«Валькирия» отыны • Аркадий Курамшин • «Элементтер» бойынша ғылыми-танымал тапсырмалар • Химия

«Valkyrie» үшін отын

1950 жылдары Құрама Штаттардың Әуе күштері ерекше дизельді отынға арналған жоғары биіктігі жоғары жылдамдықты бомбардтың дамуын бастады. 1964 жылы XB-70 Valkyrie (XB-70 Valkyrie) деп аталатын ұшақтың алғашқы екі прототипі алғаш рет ұшып, 33 пилоттық рейсті аяқтап, 1969 жылы зейнеткерлікке шығып, АҚШ-тың Ұлттық мұражайына Әскери-әуе күштері базасында Wright-Паттерсон.

US Air Force XB-70A «Valkyrie» дыбыстан бомбардировщик

Екінші ұшақ, 1966 жылғы 8 маусымдағы, коммерциялық түсіру кезінде F-104 жауынгерімен (видео қараңыз) соқтығысу барысында құлады. Прототиптердің біреуі құлағаннан кейін және, мүмкін, жаңа кеңес ақпаратынан кейін Кеңес Әуе қорғаныс күштерінің мүмкіндіктері айтарлықтай жақсарғаннан кейін, дыбыстан бомбалаушылардың құрылысына қатысты жобалар қысқартылды.

Бес жыл бойы ұшу ұшуларына ұшқыштар мен аэродромдар ұшқыштардың жұмысын қозғалтқыштардың саңылауларынан шыққан жарқын жасыл жалынның арқасында Валькирияны «жасыл айдаһар» деп атады.

Тапсырма

Енді химик ретінде сіз Валькирияның отын үлгісіне қол жеткізгеніңізді елестетіңіз (келіңіздер, оны атайық) отын X), ал сіз бұл отын жеке зат болып табылатынын білесіз және қоспасыз (әдетте, мұндай проблемалар белгілі бір болжамсыз шешілмейді), сіз отын формуласын шешуге шешім қабылдадыңыз.

Бөлме температурасында белгілі отын X 61 ° C температурада қайнаған, қышқыл иісі бар түссіз сұйықтық. 100 ° C және қалыпты атмосфералық қысым кезінде, будың тығыздығы отын X 2,06 г / л – шын, жұмыс істейді X жанармайы Мұндай температурада қауіпті: ол ауада өздігінен жанып тұрады.

Жанудың жалғыз өнімі 6,3 г отын X Бөлме температурасында қатты 8,1 г су және 17,4 г оксид оттегі (немесе ауада) Aқұрамында 68,94% оттегі (салмағы бойынша) бар. Ыстық су буымен отын X сутегі мен қышқылдың пайда болуымен жауап береді Bоксидтен алынған A.

Анықтаңыз молекулалық формула отын X. Жазыңыз реакцияның оттегі және су буымен теңдеулері.


1-кеңес

Қосылыстары жалынның жасыл бояуы мүмкін көп химиялық элементтер жоқ.


2-кеңес

Әр түрлі деңгейдегі химиялық олимпиадалардың көптеген қатысушыларының тәжірибесі үйрететіндіктен, сіз қайдан бастау керек екенін білмейсіз – молекулярлық салмақты анықтаңыз! Мәселедегі деректер осы тәжірибені ұстану үшін жеткілікті.


Кеңес 3

Есептеулердің нәтижесінде сіз мерзімді жүйе (және, шамасы, жалпы мағынада) деп болжанатын X-элементті құрайтын элементтердің валенттілігі мүмкіндігіне өте сəйкес келмейтін молекулярлық формулаға ие болдыңыз, алаңдаба. Кейде ол орын алады.


Шешім

Күйіп кеткенде ақпарат отын X тек су мен оксид (және қатты) қалыптасады, бұл отын кез-келген элементтің екілік сутегі қосылысы деп қорытынды жасауға мүмкіндік береді. Бұл қосылыста оттегінің болуы екіталай емес: оның негізгі мақсаты – энергияны босату кезінде оттегіде жану, оның оттегі болуы оның калориясын азайтады.

Агломерацияның сұйық күйі туралы ақпарат төмен қайнау нүктесімен бірге металл гидридінің нұсқасын алып тастауға мүмкіндік береді және отын X – металл емес сутегі қосылысы. Өйткені, белсенді металдардың гидридтері – олардың қатты агрегирлі күйін, төмен құбылмалылықты және жоғары қайнау температурасын тудыратын иондар деп сипаттауға болатын байланыстары бар заттар.

Бұл металл емес бордың бұл отын жағқан жалынның түсіне байланысты пайда болуы керек деген болжам,және химиялық қасиеттер туралы кейбір мәліметтер. Дегенмен, болжау жұмысы жеткіліксіз және оны есептеу арқылы растау қажет.

