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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 05:57
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常温推进剂——四氧化二氮的制备和测试

楼层直达
老规矩,我老婆铃仙镇楼

图片:49980765_p0.jpg

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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 05:58
沙发F
由于前段时间因为一些原因,这篇帖子在另外一个论坛上发表了,现将帖子搬回来,希望对坛友有用。其中,我的数据是根据实际情况来写的,若跟各位或者文献有出入,请多多指教!

四氧化二氮,作为传统的、过去爱好者讨论的一种“可使用”的常温氧化剂,其跟肼搭配的优异的性能让很多爱好者羡慕不已。但是很多人却举步维艰,却没有选择她作为主要氧化剂,原因主要有一下:
1.毒性
首先,四氧化二氮的毒性主要是腐蚀性和强氧化性。其主要致伤机理在于会跟皮肤,粘膜或者空气中的水分结合成硝酸。之后的致伤机理与发烟硝酸大同小异。
2.制备困难
四氧化二氮的制备,目前大部分爱好者是通过普通的浓硝酸和金属铜反应,产生的二氧化氮气体降温后制成;但是这样有个弊端就是:1.需要用到一些比较贵的金属,回收效率不是很高 2.反应过程中硝酸的浓度会降低,导致后来会产生一氧化氮,制得的四氧化二氮不纯,呈绿色
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:04
板凳F
在这里,为了制取较为纯净的四氧化二氮,做燃料分析使用。我选择了无水硝酸作为原料,之所以用无水硝酸做原料,是因为根于一下方程式:
4HNO₃=4NO₂↑+O₂↑+2H₂O
可以看出无水硝酸分解时,会释放出二氧化氮,氧气和水,比起使用反应法制备的四氧化二氮,这个方法没有时间限制,没有溶液的浓度限制,可以这样说,只要分解液里面有硝酸,加热就可以使其分解成二氧化氮,水和氧气。没有多余的废弃物。
实验装置设计图如下:

图片:QQ截图20181129010251.png





其中,在19#转24#转接管(干燥管)中填充钢丝球和无水氯化钙,其中钢丝球用来支撑干燥剂,无水氯化钙作为该装置中的吸水剂,用来处理掉二氧化氮的水;300mm球形冷凝管用于回流没有分解的硝酸,气液分离的作用;以及预冷二氧化氮;600mm蛇形冷凝管是主冷却管,二氧化氮将从这里被二次预冷,部分可转为四氧化二氮;接收端用冰水混合物浸泡,用于储存和液化最后的二氧化氮。由于经济原因,没有购买吸收塔,所以尾气是排空处理(请勿学习!)但是实际情况来说没有尾气吸收装置很蛋疼,导致一名实验人员在没有开启通风扇的情况下有中毒迹象。
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:10
地板F
由于毕业了,再加上去年年会实验室设备损坏,被碾出实验室,现在所有仪器都搬到了乡下亲戚家里去。没有实验台所以说绝大多数设备都是放在地上进行的:
第一次试验

图片:QQ截图20181129010113.png





图片:QQ截图20181129010138.png


图片:QQ截图20181129010156.png



实验结果:失败
原因是冷却温度降不下去,冰水混合物温度不够低,所以说没有产物生成;其次加热不均匀(忘记加油浴)导致硝酸没有完全分解,只好倒掉这些废酸。
改进措施:
1.加油浴
2.用更多的冰水混合物,球冷温度控制在室温左右,考虑使用固态二氧化碳降温
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:11
4楼F
第二次试验:

主要条件跟第一次相同,只不过加上了油浴,以及准备了足够的冰水混合物

结果:失败

原因:

1.蛇冷不适合斜着用,不方便将水蒸气排除,且阻塞了后面的产物的前进,所以说产率十分感人。。得到的产物是红烟硝酸

2.发现一个问题:达不到预定温度,也就是硝酸蒸汽到120摄氏度左右。但是,却发现硝酸在50摄氏度以上,85摄氏度以下的时候,产生红烟最剧烈,而且这时候的蛇形管中的积液最多;但是温度在85摄氏度以上,硝酸就会剧烈汽化,以至于硝酸能煮成蒸馏水一样的透明;球冷失去气液分离的作用,原因主要是19#口太小还有温度不够低,极其硝酸汽化过于剧烈导致液体无法下降,在球冷里面翻滚导致产物里面含有大量硝酸。

第二次试验没有照相,设备也就是跟第一次相比,多了一盆菜籽油。

改进措施:

