж/моль | ||
Свободная энергия Гиббса (Δ f G ⦵ ) | -14,4 кДж/моль | ||
| Опасности | |||
| Безопасность и гигиена труда (OHS/OSH): | |||
Основные опасности | Огнеопасно, опасно для здоровья | ||
| СГС Маркировка : | |||
    | |||
| Опасность | |||
| Х203 , Х226 , Х301 , Х331 , Х351 | |||
| П210 , П261 , П280 , П304+П340 , П312 , П370+П378 , П403+П233 | |||
| NFPA 704 (огненный алмаз) | |||
| точка возгорания | 35 [9] ° С (95 ° F; 308 К) | ||
| 418 [9] ° С (784 ° F; 691 К) | |||
| Взрывоопасные пределы | 7–22% [9] | ||
| 20 частей на миллион [9] | |||
| Летальная доза или концентрация (LD, LC): | |||
ЛД 50 ( средняя доза ) | 940 мг/кг (перорально, крыса) 950 мг/кг (перорально, мышь) [11] | ||
LD Lo ( самый низкий опубликованный ) | 750 мг/кг (кролик, перорально) 125 мг/кг (собаки, перорально) [11] | ||
LC Lo ( самый низкий из опубликованных ) | 7087 частей на миллион (мышь, 2 ч) 1000 частей на миллион (обезьяна) 2500 ppm (кролик, 12 ч) 5000 частей на миллион (кролик, 6 ч) [11] | ||
| NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США): | |||
МЕХ (Допускается) | СВВ 100 частей на миллион (250 мг/м 3 ) [2] | ||
РЕЛ (рекомендуется) | никто [2] | ||
IDLH (Непосредственная опасность) | 750 частей на миллион [2] | ||
| Родственные соединения | |||
Родственные нитросоединения | нитроэтан | ||
Родственные соединения | метилнитрит метилнитрат | ||
| Страница дополнительных данных | |||
| Нитрометан (страница данных) | |||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |||
Нитрометан , иногда сокращаемый до просто «нитро», представляет собой органическое соединение с химической формулой CH.
3 НЕТ
2 . Это простейшее органическое нитросоединение . Это полярная жидкость, обычно используемая в качестве растворителя в различных отраслях промышленности, например, при экстракции, в качестве реакционной среды и в качестве очищающего растворителя. В качестве промежуточного продукта в органическом синтезе он широко используется в производстве пестицидов, взрывчатых веществ, волокон и покрытий. [12] Нитрометан используется в качестве топливной добавки в различных автоспорте и хобби, например, Top Fuel в дрэг-рейсинге и миниатюрных двигателях внутреннего сгорания в радиоуправлении , линиях управления и свободно летающих моделях самолетов.
Подготовка
[ редактировать ]Нитрометан производят в промышленных масштабах путем объединения пропана и азотной кислоты в газовой фазе при температуре 350–450 ° C (662–842 ° F). В результате этой экзотермической реакции образуются четыре промышленно значимых нитроалкана: нитрометан, нитроэтан , 1-нитропропан и 2-нитропропан . В реакции участвуют свободные радикалы, в том числе алкоксильные радикалы типа CH 3 CH 2 CH 2 O, которые возникают при гомолизе соответствующего нитритного эфира . Эти алкокси-радикалы подвержены реакциям фрагментации С—С, что объясняет образование смеси продуктов. [12]
Лабораторные методы
[ редактировать ]Его можно приготовить другими методами, имеющими учебное значение. Реакция хлорацетата натрия с нитритом натрия в водном растворе дает следующее соединение: [13]
Использование
[ редактировать ]Нитрометан преимущественно используется в качестве реагента-предшественника. Основное производное — хлорпикрин ( CCl 3 NO 2 ), широко используемый пестицид. Он конденсируется с формальдегидом ( реакция Генри ), образуя в конечном итоге трис(гидроксиметил)аминометан («трис»), широко используемый буфер и ингредиент алкидных смол . [12]
Растворитель и стабилизатор
[ редактировать ]Основное применение — в качестве стабилизатора хлорированных растворителей. Как органический растворитель нитрометан обладает необычным сочетанием свойств: высокополярным (εr = 36 при 20 °C и μ = 3,5 Дебая), но апротонным и слабоосновным. Эта комбинация делает его полезным для растворения положительно заряженных, сильно электрофильных частиц. Это растворитель акрилатных мономеров , таких как цианакрилаты (более известные как «суперклеи»). [12]
Топливо
[ редактировать ]Несмотря на незначительное применение по объему, [12] нитрометан также используется в качестве топлива или топливной добавки для занятий спортом и хобби. В некоторых случаях его смешивают с метанолом в гоночных автомобилях, лодках и моделях двигателей.
