Сарнер С. - Химия ракетных топлив (1049261), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Его легко получить электролизом воды. В промышленном масштабе водород получают восстановлением водяного пара раскаленным докрасна коксом. В результате этой реакции образуется водяной газ (8.98) Н,О+ С Н,+ СО, который затем смешивают с дополнительным количеством водяного пара и пропускают над катализатором в процессе Воша.
При взаимодействии водяного пара с окисью углерода образуются водород и двуокись углерода; Н,О+ СО Н»+ СО,. (8.99) СО» легко удаляется при промывке водой. Сжижение водорода обычно осуществляют по методу, основанному на эффекте Джоуля — Томпсона. Для этого сильно сжатый водород охлаждается жидким воздухом или жидким азотом, а затем расширяется при пропускании через отверстие. Как и все гомонуклеарные двухатомные молекулы, в которых ядра имеют спины, водород существует в двух модификациях— орто- и пара-.
Орто-модификация имеет одинаково направленные, а пара-модификация — противоположно направленные спины. Для водорода важен эффект перехода из одной модификации в другую, так как его момент инерции (отнесенный к ИТ) невелик; заселены только низшие вращательные состояния. Поэтому разность энергий двух модификаций водорода значительна. При низких температурах преобладает пара-водород, причем при очень низких температурах все молекулы будут находиться в виде пара-модификации. При комнатной и более высокой температуре «нормальное» содержание орто- и лара- водорода равно 75 и 25«7« соответственно.
В табл. 8.11 приведены свойства этой «нормальной» смеси. Ьольшинство данных табл. 8.11 заимствовано из работы [248]. Эти авторы собрали и проанализировали данные предыдущих работ, использовав при этом результаты своих работ. Они выполнили обширный обзор данных для «нормального» водорода, орто- и лара-водорода, а также для соответствующих модификаций дейтерия.
Водород нетокснчен, но чрезвычайно огнеопасен и с воздухом образует взрывчатые смеси (при его содержании более 4% по объему). Температуры самовоспламенения этих смесей лежат выше 500'. Жидкий водород вызывает сильные ожоги вследствие замораживания тканей [185[. З. РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ 217 Таблица 8.11 Свойства водорода Давление пара жидкости, мм рт. ст. 131 240 0,07097 24,747 — 0,08005Т + + 0,012716Тз 3,31 4,50 Водород не вызывает коррозии, но приводит к разрушению многих материалов вследствие их хрупкости при низких температурах. Резервуары для хранения рекомендуется изготовлять из малоуглеродистых сталей с высоким содержанием никеля, никеля, монель-металла, инконеля и некоторых нержавеющих сталей. В качестве изоляционных материалов для резервуаров лучше всего применять пенопласты ').
8.8. ГИДРИДЫ АЗОТА Рассмотренные гидриды металлов и металлалкилы, а также металлы и водород целиком состоят из элементов или соответственно представляют собой элементы, которые по своей природе являются восстановителями. Гидриды азота образуют группу горючих, в состав которых входят восстанавливающий элемент (водород) и инертный носитель (азот). Производные О Жидкий водород относится к наиболее высокоэффективным горючим. Он применяется в паре с жидким кислородом. Исследуется возможность его использования с жидким фтором. Это наиболее эффективное рабочее тело для ядерных ракетных двигателей Низкая температура кипения водорода осложняет его использование — Прим ред. Молекулярный вес Температура затвердевання, 'С Температура кипения, 'С Критическая температура, 'С Критическое давление,атм Критическая плотность, г)см' Тройная точка, 'С Давление в тройной точке, мм рг.
ст. Теплота образования, ккал,'моль газ (25') жидкость (т. кип ) Теплота плавления (т. затв.), ккал(люль Теплота испарения (т. кнп.), икал)моль Коэффициент вязкости жидкости, 1О-з слз при т кип. при т. затв. Плотность (т. кип.), г(см' Малярный объем, смзглоль Теплоемкость жидкости, калгмоль град при т. затв. при — 253,2' 2,016 †2,21 †2,76 †2,97 12,81 0,0310 †2,20 54,0 0 — 1,885 0,028 0,216 44,9569 !8р= 4 66687 Т + + 0,020537Т 218 8. РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ этих гидридов могут содержать также некоторое количество углерода. Характеристики любого из этих горючих зависят от двух факторов. Горючие с наибольшим относительным содержанием водорода обычно наиболее эффективны.
Однако этот эффект ослабляется за счет образования эндотермических связей 5! — 5), приводящих к соединениям с положительными теплотами образования; при этом высвобождается большая теплота сгорания. Присутствие углерода может несколько ухудшить характеристики топлив, но в ряде случаев это необходимо для обеспечения требуемых физических свойств. Соединения 5) — Н широко применяют в качестве жидких ракетных горючих.
