Distickstofftetroxid - Dinitrogen tetroxide

Distickstofftetroxid
Vollständige Strukturformel
Raumfüllendes Modell
Stickstoffdioxid bei verschiedenen Temperaturen
Stickstoffdioxid bei −196 °C, 0 °C, 23 °C, 35 °C und 50 °C. ( NEIN
2
) wandelt sich in das farblose Distickstofftetroxid ( N
2
Ö
4
) bei niedrigen Temperaturen und wird zu NO
2
bei höheren Temperaturen.
Namen
IUPAC-Name
Distickstofftetraoxid
Bezeichner
3D-Modell ( JSmol )
ChEBI
ChemSpider
ECHA-InfoCard 100.031.012 Bearbeite dies bei Wikidata
EG-Nummer
RTECS-Nummer
UNII
UN-Nummer 1067
  • InChI=1S/N2O4/c3-1(4)2(5)6 prüfenJa
    Schlüssel: WFPZPJSADLPSON-UHFFFAOYSA-N prüfenJa
  • InChI=1/N2O4/c3-1(4)2(5)6
    Schlüssel: WFPZPJSADLPSON-UHFFFAOYAS
  • [O-][N+](=O)[N+]([O-])=O
Eigenschaften
N 2 O 4
Molmasse 92,011  g/mol
Das Auftreten Farblose Flüssigkeit, oranges Gas
Dichte 1.44246  g/cm 3 (flüssig, 21 °C)
Schmelzpunkt −11,2 °C (11,8 °F; 261,9 K) und zersetzt sich zu NO 2
Siedepunkt 21,69 °C (71,04 °F; 294,84 K)
Reagiert zu salpetriger und Salpetersäure
Dampfdruck 96  kPa (20  °C)
−23,0·10 −6  cm 3 /mol
1.00112
Struktur
Planar, D 2h
klein, nicht null
Thermochemie
304,29  J/K⋅mol
Std
Bildungsenthalpie
f H 298 )
+9,16  kJ/mol
Gefahren
Sicherheitsdatenblatt Externes Sicherheitsdatenblatt
Sehr giftig T+ CÄtzend
R-Sätze (veraltet) R26 , R34
S-Sätze (veraltet) (S1/2) , S9 , S26 , S28 , S36/37/39 , S45
NFPA 704 (Feuerdiamant)
Flammpunkt Nicht brennbar
Verwandte Verbindungen
Verwandte Stickstoffoxide
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Infobox-Referenzen

Distickstofftetroxid , allgemein als Stickstofftetroxid (NTO) und gelegentlich (normalerweise unter ehemaligen Raketeningenieuren der UdSSR/Russland) als Amyl bezeichnet , ist die chemische Verbindung N 2 O 4 . Es ist ein nützliches Reagens in der chemischen Synthese. Es bildet mit Stickstoffdioxid ein Gleichgewichtsgemisch . Seine Molmasse beträgt 92,011 g/mol.

Distickstofftetroxid ist ein starkes Oxidationsmittel , das bei Kontakt mit verschiedenen Formen von Hydrazin hypergolisch ist (spontan reagiert) , was das Paar zu einem gemeinsamen Doppeltreibstoff für Raketen gemacht hat.

Struktur und Eigenschaften

Distickstofftetroxid könnte als zwei aneinander gebundene Nitrogruppen (-NO 2 ) angesehen werden. Es bildet mit Stickstoffdioxid ein Gleichgewichtsgemisch . Das Molekül ist planar mit einem NN-Bindungsabstand von 1.78 und einem NO-Abstand von 1.19 . Der NN-Abstand entspricht einer schwachen Bindung, da er deutlich länger ist als die durchschnittliche NN-Einfachbindungslänge von 1.45 Å. Diese außergewöhnlich schwache σ-Bindung (was eine Überlappung der sp 2 Hybridorbitale der beiden NO 2 -Einheiten bedeutet) resultiert aus der gleichzeitigen Delokalisierung des bindenden Elektronenpaars über das gesamte N 2 O 4 -Molekül und der erheblichen elektrostatischen Abstoßung der doppelt besetzten Molekülorbitale jeder NO 2 -Einheit.    