Нитрометан используется в качестве топлива в автоспорте, особенно в дрэг-рейсинге , а также в радиоуправляемых моделях моторных лодок, автомобилей , самолетов и вертолетов . В этом контексте нитрометан обычно называют «нитротопливом» или просто «нитро», и он является основным ингредиентом топлива, используемого в категории « Лучшее топливо » в дрэг-рейсинге. [14]
Содержание кислорода в нитрометане позволяет ему гореть с гораздо меньшим количеством атмосферного кислорода, чем обычное топливо. [15] При сгорании нитрометана оксид азота (NO) является одним из основных продуктов выбросов наряду с CO 2 и H 2 O. [16] Оксид азота способствует загрязнению воздуха, кислотным дождям и истощению озонового слоя. Недавние (2020 г.) исследования [17] предположили, что правильное стехиометрическое уравнение горения нитрометана имеет вид:
- 4 CH 3 NO 2 + 5 O 2 → 4 CO 2 + 6 H 2 O + 4 NO
Количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг (2,2 фунта) бензина, составляет 14,7 кг (32 фунта), но для 1 кг нитрометана требуется всего 1,7 кг (3,7 фунта) воздуха. Поскольку цилиндр двигателя может содержать лишь ограниченное количество воздуха при каждом такте, за один такт может быть сожжено в 8,6 раз больше нитрометана, чем бензина. Однако нитрометан имеет меньшую удельную энергию: бензин дает около 42–44 МДж /кг, тогда как нитрометан дает только 11,3 МДж/кг. [ нужна ссылка ] Этот анализ показывает, что нитрометан генерирует примерно в 2,3 раза больше энергии, чем бензин, в сочетании с заданным количеством кислорода. [ нужна ссылка ]
Нитрометан также можно использовать в качестве монотоплива , т.е. топлива, которое разлагается с выделением энергии без добавления кислорода. Впервые он был испытан в качестве монотоплива для ракет в 1930-х годах Крокко ракетного общества. [18] [19] Возобновился интерес к нитрометану как к более безопасной замене гидразинового монотоплива. [20] Следующее уравнение описывает этот процесс:
- 2 CH 3 NO 2 → 2 CO + 2 H 2 O + H 2 + N 2
Нитрометан имеет ламинарную скорость горения около 0,5 м/с, что несколько выше, чем у бензина, что делает его пригодным для высокооборотных двигателей. Он также имеет несколько более высокую температуру пламени - около 2400 ° C (4350 ° F). Высокая теплота парообразования (0,56 МДж/кг) вместе с большим расходом топлива обеспечивает значительное охлаждение поступающего заряда (примерно в два раза по сравнению с метанолом), что приводит к достаточно низким температурам. [ нужна ссылка ]
Нитрометан обычно используется с богатыми топливно-воздушными смесями , поскольку он обеспечивает мощность даже при отсутствии атмосферного кислорода. При использовании богатых топливовоздушных смесей продуктами сгорания являются водород и окись углерода. Эти газы часто воспламеняются, иногда впечатляюще, когда обычно очень богатая смесь все еще горящего топлива выходит из выхлопных отверстий. Очень богатые смеси необходимы для снижения температуры горячих частей камеры сгорания, чтобы контролировать преждевременное зажигание и последующую детонацию. Детали работы зависят от конкретной смеси и характеристик двигателя. [ нужна ссылка ]
Небольшое количество гидразина , смешанного с нитрометаном, может еще больше увеличить выходную мощность. С нитрометаном гидразин образует взрывчатую соль, которая снова является монотопливом. Эта нестабильная смесь представляет серьезную угрозу безопасности. Национальная ассоциация хот-родов и Академия авиамоделизма не разрешают его использование в соревнованиях. [21]
В моделей самолетов и автомобилей топливе для основным ингредиентом обычно является метанол с некоторым количеством нитрометана (от 0% до 65%, но редко более 30%) и 10–20% смазочных материалов (обычно касторового масла и/или синтетического масла )). Даже умеренное количество нитрометана имеет тенденцию увеличивать мощность, создаваемую двигателем (поскольку ограничивающим фактором часто является воздухозаборник), что упрощает настройку двигателя (регулирование правильного соотношения воздух/топливо).
