Bahan api untuk "Valkyrie" • Arkady Kuramshin • Tugas-tugas saintifik yang popular mengenai "Unsur" Kimia

Bahan api untuk “Valkyrie”

Pada tahun 1950-an, Tentera Udara Amerika Syarikat memulakan pembangunan pengebom supersonik altitud tinggi, reka bentuk yang direka untuk bahan bakar khas. Pada tahun 1964, pertama dua prototaip pesawat, yang dipanggil XB-70 Valkyrie (XB-70 Valkyrie), membuat penerbangan pertama, dan, setelah menyelesaikan 33 penerbangan pilot, pada tahun 1969 bersara dan terbang ke Muzium Nasional USAF di atas tentera udara Wright-Patterson.

Tentera Udara AS XB-70A "pengebom supersonik" Valkyrie

Pesawat kedua pada 8 Jun 1966 terhempas ketika penggambaran komersial, bertabrakan dengan pejuang F-104 (lihat video). Selepas kemalangan salah satu daripada prototaip dan, mungkin, selepas maklumat perisikan baru mengenai peningkatan ketara keupayaan pertahanan udara Soviet, projek yang berkaitan dengan pembinaan pengebom supersonik telah dikurangkan.

Selama lima tahun penerbangan ujian, para juruterbang dan petugas lapangan terbang berjaya menghidupkan Valkyrie sebagai "naga hijau" kerana nyalaan hijau terang yang berasal dari muncung enjin kerja pesawat ini.

Tugas

Sekarang bayangkan bahawa anda, sebagai ahli kimia, masuk ke tangan sampel bahan bakar Valkyrie (mari memanggilnya bahan api X), dan anda, setelah mengetahui bahawa bahan api ini adalah bahan individu, dan bukan campuran (seperti biasa, masalah tersebut tidak dapat diselesaikan tanpa asumsi tertentu), anda memutuskan untuk mentakrifkan formula bahan bakar.

Adalah diketahui bahawa pada suhu bilik bahan api X Ia adalah cecair tidak berwarna dengan bau masam, mendidih pada suhu 61 ° C. Pada 100 ° C dan tekanan atmosfera biasa, ketumpatan wap bahan api X adalah 2.06 g / l – benar, bekerja dengan Bahan bakar X pada suhu sedemikian berbahaya: ia menyala secara spontan di udara.

Satu-satunya produk pembakaran sebanyak 6.3 g bahan api X 8.1 g air dan 17.4 g pepejal oksida pada suhu bilik adalah dalam oksigen (atau udara) Amengandungi 68.94% oksigen (mengikut berat). Dengan wap air panas bahan api X bereaksi dengan pelepasan hidrogen dan pembentukan asid Bberasal dari oksida A.

Tentukan formula molekul bahan api X. Tuliskan persamaan tindak balasnya dengan oksigen dan wap air.


Petua 1

Tidak terlalu banyak unsur kimia yang sebatiannya boleh melukis api hijau.


Petua 2

Memandangkan pengalaman ramai peserta dalam Olimpik Kimia pada tahap yang berbeza mengajar, anda tidak tahu di mana untuk bermula – menentukan berat molekul! Data dalam masalah ini cukup untuk mengikuti pengalaman ini.


Petua 3

Jika, sebagai hasil daripada pengiraan, anda memperoleh formula molekul yang tidak begitu konsisten dengan keupayaan valensi unsur-unsur yang membentuk bahan X yang diramalkan oleh Sistem Berkala (dan, mungkin, akal), jangan bimbang. Kadang-kadang ia berlaku.


Penyelesaian

Maklumat yang dibakar bahan api X hanya air dan oksida yang terbentuk (dan pepejal), yang membolehkan untuk menyimpulkan bahawa bahan api adalah sebatian hidrogen biner dari mana-mana elemen. Kehadiran oksigen dalam sebatian ini tidak mungkin: dalam bahan yang tujuan utamanya adalah untuk membakar oksigen dengan pembebasan tenaga, kehadiran oksigen akan mengurangkan nilai kalorinya.

Maklumat tentang keadaan agregasi cecair, ditambah dengan titik didih yang rendah, memungkinkan untuk membuang versi hidrida logam dan menyimpulkan bahawa bahan api X – Kompaun hidrogen bukan logam. Lagipun, hidrida logam aktif adalah bahan dengan ikatan, yang, sebaliknya, boleh digambarkan sebagai ionik, yang menyebabkan keadaan agregat pepejal mereka, turun naik yang rendah dan titik mendidih yang tinggi.

Ramalan bahawa boron bukan logam ini harus timbul kerana warna api yang membakar bahan api ini,dan beberapa maklumat mengenai sifat kimia. Bagaimanapun, ramalan tidak mencukupi, dan perlu disahkan dengan pengiraan.