Im Gegensatz zu NO 2 , N 2 O 4 ist diamagnetisch da es keine ungepaarten Elektronen aufweist. Die Flüssigkeit ist ebenfalls farblos, kann aber durch die Anwesenheit von NO 2 nach folgendem Gleichgewicht als bräunlich-gelbe Flüssigkeit erscheinen :

N 2 O 4 ⇌ 2 NEIN 2

Höhere Temperaturen verschieben das Gleichgewicht in Richtung Stickstoffdioxid. Etwas Distickstofftetroxid ist zwangsläufig Bestandteil von stickstoffdioxidhaltigem Smog .

Produktion

Stickstofftetroxid wird durch die katalytische Oxidation von Ammoniak hergestellt : Dampf wird als Verdünnungsmittel verwendet , um die Verbrennungstemperatur zu senken. Im ersten Schritt wird das Ammoniak zu Stickoxid oxidiert :

4 NH 3 + 5 O 2 → 4 NO + 6 H 2 O

Das meiste Wasser wird auskondensiert und die Gase werden weiter abgekühlt; das entstandene Stickoxid wird zu Stickstoffdioxid oxidiert, das dann zu Stickstofftetroxid dimerisiert wird:

2 NEIN + O 2 → 2 NEIN 2
2 NO 2 ⇌ N 2 O 4

und der Rest des Wassers wird als Salpetersäure entfernt . Das Gas ist im Wesentlichen reines Stickstoffdioxid, das in einem solegekühlten Verflüssiger zu Distickstofftetroxid kondensiert wird.

Distickstofftetroxid kann auch durch die Reaktion von konzentrierter Salpetersäure und metallischem Kupfer hergestellt werden. Diese Synthese ist in einer Laborumgebung praktischer und wird häufig als Demonstration oder Experiment in Chemielabors verwendet. Die Oxidation von Kupfer durch Salpetersäure ist eine komplexe Reaktion, die verschiedene Stickoxide unterschiedlicher Stabilität bildet, die von der Konzentration der Salpetersäure, dem Vorhandensein von Sauerstoff und anderen Faktoren abhängt. Die instabilen Spezies reagieren weiter, um Stickstoffdioxid zu bilden, das dann gereinigt und kondensiert wird, um Distickstofftetroxid zu bilden.

Verwendung als Raketentreibstoff

Stickstofftetroxid wird als Oxidationsmittel in einem der wichtigsten Raketentreibstoffe verwendet, da es bei Raumtemperatur flüssig gelagert werden kann. Anfang 1944 wurde die Verwendbarkeit von Distickstofftetroxid als Oxidationsmittel für Raketentreibstoff von deutschen Wissenschaftlern erforscht, obwohl die Deutschen es nur in sehr geringem Umfang als Additiv für S-Stoff (rauchende Salpetersäure) verwendeten. Es wurde in den späten 1950er Jahren das lagerfähige Oxidationsmittel der Wahl für viele Raketen sowohl in den Vereinigten Staaten als auch in der UdSSR . Es ist ein hypergolischer Treibstoff in Kombination mit einem auf Hydrazin basierenden Raketentreibstoff . Eine der frühesten Anwendungen dieser Kombination war die Titan-Raketenfamilie, die ursprünglich als Interkontinentalraketen und dann als Trägerraketen für viele Raumfahrzeuge verwendet wurde. Es wird auf den US-Raumschiffen Gemini und Apollo sowie auf dem Space Shuttle verwendet und wird weiterhin als stationäres Treibmittel auf den meisten geostationären Satelliten und vielen Weltraumsonden verwendet. Es ist auch das primäre Oxidationsmittel für die russische Proton-Rakete .

Bei der Verwendung als Treibmittel wird Distickstofftetroxid gewöhnlich einfach als Stickstofftetroxid bezeichnet und die Abkürzung NTO wird häufig verwendet. Darüber hinaus wird NTO oft mit einem kleinen Prozentsatz an Stickoxid verwendet , das die Spannungsrisskorrosion von Titanlegierungen hemmt, und in dieser Form wird NTO in Treibgasqualität als Mischoxide von Stickstoff ( MON ) bezeichnet. Die meisten Raumfahrzeuge verwenden jetzt MON anstelle von NTO; zum Beispiel verwendete das Reaktionskontrollsystem des Space Shuttle MON3 (NTO mit 3 Gew.-% NO).