Бывшее использование
[ редактировать ]Ранее он использовался в промышленности взрывчатых веществ в качестве компонента бинарных взрывчатых веществ с нитратом аммония и в кумулятивных зарядах, а также в качестве химического стабилизатора для предотвращения разложения различных галогенированных углеводородов. [22] Он также используется в качестве топлива в некоторых видах гонок.
Другой
[ редактировать ]Его можно использовать в качестве взрывчатого вещества, если он загущен с несколькими процентами желирующего агента. Этот тип смеси называется PLX . К другим смесям относятся АННМ и АННМАл – взрывчатые смеси нитрата аммония, нитрометана и алюминиевого порошка.
Реакции
[ редактировать ]Кислотно-основные свойства
[ редактировать ]Нитрометан — относительно кислая угольная кислота . он имеет pK a 17,2 В растворе ДМСО . Это значение указывает на водное значение pK a около 11. [23] Он настолько кислый, потому что анион допускает альтернативную, стабилизирующую резонансную структуру:
Кислота депротонирует очень медленно. Протонирование сопряженного основания O 2 NCH 2 − , который почти изостеричен нитрату , первоначально возникает в присутствии кислорода. [24]
Органические реакции
[ редактировать ]В органическом синтезе нитрометан используется как одноуглеродный строительный блок . [25] [26] Его кислотность позволяет ему подвергаться депротонированию, что приводит к реакциям конденсации, аналогичным реакциям карбонильных соединений. Таким образом, в условиях основного катализа нитрометан присоединяется к альдегидам в результате 1,2-присоединения в нитроальдольной реакции . Некоторые важные производные включают пестициды хлорпикрин (Cl 3 CNO 2 ), бета-нитростирол и трис(гидроксиметил)нитрометан ((HOCH 2 ) 3 CNO 2 ). Восстановление последнего дает трис(гидроксиметил)аминометан, (HOCH 2 ) 3 CNH 2 , более известный как трис , широко используемый буфер . В более специализированном органическом синтезе нитрометан служит донором Михаэля, присоединяясь к α,β-ненасыщенным карбонильным соединениям посредством 1,4-присоединения в реакции Михаэля .
Очистка
[ редактировать ]Нитрометан — популярный растворитель в органической и электроаналитической химии. Его можно очистить охлаждением ниже точки замерзания, промывкой твердого вещества холодным диэтиловым эфиром с последующей перегонкой. [27]
Безопасность
[ редактировать ]Нитрометан обладает умеренной острой токсичностью. ЛД50 (перорально, крысы) составляет 1210±322 мг/кг. [12]
Согласно отчету правительства США, нитрометан «обоснованно считается канцерогеном для человека». [28]
Взрывоопасные свойства
[ редактировать ]Нитрометан не был известен как взрывчатое вещество железнодорожная цистерна не взорвалась загруженная им до тех пор, пока 1 июня 1958 года . [29] После долгих испытаний [ нужна ссылка ] , выяснилось, что нитрометан является более энергичным фугасным взрывчатым веществом, чем тротил. [ нужна ссылка ] , хотя тротил имеет более высокую скорость детонации (VoD) и бризантность [ нужна ссылка ] . Оба эти взрывчатых вещества бедны кислородом, и некоторые преимущества можно получить от смешивания с окислителем , например, селитрой аммония . Чистый нитрометан представляет собой нечувствительное взрывчатое вещество с VOD примерно 6400 м/с (21 000 футов/с), но даже в этом случае для снижения опасности можно использовать ингибиторы. Предполагалось, что произошел взрыв цистерны [ нужна ссылка ] Причиной является адиабатическое сжатие, опасность, присущая всем жидким взрывчатым веществам. Это когда маленькие пузырьки воздуха сжимаются и перегреваются с быстрым повышением давления. Считалось, что оператор быстро закрыл клапан, создав резкий скачок давления. [ нужна ссылка ]
При смешивании с нитратом аммония , который используется в качестве окислителя, образуется взрывоопасная смесь, известная как ANNM .