Оксид A құрамында 68,94% оттегі және 31,16% элемент бар. Осы мәндерден сіз элементтің балама массасын есептей аласыз (Миә), эквиваленттердің заңын қолданып, былай делінген:Заттар химиялық реакцияларға енеді және оларда олардың баламаларының сомасына тең немесе оған теңестірілген мөлшерде қалыптастырылады; химиялық реакцияға қатысатын және оның нәтижесіне әкелетін заттардың массасы осы заттардың эквивалент массасына тең немесе барабар«Бұл элементтің эквивалент массасын анықтаймыз Миә = 3,62.

Қарапайым заттардың молярлық массасының эквиваленті формула бойынша анықталуы мүмкін:

\ [M_E (\ mathit {қарапайым \ субстанция)) = \ dfrac {A (\ mathit {элемент}}} {CO}. \]

мұнда A(элемент) – қарапайым зат құрайтын элементтің атом массасы, және CO – элементтің химиялық реакция нәтижесінде пайда болатын тотығу дәрежесі (модуль).

Осы формуланың негізінде элементтің атом массасы баламалы массаны тотығу дәрежесінің ықтимал мәндері бойынша көбейту жолымен айқындауға болады.

3 тотығу күйі үшін біз бор атомының массасына сәйкес келетін 10.8 элементтің атом массасын аламыз, яғни, отын X – бордың сутектік қосылыстары, формуласы, ол кезде біз жазамызxHy.

Мәселенің мәлімдемесінде көрсетілген будың тығыздығы 100 ° C (373 К) және қалыпты атмосфералық қысым (101,3 Па) 2,06 грамм отын X көлемі 1 литрді алады. Менделеевтің – Клапейрон теңдеуі бойынша [P \ times V = \ dfrac m M \ times R \ times T \) молекулярлық салмақты отын X:

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

Молекулалық салмақ (егер сіз температураны абсолютті түрде дұрыс өзгертіп, паскальдардағы қысымды жазсаңыз) 63 г / моль құрайды. Содан кейін сіз екі жолмен жүре аласыз:

1. Оттегіде жағылатын заттардың нәтижелері бойынша. Жану үлгісі отын X:

BxHat + О2 → x / 2B2O3 + y / 2H2O 0,1 моль отын жағып, 0,25 моль бор оксиді және 0,45 моль су шығатын болса, онда x = 5, y = 9 және қалаған формула B5H9.

2. Аналитикалық:

ішінде X жанармайы төрт немесе одан да аз бор атомы болуы мүмкін емес, себебі x = 4 үшін B формуласы алынады4H20, және бір металл емес атомға үш сыртқы бор электронымен бес сутегі атомы жай болмайды, B фрагментінің массасы6 отынның молярлық массасынан асатын 64,8 амуға тең. Жалғыз опция B қалды5H9.

АҚШ әуе күштерінің тәжірибелі әуе кемелеріне шын мәнінде отын ретінде қызмет еткен бұл зат «pentaboran-9» деп аталады (ақ пентаборо-11-В5H11).

Реакциялар:

Оттегінің көмегімен: 2В5H9 + 12O2 = 5B2O3 + 9H2O.

Су буымен: B5H9 + 15Х2O = 5 сағат3BO3 + 12H2.


Эпилогия 1

(химия теориясымен байланысты)

Көптеген оқырмандар химиялық элементтің валенттілігін болжау үшін үйренген, демек, оның жоғары тотығы мен ұшпа сутегі қосылысының формуласы, молекулалық формула отын X B5H9 (сонымен қатар оның аналогы B формуласы5H11) әдеттен тыс және тіпті дұрыс емес көрінуі мүмкін. Барлығы қарапайым: бор үшінші топтың негізгі кіші тобында, сыртқы электрондарда үш электронды үш сутегі атомының үш электронымен жұптасуы мүмкін үш бені бар және бордың сутегі қосылысы BH3. Дегенмен, бұл BH молекулалары емес3 жоқ және қарапайым боргидрид диборан болып табылады, оның формуласы B2H6.

Себебі, бордың тиесілі негізгі кіші топтарының элементтері 8 электронның сыртқы қабығын толтыруға бейім. Электрондық октетов ережесіне сәйкес (Lewis ережесі) тұрақты электронды қабық инертті газдарға изоэлектроникалық қабық (Isaelectronic сериясын қараңыз) болып табылады. Химиялық байланыстарды (иондық және ковалентті) қалыптастыру арқылы атомдар сыртқы қабатта сегіз электронның болуын қамтамасыз ету үшін көптеген электрондарды сыйға тартады немесе қабылдайды.