Das Missgeschick zwischen Apollo und Sojus

Am 24. Juli 1975 wurden drei US- Astronauten beim letzten Abstieg zur Erde nach dem Flug des Apollo-Sojus-Testprojekts von einer NTO-Vergiftung betroffen . Dies war auf einen versehentlich in der falschen Position gelassenen Schalter zurückzuführen, der es den Triebwerken zur Lageregelung ermöglichte, nach dem Öffnen des Frischlufteinlasses der Kabine zu zünden, wodurch NTO-Dämpfe in die Kabine gelangen konnten. Ein Besatzungsmitglied verlor beim Abstieg das Bewusstsein. Nach der Landung wurde die Besatzung wegen einer durch Chemikalien verursachten Lungenentzündung und Ödeme für fünf Tage ins Krankenhaus eingeliefert .

Stromerzeugung mit N 2 O 4

Die Tendenz von N 2 O 4 , reversibel in NO 2 aufzubrechen, hat zur Erforschung seiner Verwendung in fortschrittlichen Energieerzeugungssystemen als sogenanntes Dissoziationsgas geführt. "Kühles" Distickstofftetroxid wird komprimiert und erhitzt, wodurch es zu Stickstoffdioxid mit der Hälfte des Molekulargewichts dissoziiert . Dieses heiße Stickstoffdioxid wird durch eine Turbine entspannt, die es kühlt und den Druck senkt, und dann in einer Wärmesenke weiter abgekühlt, wodurch es zu Stickstofftetroxid mit dem ursprünglichen Molekulargewicht rekombiniert wird. Es ist dann viel einfacher zu komprimieren, um den gesamten Zyklus erneut zu starten. Solche dissoziativen Gas- Brayton-Zyklen haben das Potenzial, die Effizienz von Energieumwandlungsanlagen beträchtlich zu steigern.

Chemische Reaktionen

Zwischenprodukt bei der Herstellung von Salpetersäure

Salpetersäure wird großtechnisch über N 2 O 4 hergestellt . Diese Spezies reagiert mit Wasser, um sowohl salpetrige Säure als auch Salpetersäure zu ergeben :

N 2 O 4 + H 2 O → HNO 2 + HNO 3

Das Nebenprodukt HNO 2 disproportioniert beim Erhitzen zu NO und mehr Salpetersäure. Bei Einwirkung von Sauerstoff wird NO wieder in Stickstoffdioxid umgewandelt:

2 NEIN + O 2 → 2 NEIN 2

Das entstehende NO 2 und N 2 O 4 können in den Kreislauf zurückgeführt werden, um wieder das Gemisch aus Salpetersäure und Salpetersäure zu ergeben.

Synthese von Metallnitraten

N 2 O 4 verhält sich wie das Salz [NO + ] [NO 3 ], wobei ersteres ein starkes Oxidationsmittel ist:

2 N 2 O 4 + M → 2 NEIN + M(NEIN 3 ) 2

wobei M = Cu , Zn oder Sn .

Wenn Metallnitrate aus N 2 O 4 unter vollständig wasserfreien Bedingungen hergestellt werden, kann mit vielen Übergangsmetallen eine Reihe kovalenter Metallnitrate gebildet werden. Dies liegt daran, dass es eine thermodynamische Präferenz für das Nitration gibt, kovalent mit solchen Metallen zu binden, anstatt eine ionische Struktur zu bilden. Solche Verbindungen müssen unter wasserfreien Bedingungen hergestellt werden, da das Nitration ein viel schwächerer Ligand ist als Wasser, und wenn Wasser vorhanden ist, bildet sich das einfache hydratisierte Nitrat. Die betreffenden wasserfreien Nitrate sind selbst kovalent, und viele, zB wasserfreies Kupfernitrat , sind bei Raumtemperatur flüchtig. Wasserfreies Titannitrat sublimiert im Vakuum bei nur 40 °C. Viele der wasserfreien Übergangsmetallnitrate haben auffällige Farben. Dieser Zweig der Chemie wurde in den 1960er und 1970er Jahren von Cliff Addison und Norman Logan an der University of Nottingham in Großbritannien entwickelt, als hocheffiziente Trockenmittel und Trockenboxen auf den Markt kamen.

Verweise

Externe Links