Oksida A mengandungi 68.94% oksigen dan 31.16% daripada unsur. Dari nilai-nilai ini, anda boleh mengira jisim bersamaan elemen (Muh), memohon undang-undang kesamaan, yang berbunyi: "Bahan-bahan dimasukkan ke dalam reaksi kimia dan dibentuk di dalamnya dalam jumlah yang sama atau berkadar dengan jumlah kesamaan mereka; jisim bahan yang terlibat dalam tindak balas kimia dan mengakibatkan hasilnya adalah sama atau berkadar dengan massa bersamaan bahan-bahan ini"Kami mendapat jisim yang sama dengan unsur tersebut Muh = 3,62.

Bersamaan massa molar bahan mudah boleh ditentukan oleh formula:

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

di mana A(elemen) – jisim atom unsur membentuk bahan mudah, dan CO – darjah pengoksidaan (modulo), yang diperolehi oleh unsur sebagai tindak balas kimia.

Berdasarkan rumusan ini, jisim atom unsur boleh ditentukan dengan meleret dengan mendarabkan jisim yang sama dengan nilai mungkin tahap pengoksidaan.

Untuk keadaan pengoksidaan 3, kita memperoleh jisim atom unsur 10.8, yang sepadan dengan jisim atom boron, iaitu, bahan api X – sebatian hidrogen boron, formula yang ketika kami menulis sebagaixHy.

Ketumpatan wap yang diberikan dalam pernyataan masalah menyatakan bahawa pada 100 ° C (373 K) dan tekanan atmosfera normal (101.3 Pa) 2.06 gram bahan api X menduduki jumlah 1 liter. Menurut persamaan Mendeleev – Clapeyron \ [P \ kali V = \ dfrac m M \ kali R \ kali T \] kita dapati berat molekul bahan api X:

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

Berat molekul (jika anda menukar suhu dengan mutlak sepenuhnya dan merakam tekanan dalam pascal) adalah 63 g / mol. Kemudian anda boleh pergi dengan dua cara:

1. Mengikut keputusan pembakaran zat dalam oksigen. Corak pembakaran bahan api X:

BxHpada + O2 → x / 2B2O3 + y / 2H2O, apabila membakar 0.1 mol bahan api, 0.25 mol boron oksida dan 0.45 mol air dilepaskan, maka x = 5, y = 9, dan formula yang diingini adalah B5H9.

2. Secara analitik:

dalam Bahan bakar X empat atau kurang atom boron tidak boleh terkandung, kerana untuk x = 4 formula B diperoleh4H20, dan dengan tiga elektron boron luar setiap satu atom bukan logam, lima atom hidrogen tidak dapat berlaku, jisim serpihan B6 sama dengan 64.8 amu, yang lebih tinggi daripada jisim molar bahan api. Satu-satunya pilihan yang tinggal adalah B5H9.

Bahan ini, yang benar-benar berfungsi sebagai bahan bakar untuk pesawat eksperimen Tentera Udara Amerika Syarikat, dipanggil pentaboran-9 (juga kurang tenaga dan lebih berbahaya dalam kerja pentaboro-11 – B5H11).

Reaksi:

Dengan oksigen: 2B5H9 + 12O2 = 5B2O3 + 9H2O.

Dengan wap air: B5H9 + 15H2O = 5h3BO3 + 12H2.


Epilogue 1

(berkaitan dengan teori kimia)

Ramai pembaca yang terbiasa meramal valensi unsur kimia, dan dengan itu formula oksida yang lebih tinggi dan sebatian hidrogen yang tidak menentu, formula molekul bahan api X B5H9 (serta formula untuk analog B nya5H11) mungkin kelihatan luar biasa dan bahkan salah. Nampaknya segala-galanya agak mudah: boron adalah dalam subkumpulan utama kumpulan ketiga, ia mempunyai tiga elektron pada paras elektron luar yang boleh dipasangkan dengan tiga elektron tiga atom hidrogen, dan sebatian hidrogen boron boleh ditulis sebagai BH3. Walau bagaimanapun, ia tidak: molekul BH3 tidak wujud, dan borohidrida paling mudah diborane, formulanya ialah B2H6.

Alasannya adalah bahawa unsur-unsur subkelompok utama yang mana boron milik, cenderung untuk memenuhi shell luar sehingga lapan elektron. Selaras dengan peraturan oktet elektronik (kaedah Lewis), sebuah shell elektron yang stabil adalah shell isoelectronic (lihat siri Isoelektronik) kepada gas lengai. Dengan membentuk ikatan kimia (kedua-dua ionik dan kovalen), atom cenderung menderma atau menerima elektron banyak untuk memastikan kehadiran lapan elektron pada lapisan luarnya.