Бордың сыртқы (валенттілігі) деңгейінде үш электрон бар, сондықтан BH гипотетикалық қосылысында3 бордың сыртқы электрон қабатында алты электрон орналасады. Мұндай конфигурация тұрақты болмайды және, сәйкесінше, алты электронды қабықшамен қосылыстар тұрақты болмайды және жай болмайды. Қосылыстардың тұрақтылығын арттыру үшін, бор бұл орбитаға бұрыннан қалыптасқан коваленттік байланыстардың екі электронын қабылдауға бейім. Сайып келгенде, жұп (немесе көп электрондар) бір мезгілде екі ядролардан көп болуы мүмкін (1-сурет) мультицентрлік байланыс жасалады.

Сурет. 1. Diborane құрылымы. Химиялық байланыстың неғұрлым қысқа ұзындығы оның үлкен күшін көрсеткені, яғни қатты химиялық байланыстың арааралық аралық қашықтықты бары белгілі. Осыған сүйене отырып, диатомдық B-H байланыстары (ұзындығы 119 пикометр) төрт орталықтан тұратын төртэлектрон байланыстағы (ұзындығы 131 см) өзара әрекеттесуге қарағанда күшті екендігі туралы қорытынды жасауға болады. En.wikipedia.org сайтынан сурет

Көптеген орталық коваленттік байланыстары бар қосылыстардың құрамы көбінесе валенттік байланыстардың «әдеттегі» теориясын пайдалану негізінде болжауға болатын композициядан ерекшеленеді,екі немесе үш атомды екі атомның арасында ғана қалыптасуы мүмкін (яғни электронды бұлт бір уақытта екі атомға ғана жатады – байланыс жасайтын екі орталық).

Борандардағы химиялық байланыстарды зерттеу тек қана валенттік байланыстар теориясы мен классикалық валанса жай-күйлерінің химиялық заттардың құрамы мен құрылымын әрдайым болжай алмайтынын және сипаттайтындығын анықтауға мүмкіндік беріп қана қоймай, сондай-ақ валенттің және ковалентті байланыстың басқа да сипаттамаларының жаңа анықтамасының қажеттілігін көтерді, IUPAC-дің қазіргі кездегі валенттілігі анықтамасы идеалды болып табылмайды: «Валенс – ең жоғарғы сома моновалент атомдар (бастапқыда, сутегі немесе хлор), олар элементпен немесе фрагментте немесе осы атомды ауыстыруға болатын«Оны анықтауға болады». Бірегей атомдардың санын анықтау (мысалы). құбылыс, бұл құбылыстың туындысы болып табылатын сөзді пайдалана отырып, сәл ақылсыз.


Кейінгі сөз 2

(химия бойынша «Валькирия» жобасының практикалық маңыздылығына байланысты)

«Валькирия» үшін Бородоводную жанармай таңдалған жоқ кездейсоқ емес.Boranes қатты бистон оксиді B қалыптастыру үшін өртеніп болғандықтан2O3, көмірсутектер – газ тәріздес көміртектің пайда болуымен2, боргидридтерді жану кезінде қатты энергияны шығарады (жану өнімдерінің арасында қатты зат болып табылатын заттардың жануы «қосымша» жанудың қатты өнімінің кристалдық торында пайда болған энергиядан басқа ештеңе емес). Мысалы, бір грамм этан C жағу кезінде2H6 51,4 кДж босатылды, ал бір грамм диборан B күйіп кеткенде2H6 – бір жарым есеге көп, 72,7 кДж. Жанармайдың жануы кезінде неғұрлым көп энергия босатылған деп болжауға болады, мысалы, белгілі бір қашықтыққа ұшу үшін аз отын қажет болады немесе жүктің көп мөлшерін жүктеуге болады.

Бор хидрогенді отынның барлық жоғары энергия тиімділігін арттыру үшін жоғары тұтанғыштық, ауада ылғалдың әсеріне сезімталдығы және көмірсутектермен салыстырғанда жоғары уыттылық сияқты көптеген факторлар күрделене түсті (бұл нәтиже ақырында, XB-70 Valkyrie және белгілі бір боран отыны болып қалады).

Авиация және аэроғарыштық жобалар бойынша жұмыс істеп, тиімді отындарды жасау кезінде «борандарды басу» әрекеттері жасалды және бұл әрекеттер сәтті болды. Карборан сияқты қосылыстардың класы табылды және синтезделді. Бұл жалпы формуласы бар органоборонные қосылыстары [(CH)а(BH)мHб]смұнда a = 1-6 (әдетте 2 артық емес), м = 3-10. Үш-бес бор атомдарының саны бар карборанттар «төменгі» карборан деп аталады. Көпфазалы молекулада «орта» карборандары алтыдан тоғыз бор атомға дейін барады. Жоғары изомерлі карборандардың құрамына 10 бор атомы жатады. Көміртектің молекулалары полиэдра болып табылады, ал CH топтары мен бор атомдары полиэдрдің шыңдарында орналасады және бормен байланысқан сутегі атомдары екі орталық пен көп орталықты химиялық байланыстарды да қалыптастыра алады. Бейтарап карборан ретінде белгілі (c = 0, бұл жағдайда жалпы формула (CH)а(BH)мHa + m) және иондар (катиондар мен аниондар) негізінде осы құрылымдар.

