Нитрометан

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Нитрометан
Nitromethane2.png
Нитрометан
Общие
Систематическое
наименование
нитрометан
Хим. формула CH3NO2
Физические свойства
Состояние бесцветная жидкость
Молярная масса 61 г/моль
Плотность 1,138 г/см³
Динамическая вязкость 0.61 мПа·с
Термические свойства
Т. плав. -28,5 °C
Т. кип. 101,2 °C
Т. всп. 36 °C
Тройная точка 244,6 К, 1,4015·102 Па
Кр. точка 588,15 К, 6,3·106 Па[1]
Энтальпия образования -113,1 кДж/моль
Удельная теплота испарения 38,28 Дж/кг
Удельная теплота плавления 9,7 Дж/кг
Давление пара 36,4 гПа (20 °C)
Химические свойства
pKa 10.2
Растворимость в воде 10.5 г/100 мл
Оптические свойства
Показатель преломления 1,3817
Структура
Дипольный момент 3,50 Д
Классификация
Рег. номер CAS 75-52-5
PubChem 6375
Рег. номер EINECS 200-876-6
SMILES
RTECS PA9800000
ChemSpider 6135
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Нитромета́н — химическое соединение с формулой СН3NO2 (метан с одним атомом водорода, замещённым нитрогруппой). Простейший представитель нитросоединений алифатического ряда. Применяется в технике как растворитель и как компонент ракетных и автомобильных топлив. Горюч и взрывоопасен. При соблюдении условий хранения может храниться при комнатной температуре неограниченно долго. Нитрометан следует отличать от метилнитрата (эфира метилового спирта и азотной кислоты с формулой СН3NO3) и метилнитрита (с той же брутто-формулой СН3ONO, но другой структурой). При замещении нитрогруппами других атомов водорода образуются динитрометан (СН2(NO2)2), тринитрометан (СН(NO2)3) и тетранитрометан (С(NO2)4). Все эти соединения также являются взрывчатыми веществами.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Бесцветная высокополярная жидкость(ε 35.87), имеющая запах горького миндаля; tкип=101,2 °C, tпл=-28,5 °C, плотность 1,138 г/см³ (20 °C); ограниченно растворим в воде — 10,5 г на 100 г воды, и растворяет 1,93 г воды в 100 г нитрометана, смешивается с обычными органическими растворителями; образует азеотропную смесь с водой (76,4 % нитрометана, tкип=83,6 °C) [2]. Не растворяется в предельных углеводородах. Максимальная температура горения 2177 °C в реакции взрывного горения: СН32→0,2СО2+0,8СО+0,8H2О+0,7H2+0,5N2[3]. Нитрометан горит желтым пламенем.

Исследования молекулы нитрометана показали, что в группе C-NO2 все атомы расположены в одной плоскости, при этом угол связи O-N-O составляет 127±3°, в то время как угол связи C-N-O — 116±3°. Различие в величине угла объясняется взаимным отталкиванием отрицательно заряженных атомов кислорода[4].

Химические свойства[править | править вики-текст]

Благодаря наличию нитрогруппы атомы водорода в нитрометане подвижны, могут отщепляться в растворе при действии оснований (pKa = 10,2).

CH3NO2 + NaOH → CH2=N(O)ONa + H2O

Нитрометан вступает во взаимодействие с кетонами, альдегидами в так называемой нитральдольной реакции или реакции Анри[5],

Схема ракции Анри

например с формальдегидом

СН3NO2 + CH2=О → HOCH2CH2NO2.

При использовании избытка формальдегида замещаются все три атома водорода и образуется три(гидроксиметилен)нитрометан

СН3NO2 + 3CH2=О → (CH2OH)3CNO2

который при восстановлении образует (CH2OH)3CNH2 — три(гидроксиметилен)метиламин («tris»), основной компонент трис-буфера.

Нитрометан также выступает как донор в реакции Михаэля, присоединясь к α,β-непредельным соединения по схеме 1,4-присоединения.

Взаимодействует с окисью этилена, и др. соединениями.

Получение[править | править вики-текст]

В химической промышленности нитрометан обычно получают деструктивным нитрованием низших алканов, например, пропана, 50-70 % азотной кислотой при 400—700 °C. В этом процессе также получается нитроэтан, 1-нитропропан, 2-нитропропан. Смесь разделяется фракционированием.

В лаборатории нитрометан может быть получен по следующей реакции (Г. Кольбе)

ClCH2COONa + NaNO2 + H2O → CH3NO2 (35-38%) + NaCl + NaHCO3

или реакцией бромметана с нитритом серебра

CH3Br + AgNO2 → CH3NO2 + AgBr↓

также реакцией диметилсульфата с нитритом натрия

(CH3)2SO4 + 2NaNO2 → 2 CH3NO2 + Na2SO4

Применение[править | править вики-текст]

  • Основное применение нитрометана — в качестве растворителя (например, эфироцеллюлозных лаков, виниловых полимеров, цианакрилатов, некоторых красок), для экстракции ароматических углеводородов, в производстве хлорпикрина, некоторых взрывчатых веществ.
  • В качестве реактивного топлива
  • Также используется как добавка к топливу для калильных двигателей внутреннего сгорания (например у радиоуправляемых моделей).
  • В качестве топлива для гоночных болидов — «nitro», «Top fuel» (драгстеров).