Нитрометан используется в качестве модельного взрывчатого вещества наряду с тротилом. Он имеет ряд преимуществ как модельное взрывчатое вещество перед тротилом, а именно его однородную плотность и отсутствие твердых постдетонационных частиц, которые усложняют определение уравнения состояния и дальнейшие расчеты.
Нитрометан реагирует с растворами гидроксида или метоксида натрия в спирте с образованием нерастворимой соли нитрометана. Это вещество представляет собой чувствительное взрывчатое вещество, которое в кислой среде превращается в нитрометан и разлагается в воде с образованием другого взрывчатого соединения — метазоната натрия, имеющего красновато-коричневый цвет:
- 2 CH 3 NO 2 + NaOH → HON=CHCH=NO 2 Na + 2 H 2 O
Реакция нитрометана с твердым гидроксидом натрия является гиперголической .
См. также
[ редактировать ]- Топ Топливо
- Адиабатическая температура пламени , термодинамический расчет температуры пламени нитрометана.
- Динитрометан
- Модель двигателя
- Тринитрометан
- Тетранитрометан
- RE-фактор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Фронт материи». Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 (Синяя книга) . Кембридж: Королевское химическое общество . 2014. с. 662. doi : 10.1039/9781849733069-FP001 (неактивен 14 апреля 2024 г.). ISBN 978-0-85404-182-4 .
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на апрель 2024 г. ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б с д и ж Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0457» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Перейти обратно: а б с д и Хейнс, с. 3.414
- ^ Хейнс, с. 6,69
- ^ Хейнс, с. 5,94
- ^ Райх, Ганс. «Таблица Bordwell pKa: «Нитроалканы» » . Химический факультет Университета Висконсина . Проверено 27 января 2022 г.
- ^ Хейнс, с. 3,576
- ^ Перейти обратно: а б Хейнс, с. 6.231
- ^ Перейти обратно: а б с д и Хейнс, с. 15.19
- ^ Хейнс, с. 5.20
- ^ Перейти обратно: а б с «Нитрометан» . Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Маркофский, С.Б. (2000). «Нитросоединения алифатические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a17_401.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Уитмор, ФК; Уитмор, МГ (1941). «Нитрометан» . Органические синтезы ; Сборник томов , т. 1, с. 401 .
- ^ Карли, Ларри (6 января 2013 г.). «HPBG: сила гоночного топлива» . Журнал «Двигателестроитель» . Проверено 31 мая 2024 г.
- ^ «Что такое нитрометановое топливо: понимание источника энергии для высокопроизводительных гонок - работа при парковке - руководства для легковых, транспортных средств и грузовиков и журналы по ремонту» . ranwhenparked.net . 05.03.2024 . Проверено 31 мая 2024 г.
- ^ Шрестха, Кришна Прасад; Вин, Николас; Эрбине, Оливье; Зейдель, Ларс; Баттен-Леклер, Фредерик; Цойх, Томас; Мосс, Фабиан (01 февраля 2020 г.). «Взгляд на горение нитрометана на основе подробного кинетического моделирования - эксперименты по пиролизу в реакторах со струйным перемешиванием и проточных реакторах» (PDF) . Топливо . 261 : 116349. Бибкод : 2020Fuel..26116349S . дои : 10.1016/j.fuel.2019.116349 . ISSN 0016-2361 . S2CID 208755285 .