Әдебиетте 1950 жылдары алғашқы көміртектердің жаңа жанармай шығаратын жобаларды әзірлеу кезінде алынғанына назар аударылған.Алайда, бұл нәтижелер жіктелді және карборандардың синтезі туралы ақпарат алғаш рет 1963 жылы Леонид Иванович Захаркиннің (КСРО-да) және Уильям Липсомбтың (АҚШ-та) мақалалары бір-біріне қарамастан жарияланған мақалаларда ашық ғылыми басылымдарда пайда болды. Орыс ғылыми номенклатурасында термин «карборэн» орнына «бөрен» термині пайдаланылды (КСРО-ның аэроғарыштық бағдарламаларының бір бөлігі болып табылатын борандар мен карборандар бар эксперименттердің сенімді ақпарат көздері жоқтығы туралы ақпарат).

Борандардың Carboran-10 карборандарына ауысу кезінде қарқындылықтың жоғарылауы ең жақсы зерттелген және жақсы көрінеді, оның формуласы C2B10H12. Карборн-10 құрамында 10 бор атомы мен екі көміртек атомы бар, олар жиырма гексаедроннан тұрады. Икосаэдра шыңдарында орналасқан бор мен көмірдің әрбір атомы сутегі атомына байланады.

Орто-, мета- және пара-карборан-10 белгілі (сурет 2). Орто карборан күшті қышқылдар, негіздер және тотығу агенттеріне өте төзімді, бұл олардың қасиеттерін жоғары реактивті қорғандардан айтарлықтай ерекшелендіреді. Оның балқу нүктесі 287-293 ° С құрайды. Carborane температурасы 450 ° C температураға дейін төзімді болады, оның үстіне оның онтогенезі 600 ° C жоғары мета-карборанға изомерленеді, пара-карбонан қалыптасады.

Сурет. 2 Орто-, мета- және пара-карборандар (солдан оңға қарай). Ақ салалар көміртегі атомдары көрсетіледі, қызыл – Бор атомдары; сутегі атомдары суретті жеңілдету үшін көрсетілмейді. Nanomed.missouri.edu ішінен алынған сурет

Көптеген карборандар үлкен көлемді хош иісті жүйелерге айналды, көміртегі атомдары электрофильді алмастыру реакцияларына кіретін бензолдағы сутегі атомдары сияқты әрекет етеді. Орто-, мета- және пара-карборандарды салыстырсақ, электрофильді алмастыру орто-карборенде белсенді түрде орын алады.

Карборанның ашылуы оның ауқымында тек қана қолданбалы сипатта болатын зерттеулердің басында қойылған практикалық тапсырмалардан асып түсті. Карборанның пайда болуы Химия ғылымында жаңа тарау болды және XX ғасыр химиясында ең маңызды оқиғалардың бірі болды. Карборандарды зерттеу зерттеушілерге жоғарыда сипатталған мультисентральные облигациялар тұжырымдамасын қалыптастыруға мүмкіндік берді. Ақыр соңында, карборандардың құрылымын зерделеу эксперименттік ашылуы үшін 1996 жылы Роберт Курлмен бірге үш үйлестірілген көміртегі атомдарының тең санынан тұратын дөңес жабық полиэдрді бар фуллерендердің болуын болжауға мүмкіндік берді (3-сурет)Гарольд Крото және Ричард Смалли химия бойынша Нобель сыйлығын алды.

Сурет. 3 Фуллерен (сол жақта) және орто-карборан. Мақаланың суреті: Ян З. Волошин және басқалар, 2015.

Ешкім карборларды отын ретінде қолдана бастады: олардың өндіріс технологиясы бұл заттарды қарапайым жану үшін жеткілікті қымбат, бірақ карборандар мен олардың туындылары жаңа теориялық тұжырымдамаларды жасау үшін ғана емес, сонымен қатар, жаңа теориялық тұжырымдамалар жасау үшін де қызмет етеді. Қазір карборандар және олардың туындылары жоғары технологиялық үрдістерде қарапайым отын құрудан гөрі пайдаланылады: олардың ыстыққа төзімді полимерлі материалдар және желімдік композициялары. Карборандар күн батареяларына арналған бор-көміртекті материалдарды қалыптастыруда, сондай-ақ қатерлі ісіктерді емдеу үшін нейтронды-терапия терапиясында қолданылатын дәрілерді жасауда қолданылады.


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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