Нитрометан , иногда сокращаемый до просто «нитро», представляет собой органическое соединение с химической формулой CH.
3НЕТ
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, в дрэг-рейсинге Top Fuel и в миниатюрных двигателях внутреннего сгорания в радиоуправлении , линиях управления и свободно летающих моделях самолетов.
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]
Его можно приготовить другими методами, имеющими учебное значение. Реакция хлорацетата натрия с нитритом натрия в водном растворе дает следующее соединение: [13]
Основное применение нитрометана — в качестве стабилизатора хлорированных растворителей, которые используются при химической чистке , обработке полупроводников и обезжиривании. Он также наиболее эффективно используется в качестве растворителя или растворяющего агента для акрилатных мономеров , таких как цианакрилаты (более известные как «суперклеи»). [12] Он также используется в качестве топлива в некоторых видах гонок. 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.
Как органический растворитель он считается высокополярным (ε r = 36 при 20 ° C и μ = 3,5 Дебая), но является апротонным и обладает очень низкой основностью по Льюису. Таким образом, это редкий пример полярного растворителя, который к тому же является слабокоординирующим. Это делает его полезным для растворения положительно заряженных, сильно электрофильных частиц. Однако его относительно высокая кислотность и взрывчатые свойства (см. ниже) ограничивают его применение.
Нитрометан — относительно кислая угольная кислота . В растворе ДМСО он имеет pK a 17,2 . Это значение указывает на то, что водный pK a составляет около 11. [14] Он настолько кислый, потому что анион допускает альтернативную, стабилизирующую резонансную структуру:
Кислота депротонирует очень медленно. Протонирование сопряженного основания O 2 NCH 2 - , которое почти изостерично нитрату , происходит первоначально по кислороду. [15]
В органическом синтезе нитрометан используется как одноуглеродный строительный блок . [16] [17] Его кислотность позволяет ему подвергаться депротонированию, обеспечивая реакции конденсации, аналогичные 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 .
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.
Содержание кислорода в нитрометане позволяет ему гореть с гораздо меньшим количеством атмосферного кислорода, чем обычное топливо . При сжигании нитрометана оксид азота (NO) является одним из основных продуктов выбросов наряду с CO 2 и H 2 O. [18] Оксид азота способствует загрязнению воздуха, кислотным дождям и истощению озонового слоя. Недавние исследования (2020 г.) [19] показывают, что правильное стехиометрическое уравнение горения нитрометана:
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 цитата ] Этот анализ показывает, что нитрометан генерирует примерно в 2,3 раза больше энергии, чем бензин, в сочетании с заданным количеством кислорода. [ нужна цитата ]
Нитрометан также можно использовать в качестве монотоплива , т.е. топлива, которое разлагается с выделением энергии без добавления кислорода. Следующее уравнение описывает этот процесс:
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 испарения 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 цитата ]
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 цитата ]
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. [20]
В топливе для моделей самолетов и автомобилей 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).
Нитрометан не был известен как взрывчатое вещество до тех пор, пока 1 июня 1958 года не взорвалась загруженная им железнодорожная цистерна . [21] После долгих испытаний [ нужна цитация ] стало понятно, что нитрометан является более энергичным взрывчатым веществом, чем тротил [ нужна цитация ] , хотя тротил имеет более высокую скорость детонации (VoD) и бризанс [ нужна цитация ] . 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. Было высказано предположение, что взрыв цистерны произошел из-за адиабатического сжатия, опасности, свойственной 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 цитата ]
При смешивании с нитратом аммония , который используется в качестве окислителя, он образует взрывоопасную смесь, известную 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:
Реакция нитрометана с твердым гидроксидом натрия является гиперголической .
Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, в состав топлива которого входит нитрометан, содержат пары азотной кислоты , которые вызывают коррозию и при вдыхании вызывают мышечную реакцию, из-за которой невозможно дышать. Остатки на основе конденсированной азотной кислоты, оставшиеся в модели двигателя на тлеющем топливе после сеанса полета модели, также могут разъедать их внутренние компоненты, что обычно требует использования комбинации керосина для нейтрализации остаточной азотной кислоты и «после запуска». «масло» (часто это разновидность популярного консервирующего масла с низкой вязкостью «масла для пневматических инструментов ») для смазки и защиты от таких повреждений, когда такой двигатель помещается на хранение.
Нитрометан — популярный растворитель в органической и электроаналитической химии. Его можно очистить охлаждением ниже точки замерзания, промывкой твердого вещества холодным диэтиловым эфиром с последующей перегонкой. [22]