- ^ Шрестха, Кришна Прасад; Вин, Николас; Эрбине, Оливье; Зейдель, Ларс; Баттен-Леклер, Фредерик ; Цойх, Томас; Мосс, Фабиан (01 февраля 2020 г.). «Взгляд на горение нитрометана на основе подробного кинетического моделирования - эксперименты по пиролизу в реакторах со струйным перемешиванием и проточных реакторах» (PDF) . Топливо . 261 : 116349. Бибкод : 2020Fuel..26116349S . дои : 10.1016/j.fuel.2019.116349 . ISSN 0016-2361 . S2CID 208755285 .
- ^ Бойер, Э.; Куо, К. (январь 2006 г.). Характеристики нитрометана для применения в двигательных установках . 44-я встреча и выставка AIAA по аэрокосмическим наукам. Рено, Невада. дои : 10.2514/6.2006-361 . ISBN 978-1-62410-039-0 . АИАА 2006-361.
- ^ Кларк, доктор медицинских наук; Азимов, Исаак (1972). Зажигание! неофициальная история жидкого ракетного топлива . Издательство Университета Рутгерса. стр. 9-10 . ISBN 978-0-8135-0725-5 .
- ^ Курилов Максим; Верлинг, Лукас; Кирхбергер, Кристоф (2023). Нитрометан как экологически чистое топливо: первые результаты кампании по испытаниям на горение (PDF) . Европейская аэрокосмическая конференция 2023. doi : 10.13009/EUCASS2023-372 .
- ^ «Положение о соревнованиях AMA на 2015–2016 годы, часть 7. Топливо» (PDF) . www.modelaircraft.org . Академия модельного воздухоплавания. 15 февраля 2016 г. с. 24 . Проверено 18 апреля 2014 г.
- ^ САБИК, Кас АарденВыпускник Гронингенского университета. Работал химиком в таких компаниях, как Wilmar Oleochemicals B. Vand. «Нитрометан: полное руководство по свойствам, использованию и синтезу» . Сафрол . Проверено 31 мая 2024 г.
- ^ Бордвелл, ФГ; Сатиш, А.В. (1994). «Важен ли резонанс для определения кислотности слабых кислот или энтальпии диссоциации гомолитических связей (БДЭ) их кислотных связей ГК?». Журнал Американского химического общества . 116 (20): 8885–8889. дои : 10.1021/ja00099a004 .
- ^ Крамарц, КВ; Нортон, младший (2007). «Медленные реакции переноса протона в металлоорганической и бионеорганической химии». Прогресс неорганической химии . стр. 1–65. дои : 10.1002/9780470166437.ch1 . ISBN 9780470166437 .
- ^ Добен, Х.Дж. младший; Ринголд, HJ; Уэйд, Р.Х.; Пирсон, Д.Л.; Андерсон, А.Г. младший; де Бур, Ти Джей; Бэкер, HJ (1963). «Циклогептанон» . Органические синтезы ; Сборник томов , т. 4, с. 221 .
- ^ Ноланд, МЫ (1963). «2-Нитроэтанол» . Органические синтезы ; Сборник томов , т. 4, с. 833 .
- ^ Кутзи, Дж. Ф.; Чанг, Т.-Х. (1986). «Рекомендуемые методы очистки растворителей и испытаний на примеси: нитрометан» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 58 (11): 1541–1545. дои : 10.1351/pac198658111541 . S2CID 95631774 .
- ^ «15-й отчет Национальной токсикологической программы о канцерогенах» (PDF) . Национальная токсикологическая программа Министерства здравоохранения и социальных служб США . 21 декабря 2021 г. Архивировано (PDF) из оригинала 2 октября 2023 г. . Проверено 30 мая 2024 г.
- ^ Межгосударственная торговая комиссия. «Авария возле горы Пуласки, Иллинойс» (PDF) . Бывшая часть № 213 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 ноября 2020 года.
Цитируемые источники
[ редактировать ]- Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). ЦРК Пресс . ISBN 978-1439855119 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Страница веб-книги по нитрометану
- История нитрометана
- CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|