1.考虑使用可以使硝酸分解的催化剂

2.保持分解段在65摄氏度左右

3.使用固态二氧化碳和冰水混合物制冷,承接段使用固态二氧化碳——乙醇混合物冷却

4.换直流冷凝管,保持长度不变的情况
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:18
5楼F
为何我会考虑到使用催化剂?是因为之前的一次事故——三年前在研究德国二战液体燃料配方:6%氯化铁和94%发烟硝酸 的时候。提前将这两种物质混合在一起,倒入了一个25ml的细口棕瓶里面,准备拿下楼做燃料分析用。(猎鹰当时也在楼下,只不过他在弄固液的阀门)结果刚拿着走了一半的路,瓶塞突然飞出去,硝酸喷到了手上(没戴防化手套),我忍着剧烈的烧灼感将瓶子放好,冲上楼去,刚好门口有一瓶猎鹰还是谁喝了一半的雪碧,直接抓起来冲洗。。。。。
后来实验中发现,氯化铁跟发烟硝酸混合在一起,硝酸会在常温下产生大量的气体,其中不乏有二氧化氮和氧气,也正是如此气体顶开了塞子将硝酸喷到了我手上
左边的小瓶子就是那次发生事故的瓶子

图片:QQ截图20181129011423.png


残液,可以看到残液散发出大量的红色气体



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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:24
6楼F
第三次实验,也是最后一次实验
结果:成功,半个小时从150ml硝酸中制取了20ml左右的液态四氧化二氮
实验设备如下:

图片:QQ截图20181129012101.png



仅仅是加了催化剂,就开始有大量气体生成了

图片:QQ截图20181129012222.png



接收端,已经有疑似液态四氧化二氮出现了

图片:QQ截图20181129012328.png



结论:

1.使用催化剂可以使制备四氧化二氮事半功倍
2.确定了硝酸的最佳分解温度范围:55-75摄氏度,在这个温度下,球冷能够继续发挥回流硝酸蒸汽达到气液分离的作用
3.使用更强劲的制冷是必要的
但是这个方法有废液,也就是剩余的酸和高浓度的铁离子废水,需要氢氧化钠处理后才能排放处理;其中干燥段有条件可以使用干燥塔之类的仪器,本人经济有限只能将实验做成这样了。其次,尾气建议碱液处理,最好别直接排空。
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莫斯科的黄斯基 发布于2018-11-29 06:30
7楼F

图片:QQ截图20181129012527.png



纯净的四氧化二氮为深橘红色液体(有点像氯化铁溶液的颜色,但是要更红一点),其密度在1.5g/cm³左右。物理性质跟丁烷有点相似——常温下的容器,滴管,插入液态四氧化二氮会使其激烈汽化,转化为二氧化氮。所以说储存他需要低温,一般是干冷的试管(图片里面的试管事前用干冰冷却过)可以作为采样器和反应器;短时间接触6061和304没有明显反应(为何是短时间,原因如上);其次在燃料测试中,该氧化剂对混胺不兼容,没有着火现象;用其制成的硝酸-27也对混胺没有着火的反应(原因尚不明确,但是维基百科也指出混胺不适合作为业余火箭爱好者的燃料,原因是有可能会发生爆炸;这里我个人认为是点火延时的问题导致);相反普通的无水硝酸与混胺反应剧烈,立刻燃烧

图片:QQ截图20181129012648.png


这是无水硝酸和混胺的反应,四氧化二氮和硝酸-27也就是冒了个烟,与燃料生成了黑色粘稠状物体
怀疑有两点:
1.推进剂太冷了,实验的量太少直接吸热了不发生接下来的反应;
2二甲基苯胺对四氧化二氮和硝酸-27不兼容,为何这样说?是因为有人已经做过三乙胺——硝酸27s,指出能够作为发动机主燃烧室推进剂使用。.

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8楼F
总结:
由于最后燃料测试的结果,使我最终放弃了这个氧化剂。而且关于保存的问题上,大部分的爱好者是没有条件能够长期储存的条件的。其次由于她极其容易汽化的特点,制备和储存需要极小心,请备好相关防护措施。

所以说我给爱好者的建议就是:四氧化二氮可以完全打消作为主氧化剂的念头了(除非你想引发红雾异变),由于目前来说自燃燃料最好搞到的就是各类胺,综上所述四氧化二氮对胺的反应不是很剧烈,如果推进剂在发动机中堆积会产生很严重的后果!以上为本帖的全部内容,谢谢各位阅览!
                                                                                                                                     莫斯科的黄斯基
                                                                                                                                     2018.8.19
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