Нитрометан

Нитрометан — это органическое соединение, простейший представитель класса нитроалканов, с химической формулой CH₃NO₂. Представляет собой бесцветную маслянистую жидкость с характерным запахом, ограниченно растворимую в воде. Нитрометан широко используется в качестве растворителя, компонента ракетного топлива и, наиболее известен, как высокоэнергетическая добавка к топливу для гоночных двигателей внутреннего сгорания.

История

Нитрометан был впервые синтезирован в 1872 году немецким химиком Адольфом Вильгельмом Германом Кольбе. Первоначально соединение не находило практического применения и изучалось в основном как лабораторный курьез. В начале XX века были разработаны промышленные методы получения нитрометана, в частности, нитрование метана в газовой фазе. В 1930-х годах нитрометан начали использовать как растворитель для нитроцеллюлозы и других полимеров. Во время Второй мировой войны в Германии и США проводились эксперименты по применению нитрометана в качестве компонента топлива для реактивных двигателей. Массовое применение в автоспорте началось в 1950-х годах, когда гонщики обнаружили, что добавление нитрометана в бензин резко увеличивает мощность двигателя.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Нитрометан — это жидкость с температурой кипения 101,2 °C и температурой плавления −28,5 °C. Его плотность при 20 °C составляет 1,138 г/см³, что выше плотности воды. Показатель преломления — 1,3819. Соединение обладает высокой диэлектрической проницаемостью (около 36), что делает его хорошим полярным растворителем. Нитрометан способен растворять многие органические вещества, включая полимеры, смолы и масла.

Химические свойства

Молекула нитрометана содержит нитрогруппу (-NO₂), связанную с метильным радикалом. Нитрогруппа является сильной электроноакцепторной группой, что делает атом водорода в метильной группе относительно подвижным. Нитрометан проявляет слабые кислотные свойства (pKa около 10,2) и способен образовывать соли при реакции с сильными основаниями. При нагревании или в присутствии катализаторов нитрометан может взрываться, особенно в конденсированной фазе. Он способен вступать в реакции конденсации с альдегидами и кетонами (реакция Анри), что используется в органическом синтезе.

Получение

Основным промышленным методом получения нитрометана является нитрование метана или пропана азотной кислотой в газовой фазе при температуре 350–450 °C и давлении до 10 атмосфер. Реакция протекает по радикальному механизму и приводит к смеси нитроалканов: нитрометан, нитроэтан, 1-нитропропан и 2-нитропропан. Эти соединения разделяют ректификацией. Другой метод — реакция хлоруксусной кислоты с нитритом натрия, однако он менее распространён из-за высокой стоимости реагентов. В лабораторных условиях нитрометан может быть получен взаимодействием метилиодида с нитритом серебра.

Применение

Растворитель

Нитрометан используется как растворитель для нитроцеллюлозы, полиакрилонитрила, поливинилхлорида, эпоксидных смол и других полимеров. Он также применяется в производстве клеев, лаков и красок, а также для экстракции ароматических углеводородов из нефтяных фракций.

Ракетное топливо

В ракетной технике нитрометан применяется как однокомпонентное топливо (монотопливо) для небольших двигателей и газогенераторов. При разложении нитрометана на катализаторе (например, оксиде алюминия) выделяется большое количество газов, что позволяет использовать его для создания тяги. Однако из-за высокой взрывоопасности и относительно низкого удельного импульса нитрометан уступает более современным монотопливам, таким как гидразин.

Топливо для автоспорта

Наиболее известное применение нитрометана — в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания в дрэг-рейсинге и других гоночных дисциплинах. Чистый нитрометан или его смеси с метанолом (например, топливо «топ-алкоголь») используются в двигателях, работающих по циклу Отто. Нитрометан содержит собственный кислород (около 52% по массе), что позволяет сжигать в цилиндре значительно больше топлива, чем при использовании только атмосферного воздуха. Это приводит к резкому увеличению мощности: двигатели на нитрометане могут развивать мощность более 10 000 лошадиных сил при рабочем объёме 8–10 литров. Однако такие двигатели требуют специальной конструкции: усиленные поршни, шатуны и коленчатый вал, а также систему охлаждения, способную отводить огромное количество тепла. Расход топлива при этом колоссален — до 10–15 литров на один заезд (около 400 метров).

Химическая промышленность

Нитрометан используется как сырьё для синтеза других химических соединений. Он является исходным веществом для получения нитроэтана, нитропропана, а также в реакциях конденсации для синтеза фармацевтических препаратов, пестицидов и взрывчатых веществ. Например, из нитрометана получают тринитрометан (нитроформ) и тетрил.

Безопасность

Нитрометан является токсичным и взрывоопасным веществом. Он относится к 3-му классу опасности (умеренно опасные вещества) по ГОСТ 12.1.007-76. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны составляет 30 мг/м³. При вдыхании паров нитрометана возникает раздражение слизистых оболочек, головная боль, тошнота, при длительном воздействии — поражение печени и почек. Нитрометан легко воспламеняется, его пары образуют взрывоопасные смеси с воздухом в диапазоне концентраций от 7,3% до 63% по объёму. При нагревании выше 300 °C или в присутствии катализаторов (например, оксидов металлов) нитрометан может детонировать. Хранение и транспортировка нитрометана требуют соблюдения строгих мер предосторожности: использование заземлённой тары, исключение источников искрения, контроль температуры.

Интересные факты

• Нитрометан является одним из немногих органических соединений, которые могут самостоятельно поддерживать горение без доступа воздуха, так как содержит собственный кислород.
• В дрэг-рейсинге двигатели на нитрометане работают в режиме «детонации», что разрушает поршни и свечи зажигания за несколько секунд — двигатели перебирают после каждого заезда.
• В 1950-х годах нитрометан использовался в качестве топлива для моделей ракет, но из-за высокой опасности был заменён на более безопасные составы.
• В чистом виде нитрометан имеет низкую детонационную стойкость (октановое число около 50), однако при смешивании с метанолом и другими добавками его свойства улучшаются.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 234–235.
• Кнунянц И. Л. и др. Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1965. — Т. 3. — С. 112–113.
• Нитрометан // Справочник химика. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — С. 456–457.
• ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
• Патент US 2,535,704 (1950). «Method for the production of nitromethane».
• Официальные правила Национальной ассоциации хот-родов (NHRA) по топливу для дрэг-рейсинга.