Тетраоксид диазота
| Тетраоксид диазота | |
|---|---|
 | |
 | |
| Общие | |
| Систематическое наименование |
Тетраоксид диазота |
| Сокращения | АТ |
| Традиционные названия | азотный тетраоксид |
| Хим. формула | N2O4 |
| Физические свойства | |
| Состояние | газ (бесцветный) или жидкость |
| Молярная масса | 92,011 г/моль |
| Плотность |
1,443 г/см3 (при 21°C) 1,491 г/см3 (при 0°C)[1] |
| Термические свойства | |
| Температура | |
| • плавления | −11,2 °C |
| • кипения | +21,1 °C |
| • разложения | +140 °C |
| • вспышки | не горюч °C |
| Энтальпия | |
| • образования | 9,16 кДж/моль |
| Давление пара | 96 кПа (+20 °C) |
| Химические свойства | |
| Растворимость | |
| • в воде | реагирует с водой |
| Оптические свойства | |
| Показатель преломления | 1,0012 |
| Структура | |
| Дипольный момент | 0 Д |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 10544-72-6 |
| Рег. номер EINECS | 234-126-4 |
| SMILES | |
| RTECS | QW9800000 |
| Номер ООН | 1067 |
| Безопасность | |
| Предельная концентрация | 2 мг/м³ |
| Токсичность | очень токсичен, сильный окислитель |
| Пиктограммы СГС |
    |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
Тетраоксид диазота (азотный тетраоксид, АТ, «амил»[2]) — вещество с формулой N2O4, преобладающее в жидкости, полученной охлаждением диоксида азота ниже точки кипения. Это теоретически бесцветная, но на практике окрашенная в жёлто-коричневый цвет (обусловленный примесью мономерного диоксида азота) летучая ядовитая жидкость с едким запахом. Температура кипения при атмосферном давлении +21,15 °C, кристаллизации — −11 °C. В кристаллическом виде при температурах ниже −12 °C бесцветен.
Свойства[3]
В жидкой и газообразной фазах тетраоксид азота находится в равновесии с диоксидом азота:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{N_2O_4 \rightleftarrows 2NO_2 + \Delta H} }[/math]
при нагревании полностью диссоциирует до диоксида азота. Состав смеси зависит от температуры и давления. С увеличением температуры равновесие смещается в сторону диоксида азота, при этом сжиженный N2O4 окрашивается в бурый цвет, обусловленный окраской NO2. Практически полностью диссоциирует при 140 °C. При увеличении давления при постоянной температуре степень диссоциации N2O4 уменьшается.
Так, равновесная концентрация NO2 при температуре кристаллизации (−11.2 °C) в жидкой фазе составляет 0,01 %, при температуре кипения (21,15 °C) в жидкой фазе — 0,1 %, в парах — 15,9 %, при 135 °C — 99 %.
Чистый кристаллический N2O4 бесцветен, при загрязнении следами влаги окрашен в бледно-зелёный цвет, существует две аллотропных модификации — нестабильная моноклинная и стабильная кубическая.
Реагирует с водой с образованием смеси азотной и азотистой кислот:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{N_2O_4 + H_2O \rightarrow HNO_2 + HNO_3} }[/math]
Сильный окислитель, крайне токсичен и коррозивен. Смеси с органическими веществами взрывоопасны.
Получение
- [math]\displaystyle{ \mathsf{2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2\uparrow} }[/math]
Образовавшийся NO2 при t = −8 °C переходит в жидкое состояние с образованием N2O4.
Применение
Окислитель
В. П. Глушко в 1930 году предложил использовать N2O4 в качестве окислителя ракетного топлива.
С тех пор N2O4 широко применяется в ракетной технике в качестве высококипящего (некриогенного) окислителя ракетного горючего. По степени использования стоит на втором месте после жидкого кислорода.
В ракетных двигателях используется в паре с горючим на основе производных гидразина (метилгидразином, несимметричным диметилгидразином), в Вооружённых силах РФ именуется «амил».
На начальном этапе использовался в виде раствора в азотной кислоте из-за высокой температуры перехода в твёрдое состояние. В частности, он использовался на советских и российских РН «Космос», «Протон»; советских «Циклон» (в виде АК-27И); американских — семейства «Титан»; французских — семейства «Ариан»; в двигательных установках пилотируемых кораблей, спутников, орбитальных и межпланетных станций.
Тетраоксид азота в паре с алкилгидразинами образует самовоспламеняющуюся топливную пару с периодом задержки воспламенения около 0,003 с.
Теплоноситель
Смесь 90 % N2O4 и 10 % моноокиси азота NO получила название нитрин и использовалась как теплоноситель при проектировании передвижной АЭС «Памир-630Д».
Генеральный конструктор «Памира» В. Б. Нестеренко предложил использовать не традиционные воду или расплавленный натрий, а N2O4 одновременно в качестве теплоносителя и рабочего тела. Это позволило реализовать замкнутый газожидкостный цикл, что давало реактору преимущества в эффективности и компактности.
N2O4 был предложен, так как у него высокая теплопроводность и теплоемкость, и низкая температура испарения.
При повышении температуры жидкий N2O4 переходит в газ и молекула N2O4 распадается сначала на две молекулы NO2:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{N_2O_4 \rightleftarrows 2NO_2 + \Delta H} }[/math]
Затем, при дальнейшем повышении температуры, происходит распад NO2 на NO и O2:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{2NO_2 \rightleftarrows 2NO + O_2} }[/math]
Объем газа или его давление резко возрастают.
При охлаждении происходит обратный процесс.
Хранение
N2O4 хранят в резервуарах из легированной стали или алюминия объёмом до 100 м³. Резервуары оборудуют сливно-наливными трубами, предохранительными клапанами, манометрами и уровнемерами. Поскольку интервал жидкого состояния при атмосферном давлении очень узок (262…294,3 К), резервуары размещают в заглублённых помещениях, где поддерживается температура 268…288 К.
В резервуарах поддерживается избыточное давление в 0,15—0,22 МПа для исключения попадания в окислитель из атмосферы влаги и загрязняющих веществ и для сокращения времени насыщения газами при заправке ампулизированных ракет. Заправленные ракеты также находятся под некоторым избыточным давлением, что исключает кавитацию в турбо-насосном агрегате (ТНА) при работе двигательной установки.
Транспортирование N2O4
Тетраоксид азота транспортируют в специальных цистернах, имеющих изоляцию и систему трубопроводов, в которую в зависимости от температуры окружающего воздуха подают либо тёплую воду, либо охлаждающий раствор.
Транспортируется тетраоксид азота под избыточным давлением 0,1…0,15 МПа. Железнодорожные ЖАЦ-44, ЖКЦ-39 и автомобильные цистерны оборудуют сливно-наливными трубами, предохранительными клапанами, манометрами и уровнемерами. Железнодорожные цистерны имеют вместимость около 40 м³, автоцистерны — 30…60 м³. ОАО РЖД перевозит его в цистернах ЖАЦ-44.
См. также
Ссылки
- NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards: Азотный тетраоксид
Примечания
- ↑ Чистые химические вещества/Оксиды азота(IV). Дата обращения: 10 июня 2022. Архивировано 11 сентября 2019 года.
- ↑ В действительности, амил — это алкильный радикал C5H11. Название «амил» применительно к АТ — кодовое имя у военных ракетчиков.
- ↑ K. Jones. The Chemistry of Nitrogen Архивная копия от 12 марта 2018 на Wayback Machine: Pergamon Texts in Inorganic Chemistry.
