Четырехокись азота - Dinitrogen tetroxide

Тетроксид диазота
Полная структурная формула
Модель заполнения пространства
Диоксид азота при разных температурах
Диоксид азота при −196 ° C, 0 ° C, 23 ° C, 35 ° C и 50 ° C. ( НЕТ
2
) превращается в бесцветный четырехокись азота ( N
2
О
4
) при низких температурах и переходит в NO
2
при более высоких температурах.
Имена
Название ИЮПАК
Тетраоксид диазота
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.031.012 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
Номер RTECS
UNII
Номер ООН 1067
  • InChI = 1S / N2O4 / c3-1 (4) 2 (5) 6 чек об оплатеY
    Ключ: WFPZPJSADLPSON-UHFFFAOYSA-N чек об оплатеY
  • InChI = 1 / N2O4 / c3-1 (4) 2 (5) 6
    Ключ: WFPZPJSADLPSON-UHFFFAOYAS
  • [O -] [N +] (= O) [N +] ([O -]) = O
Характеристики
N 2 O 4
Молярная масса 92,011  г / моль
Появление Бесцветная жидкость, оранжевый газ
Плотность 1,44246  г / см 3 (жидкость, 21 ° C)
Температура плавления -11,2 ° C (11,8 ° F, 261,9 K) и разлагается до NO 2
Точка кипения 21,69 ° С (71,04 ° F, 294,84 К)
Реагирует с образованием азотистой и азотной кислот.
Давление газа 96  кПа (20  ° C)
−23,0 · 10 −6  см 3 / моль
1,00112
Структура
Планар, Д
маленький, ненулевой
Термохимия
304,29  Дж / комоль
+9,16  кДж / моль
Опасности
Паспорт безопасности Внешний паспорт безопасности материала
Очень токсичен Т + СЕдкий
R-фразы (устаревшие) R26 , R34
S-фразы (устаревшие) (S1 / 2) , S9 , S26 , S28 , S36 / 37/39 , S45
NFPA 704 (огненный алмаз)
3
0
0
точка возгорания Не воспламеняется
Родственные соединения
Связанные оксиды азота
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?) чек об оплатеY☒N
Ссылки на инфобоксы

Четырехокись азота , обычно называемая тетроксидом азота (NTO) , а иногда (обычно среди ракетных инженеров из бывшего СССР / России) как амил , представляет собой химическое соединение N 2 O 4 . Это полезный реагент в химическом синтезе. Образует равновесную смесь с диоксидом азота . Его молярная масса 92,011 г / моль.

Тетроксид диазота - мощный окислитель, который гиперголичен (самопроизвольно реагирует) при контакте с различными формами гидразина , что сделало эту пару обычным двухкомпонентным топливом для ракет.

Структура и свойства

Четырехокись азота можно рассматривать как две связанные вместе нитрогруппы (-NO 2 ). Образует равновесную смесь с диоксидом азота . Молекула плоская с расстоянием связи NN 1,78  Å и расстоянием NO 1,19  Å. Расстояние NN соответствует слабой связи, поскольку оно значительно больше средней длины одинарной связи NN, равной 1,45  Å. Эта исключительно слабая σ-связь (составляющая перекрытие гибридных sp 2 -орбиталей двух единиц NO 2 ) является результатом одновременной делокализации пары связывающих электронов по всей молекуле N 2 O 4 и значительного электростатического отталкивания дважды занятых молекулярные орбитали каждой единицы NO 2 .

В отличие от NO 2 , N 2 O 4 является диамагнитным , так как он не имеет неспаренных электронов. Жидкость также бесцветна, но может выглядеть как коричневато-желтая жидкость из-за присутствия NO 2 в соответствии со следующим равновесием:

N 2 O 4 ⇌ 2 NO 2

Более высокие температуры сдвигают равновесие в сторону диоксида азота. Неизбежно некоторое количество тетроксида диазота является компонентом смога, содержащего диоксид азота.

Производство

Четырехокись азота производятся каталитическим окислением из аммиака : пар используются в качестве разбавителя для уменьшения температуры сгорания. На первом этапе аммиак окисляется до оксида азота :

4 NH 3 + 5 O 2 → 4 NO + 6 H 2 O

Большая часть воды конденсируется, а газы дополнительно охлаждаются; образовавшийся оксид азота окисляется до диоксида азота, который затем димеризуется до четырехокиси азота:

2 НО + О 2 → 2 НЕТ 2
2 NO 2 ⇌ N 2 O 4

а остаток воды удаляют в виде азотной кислоты . Этот газ по существу представляет собой чистый диоксид азота, который конденсируется в четырехокись азота в ожижителе, охлаждаемом рассолом.

Четырехокись азота также может быть получена реакцией концентрированной азотной кислоты и металлической меди. Этот синтез более практичен в лабораторных условиях и обычно используется в качестве демонстрации или эксперимента в химических лабораториях бакалавриата. Окисление меди азотной кислотой представляет собой сложную реакцию с образованием различных оксидов азота различной стабильности, которая зависит от концентрации азотной кислоты, присутствия кислорода и других факторов. Нестабильные частицы далее реагируют с образованием диоксида азота, который затем очищается и конденсируется с образованием тетроксида диазота.