Boron hanya mempunyai tiga elektron pada paras luar (valence), oleh itu dalam sebatian hipotetikal BH3 pada lapisan luar elektron boron akan terdapat enam elektron. Konfigurasi semacam itu tidak akan stabil, dan, dengan itu, sebatian dengan shell enam-elektron tidak akan stabil dan semata-mata tidak dapat wujud. Untuk meningkatkan kestabilan sebatiannya, boron cenderung menerima ke orbital ini sepasang elektron ikatan kovalen yang sudah terbentuk. Akhirnya, bon multisenter yang disebut terbentuk, di mana pasangan (atau lebih banyak elektron) dapat secara serentak tergolong lebih dari dua nukleus (Rajah 1).

Rajah. 1. Struktur diborane. Adalah diketahui bahawa panjang pendek ikatan kimia menunjukkan kekuatannya yang lebih besar, iaitu, ikatan kimia yang lebih padat mempunyai jarak interatom yang lebih kecil. Berdasarkan ini, kita dapat menyimpulkan bahawa bon diatomic B-H (panjang 119 picometer) lebih kuat daripada interaksi dalam ikatan empat-sentra empat elektron (panjang 131 pm). Gambar dari en.wikipedia.org

Komposisi sebatian dengan ikatan kovalen multisenter sering berbeza dari komposisi yang boleh diramalkan berdasarkan penggunaan "biasa" teori ikatan valensi, di mana satu,ikatan rangkap dua atau tiga boleh dibentuk hanya di antara dua atom (iaitu, awan elektron boleh dimiliki hanya dua atom pada satu masa – dua pusat membentuk ikatan).

Kajian mengenai ikatan kimia dalam boranes bukan sahaja dapat menentukan bahawa teori ikatan valensi dan negara-negara valensi klasik tidak boleh selalu meramalkan dan menggambarkan komposisi dan struktur bahan kimia, tetapi juga menimbulkan persoalan tentang keperluan definisi valensi baru dan ciri-ciri lain dari ikatan kovalen, Takrif valensi semasa IUPAC tidak boleh dianggap ideal: "Valence – jumlah maksimum monovalent atom (pada mulanya, hidrogen atau klorin), yang boleh bergabung dengan unsur atau serpihan, atau dengan apa atom ini boleh digantikan"Ia boleh ditakrifkan." Adalah jelas bahawa untuk menentukan bilangan atom yang tidak bersamaan (contohnya). fenomena, menggunakan perkataan, yang merupakan derivatif fenomena ini, sedikit tidak logik.


Afterword 2

(berkaitan dengan kepentingan praktikal projek "Valkyrie" untuk kimia)

Bahan api Borodovodnuyu dipilih untuk "Valkyrie" tidak sengaja.Oleh kerana boran dibakar untuk membentuk boron oksida padu B2O3, dan hidrokarbon – dengan pembentukan CO gas2, semasa pembakaran borohidrida, lebih banyak tenaga dilepaskan (haba tambahan "pembakaran bahan, di antara produk pembakaran yang terdapat bahan-bahan kristal pepejal, tidak lebih daripada tenaga yang dibebaskan semasa pembentukan kisi kristal produk pembakaran pepejal). Sebagai contoh, apabila membakar satu gram etana C2H6 51.4 kJ dilepaskan, dan apabila satu gram diborane B dibakar2H6 – hampir satu setengah kali ganda, 72.7 kJ. Adalah logik untuk mengandaikan bahawa lebih banyak tenaga dilepaskan semasa pembakaran bahan bakar, contohnya, bahan bakar kurang diperlukan untuk terbang jarak tertentu, atau anda dapat memuat lebih banyak muatan.

Penggunaan bahan api borohidrogen, untuk semua kecekapan tenaga yang tinggi, adalah rumit oleh sejumlah besar faktor, seperti kebakaran yang tinggi, kepekaan terhadap tindakan kelembapan di udara dan ketoksikan yang tinggi berbanding dengan hidrokarbon (yang pada akhirnya menyebabkan fakta bahawa XB-70 Valkyrie dan kekal sebagai bahan bakar borane yang diketahui sahaja).