Главным образом применяются аммиак, гидразин, монометилгидразин, несимметричный диметилгидразин и смеси этих соединений; другие соединения имеют ограниченное применение или находятся в стадии исследования. Аммиак — наиболее распространенный и изученный нз гидридов азота. Его получают в основном по методу Габера или вариантам этого метода. Для этого азот и водород вводят в каталитическую реакцию при температуре 400 †7' и давлении 100 †10 агм. Аммиак широко используют как раствори- тель. Химия кислот и оснований развита на основе систем растворителей или протонной системе, включающей реакцию диссоциации 5!Н,=» Н++ 5!Н;, (8.100) где группа 5!Н, аналогична гидроксильной группе воды.
Благодаря очень хорошей растворяющей способности (аммиак стоит на втором месте после воды) аммиак находит широкое применение в неорганических синтезах. Подробное изложение этого раздела химии выполнено Одритом и Клейнбергом [21]. Аммиак при комнатной температуре и атмосферном давлении представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Он легко сжижается, так как имеет высокую критическую температуру, и его можно хранить в виде жидкости в обычном интервале температур хранения жидких ракетных топлив.
Из всех обычных гидридов азота аммиак имеет самую низкую температуру кипения. Данные о давлении пара заимствованы из работы [!О], в которой пересмотрены данные работ [58] и [!84], а также данные Бюро стандартов США [168]. Значения плотности и удельные теплоемкости взяты из данных Бюро стандартов США [57, 168]. Приводится среднее значение коэффициента теплопроводности для интервала температур от — 15 до 30', равное 0,0012 кал/см сек град.
Значения коэффициента вязкости взяты из работы Пиневича [187]. Эти данные приведены в табл. 8.12 и 8.!3. 219 В. РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ Таблица В./2 Свойства горючих на основе обычных гидрндон азота Смесь гидразина и несимметричного лнметиагидразииа (50% г 50)4 по весу) Несимметричный лиметнлгилразин (СНя),НХН, Моно- метнлгндразин СН,НННН, Гилразин Н,Н, Аммиак НН, Свойства 45,584') — 7,3 ,032 7,76 70,1 334 12 115,4 603 73:.3 ' О, 899 +12,85!).
352 10,78!) ') В расчете на типичмый состав смесезого горючего: 5),06 гидразина, 45,5гй несимметричного диметилгидразина н О,зцг воды. ') При 25' и! агм. Таблица 8./3 Свойства жидкого аммиака Температу а, ~ Плотность Козффиниент вязкости, слз Удельная теплоемкость, кал)г град Лаеление пара, ага Р 'С ' г)см 0,266 0,209 О,!87 0,169 0,155 0,141 0,135 0,129 0,117 Молекулярн Температура вания, 'С Температура Критическая ра, 'С Критическое агм плотность з) Теплота обр !ж) ккал/ Теплота пл ккал/моль Теплота исп ккал/моль — 77,76 — 70 — 60 — 50 — 40 — 33, 42 — 20 — 10 0 10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 0,734 0,725 0,714 0,702 0,690 0,682 0,665 0,650 0,638 0,625 0,610 0,603 0,595 0,580 0,563 0,545 0,526 0,506 0,483 0,457 1, 042 1,048 1,055 1,062 1,065 1,078 1,087 1,098 1,112 1,127 1,135 1,143 1,161 1,178 1,213 1,246 1,292 1,356 1,442 0,11 0,22 0,42 0,73 1,03 1'04 2,97 4,38 6,27 8,74 10,23 11,90 15,85 20,73 26,7 33,7 42,9 53,4 64,7 8.
РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ Гидразин получают путем синтеза Рашига. Первая стадия этого процесса состоит в быстрой реакции аммиака и гипохлорита натрия, ведущей к образованию хлорамина: 5)аО 1+ К)Н,--МН,С!+ И|ОН. (8З01) Затем происходит медленная реакция избытка аммиака и хлор- амина с образованием гидразина 5!Нз+ ЯНРС!+ 14АОН 74зН ~+ 1ч П-1+ Н~О (8 !02) С реакцией (8.102) конкурирует более быстрая реакция 2ХНзС! + ХРН„25! Н,С!+ М„ (8.103) из-за которой может заметно уменьшиться выход гидразина. Но эту реакцию можно эффективно замедлить добавлением веществ белкового характера, например клея, желатины или альбумина. Подробно синтез Рашига описан в работах [22, 225, 224). Гидразии бесцветен и существует в жидком состоянии при тех же температурах, как и вода. Температура плавления гидразина согласно различным литературным источникам равна 1 — 2'! вероятно, наиболее надежно значение 1,53' [208].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