Использование в качестве ракетного топлива

Четырехокись азота используется в качестве окислителя в одном из важнейших ракетных топлив, поскольку его можно хранить в жидком виде при комнатной температуре. В начале 1944 года немецкими учеными было проведено исследование возможности использования тетроксида диазота в качестве окислителя ракетного топлива, хотя немцы использовали его лишь в очень ограниченной степени в качестве добавки к S-Stoff (дымящейся азотной кислоте). К концу 1950-х он стал предпочтительным окислителем с возможностью хранения для многих ракет как в США, так и в СССР . Это гиперголическое ракетное топливо в сочетании с ракетным топливом на основе гидразина . Одно из первых применений этой комбинации было на ракетах семейства Titan, которые первоначально использовались как межконтинентальные баллистические ракеты, а затем как ракеты-носители для многих космических кораблей. Используемый на американских космических кораблях «Близнецы» и «Аполлон», а также на космических челноках, он по-прежнему используется в качестве топлива для удержания станций на большинстве геостационарных спутников и многих космических аппаратах дальнего космоса. Он также является основным окислителем для российской ракеты « Протон» .

При использовании в качестве пропеллента тетроксид диазота обычно называют просто тетроксидом азота, и аббревиатура NTO широко используется. Кроме того, NTO часто используется с добавлением небольшого процента оксида азота , который препятствует коррозионному растрескиванию титановых сплавов, и в этой форме NTO для пропеллента называют смешанными оксидами азота ( MON ). Большинство космических аппаратов теперь используют MON вместо NTO; например, в системе управления реакцией Space Shuttle использовался MON3 (NTO, содержащий 3% NO по весу).

Происшествие Аполлона и Союза

24 июля 1975 года отравление NTO затронуло трех американских астронавтов во время последнего спуска на Землю после полета космического корабля "Аполлон-Союз" . Это произошло из-за того, что переключатель случайно оставлен в неправильном положении, что позволило двигателям управления ориентацией сработать после открытия воздухозаборника кабины, позволяя дымам NTO попадать в кабину. Один член экипажа во время спуска потерял сознание. После приземления экипаж был госпитализирован на пять дней из-за химической пневмонии и отека .

Производство электроэнергии с использованием N 2 O 4

Тенденция N 2 O 4 обратимо превращаться в NO 2 привела к исследованиям его использования в передовых системах выработки электроэнергии в качестве так называемого диссоциирующего газа. «Холодный» четырехокись азота сжимается и нагревается, в результате чего он диссоциирует на двуокись азота с половинной молекулярной массой. Этот горячий диоксид азота расширяется через турбину, охлаждая ее и понижая давление, а затем дополнительно охлаждает в радиаторе, заставляя его рекомбинировать в четырехокись азота с исходной молекулярной массой. В этом случае намного проще сжать, чтобы снова начать весь цикл. Такие циклы Брайтона с диссоциативным газом могут значительно повысить эффективность оборудования для преобразования энергии.

Химические реакции

Промежуточный продукт в производстве азотной кислоты

Азотная кислота производится в больших масштабах через N 2 O 4 . Этот вид реагирует с водой с образованием как азотистой, так и азотной кислоты :

N 2 O 4 + H 2 O → HNO 2 + HNO 3

Побочный продукт HNO 2 при нагревании диспропорционирует до NO и более азотной кислоты. При воздействии кислорода NO превращается обратно в диоксид азота:

2 НО + О 2 → 2 НЕТ 2

Образовавшиеся NO 2 и N 2 O 4 могут быть возвращены в цикл, чтобы снова получить смесь азотистой и азотной кислот.

Синтез нитратов металлов

N 2 O 4 ведет себя как соль [NO + ] [NO 3 - ], первая из которых является сильным окислителем:

2 N 2 O 4 + M → 2 NO + M (НЕТ 3 ) 2

где M = Cu , Zn или Sn .

Если нитраты металлов получают из N 2 O 4 в полностью безводных условиях, ряд ковалентных нитратов металлов может быть образован со многими переходными металлами. Это потому, что существует термодинамическое предпочтение для нитрат-иона ковалентно связываться с такими металлами, а не образовывать ионную структуру. Такие соединения должны быть получены в безводных условиях, поскольку ион нитрата является гораздо более слабым лигандом, чем вода, и если вода присутствует, образуется простой гидратированный нитрат. Рассматриваемые безводные нитраты сами по себе ковалентны, и многие из них, например безводный нитрат меди , являются летучими при комнатной температуре. Безводный нитрат титана возгоняется в вакууме всего при 40 ° C. Многие из безводных нитратов переходных металлов имеют яркий цвет. Этот раздел химии был разработан Клиффом Аддисоном и Норманом Логаном в Ноттингемском университете в Великобритании в 1960-х и 1970-х годах, когда стали доступны высокоэффективные осушители и сушильные камеры .

использованная литература

внешние ссылки