Semasa mengerjakan projek penerbangan dan aeroangkasa dan mencipta bahan api yang cekap, percubaan dibuat untuk "menjinakkan boranes", dan percubaan ini berjaya. Kelas sebatian seperti karboran ditemui dan disintesis. Ini adalah sebatian organoboron dengan formula umum [(CH)a(BH)mHb]cdi mana a = 1-6 (biasanya tidak lebih daripada 2), m = 3-10. Karboran dengan bilangan atom boron dari tiga hingga lima dipanggil karboran "rendah". Dalam molekul polihedral, "medium" karboran terdiri daripada enam hingga sembilan atom boron. Struktur karbondiomal isomerik yang lebih tinggi termasuk 10 atom boron. Molekul karboran adalah polyhedra, manakala kumpulan CH dan atom boron terletak di puncak-puncak polyhedron, dan atom hidrogen yang berkaitan dengan boron boleh membentuk kedua-dua ikatan kimia dua pusat dan multi-pusat. Dikenali sebagai karboran neutral (c = 0, dalam kes ini, formula umum ialah (CH)a(BH)mHa + m) dan ion (kation dan anion) berdasarkan struktur ini.

Ia diperhatikan dalam kesusasteraan bahawa karbohidrat pertama diperolehi sejak tahun 1950-an tepat semasa pembangunan projek-projek untuk mencipta bahan bakar baru.Walau bagaimanapun, keputusan ini diklasifikasikan, dan maklumat tentang sintesis karboran pertama muncul dalam akhbar saintifik terbuka pada tahun 1963, apabila artikel oleh Leonid Ivanovich Zakharkin (dalam USSR) dan William Lipscomb (di Amerika Syarikat) diterbitkan secara berasingan antara satu sama lain. Dalam tatanama saintifik Rusia, istilah "baren" digunakan bukan istilah "carborane" (maklumat tentang sama ada eksperimen dengan boran dan karboran adalah sebahagian daripada program aeroangkasa USSR tidak dalam sumber yang boleh dipercayai).

Yang paling baik dipelajari dan paling baik menunjukkan peningkatan rintangan semasa peralihan dari boranes ke karboran Carboran-10, yang formulanya adalah C2B10H12. Carbourne-10 terdiri daripada 10 atom boron dan dua atom karbon yang terletak di simpang dua puluh heksahedron biasa (icosahedron). Setiap atom boron dan karbon, yang terletak di simpang icosahedron, terikat kepada atom hidrogen.

Ortho-, meta-, dan para-karboran-10 diketahui (Rajah 2). Ortho-carborane sangat tahan terhadap asid, asas dan agen pengoksidaan yang kuat, yang membezakan sifat-sifatnya daripada boran yang sangat reaktif. Titik leburnya ialah 287-293 ° C. Carborane boleh menahan pemanasan pada suhu 450 ° C, di atasnya rangkanya diisomerisasi menjadi meta-carborane, di atas 600 ° C, para-carbonane terbentuk.

Rajah. 2 Ortho-, meta- dan para-karboran (dari kiri ke kanan). Sfera putih atom karbon dipaparkan, lembab – atom boron; atom hidrogen tidak dipaparkan untuk memudahkan gambar. Gambar dari nanomed.missouri.edu

Kebanyakan karboran bertukar menjadi sistem aromatik yang besar; atom hidrogen dengan karbon bertindak seperti atom hidrogen dalam benzena, memasuki reaksi penggantian elektrofilik. Jika kita membandingkan ortho, meta, dan para-karboran, maka penggantian elektrofilik berlaku paling aktif dalam orto-karboran.

Penemuan karboran dalam skala jauh melebihi tugas-tugas praktikal yang ditetapkan pada awal penyelidikan, yang bersifat eksklusif digunakan. Penampilan karboran menandakan bab baru dalam sains kimia dan menjadi salah satu peristiwa paling penting dalam kimia abad XX. Kajian carborans membenarkan para penyelidik untuk merumuskan konsep bon multisenter yang diterangkan di atas. Akhirnya, kajian mengenai struktur karboran memungkinkan untuk meramalkan kewujudan fullerenes – cembung tertutup polyhedra yang terdiri daripada beberapa atom karbon yang diselaraskan tiga (Gambar 3), untuk penemuan eksperimen yang pada tahun 1996 oleh Robert Curl,Harold Kroto dan Richard Smalley menerima Hadiah Nobel dalam Kimia.

Rajah. 3 Fullerene (di sebelah kiri) dan ortho-karborane. Gambar dari artikel: Yan Z. Voloshin et al., 2015.

Tiada siapa yang mula menggunakan karboran sebagai bahan bakar: teknologi pengeluaran mereka cukup mahal untuk menggunakan bahan-bahan ini untuk pembakaran mudah, tetapi karboran dan derivatif mereka bukan sahaja berfungsi untuk mewujudkan konsep teoritis baru. Sekarang karboran dan derivatif mereka digunakan dalam proses berteknologi tinggi daripada penciptaan bahan api yang mudah: mereka adalah bahan polimer tahan haba dan komposisi pelekat. Carboranes digunakan dalam pembentukan bahan boron-karbon untuk sel suria, serta untuk membuat ubat yang digunakan dalam terapi menangkap neutron untuk rawatan tumor malignan.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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