Горение нитрометана[править | править вики-текст]

Нитрометан может быть использован как монотопливо, то есть топливо, способное гореть без добавки кислорода. В числе продуктов сгорания могут быть угарный и углекислый газ, вода, молекулярный азот и оксиды азота. Уравнение этой реакции может быть представлено как:

4CH3NO2 → 4CO + 4H2O + 2H2 + 2N2

Скорость ламинарного горения паров нитрометана составляет 0,5 м/с (немного выше чем у бензина), что делает его перспективным топливом для высокоскоростных двигателей. Кроме того, температура пламени несколько выше — 2400 °C. Высокая удельная теплота парообразования (0,56 МДж/кг) вместе с высокой скоростью течения приводит к сильному охлаждению подходящего топлива (примерно вдвое больше, чем у метанола), в результате получаются довольно низкие температуры.

Благодаря наличию кислорода в нитрометане он может гореть с много меньшим количеством атмосферного воздуха по сравнению с углеводородными топливами (бензин, керосин):

4CH3NO2 + 3O2 → 4CO2 + 6H2O + 2N2

14,7 кг воздуха необходимо для сжигания килограмма бензина, но только 1,7 кг воздуха на один килограмм нитрометана. Так как цилиндр двигателя может содержать только ограниченное количество воздуха при каждом такте, в 8,7 раз больше нитрометана по сравнению с бензином может быть сожжено в один такт. Нитрометан,однако, имеет меньшую плотность энергии: бензин выделяет около 42–44 МДж/кг в то время как, нитрометан даёт 11,3 МДж/кг. Этот расчёт показывает, что нитрометан производит примерно в 2,3 раза больше мощности по сравнению с обычным топливом.

Нитрометан часто используют в богатых воздушно-топливных смесях, поскольку он даёт энергию даже при отсутствии атмосферного кислорода. При использовании богатой воздушно-топливной смеси, часть продуктов сгорания — водород и монооксид углерода. Эти газы часто воспламеняются, иногда впечатляюще, когда очень богатые смеси ещё горящего топлива покидают выхлопные трубы. Очень богатые смеси необходимы, чтобы снизить температуру камеры сгорания, для управления предварительным зажиганием и устранения возможной детонации.

Небольшое количество гидразина, смешанное с нитрометаном, может ещё больше увеличить выдаваемую мощность. Гидразин образует с нитрометаном взрывоопасную соль, тоже монотопливо. Из-за опасности взрыва эта смесь запрещена к применению как авиамодельное топливо.

В авиамоделизме и автомобильном калильном топливе основной ингредиент обычно метанол, с небольшой добавкой нитрометана (от 0% до 65%, но редко больше 30%, так как нитрометан дороже метанола) и 10–20% смазки (обычно касторовое масло и/или синтетическое масло). Даже умеренные количества нитрометана приводят к увеличении мощности, выдаваемой двигателем (поскольку обычно ограничивающий фактор — приток воздуха), упрощая настройку двигателя (оптимизацию соотношения воздух/топливо).

Взрывчатые свойства[править | править вики-текст]

Нитрометан как взрывоопасное вещество привлёк особое внимание в 1958 году, когда с разницей в полгода в США произошли взрывы цистерн с нитрометаном при транспортировке по железной дороге. До этого нитрометан считался горючей, но не взрывоопасной жидкостью[6][7].

Очистка[править | править вики-текст]

Нитрометан замораживают, образующиеся кристаллы промывают диэтиловым эфиром, затем перегоняют.

Токсичность[править | править вики-текст]

Нитрометан ядовит: при вдыхании паров или проглатывании поражает печень и почки, центральную нервную систему. Наркотик, обладающий также судорожным действием и последействием.

ЛД50=950 мг/кг для мышей.

ПДК 30 мг/м³

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Источник: CH3NO2 in Physical and Thermodynamic Properties of Pure Chemicals: Data Compilation, ed. T. E. Daubert, et al., Taylor & Francis, Washington, DC, 1997. В других справочниках приводятся другие значения для давления.
  2. [1] Азеотропные смеси с нитрометаном
  3. Корольченко, Пожаровзрывоопасность веществ, 2004, с. 199.
  4. Bollmeier A. F. Nitroparaffins // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — John Wiley & Sons, Inc., 2000. — DOI:10.1002/0471238961.1409201802151212.a02
  5. de:Henry-Reaktion
  6. 30 years ago. HCB Publishing Ltd. (2013). Проверено 19 ноября 2014.
  7. Interstate Commerce Commission: Ex Parte No 213. Accident Near Mt. Pulaski, ILL (1958). Проверено 19 ноября 2014.

Литература[править | править вики-текст]

  • Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х частях. Часть 2. — М.: Ассоциация «Пожнаука», 2004. — 774 с. — ISBN 5-901283-02-3.
  • Nitromethane (ANGUS Technical Bulletin). ANGUS Chemical Company. Проверено 27 ноября 2014.