«Пентабора́н» — также называемый «нонагидри́д пентабо́ра», «стабильный пентабора́н» и «Пентабора́н(9)» для того, чтобы отличать его от соединения бора B5H11 — химическое соединение, которое рассматривалось военными 1950-х годов в США и СССР, в качестве перспективного ракетного/самолётного топлива, называемого также «экзотическим горючим». Молекула состоит из пяти атомов бора и девяти атомов водорода (B5H9) и является одним из бороводородов. В обычных условиях имеет вид бесцветной жидкости с едким чесночно-ацетонным запахом, которая экзотермично реагирует с водой при температуре выше 30 °C и в виде образовавшихся паров — с воздухом. Точка замерзания составляет −46,8 °C, кипения 60,1 °C, молярная масса 63,13 г/моль и обладает низкой плотностью 0,618 г/мл. Из-за того, что пламя борных соединений имеет характерный зелёный цвет, в США пентаборан имеет неформальное имя «Зеленый дракон».
| Пентаборан | |
|---|---|
  | |
| Общие | |
| Хим. формула | B5H9 |
| Физические свойства | |
| Молярная масса | 63.13 г/моль |
| Плотность | 0,618 г/см³ |
| Энергия ионизации | 9,9 ± 0 эВ[1][2] |
| Термические свойства | |
| Температура | |
| • плавления | −46,8 °C |
| • кипения | 60,1 °C |
| • вспышки | 30 °C |
| Пределы взрываемости | 0,42 ± 0,01 об.%[1] |
| Давление пара | 171 ± 1 мм рт.ст.[1] |
| Структура | |
| Дипольный момент | 7,1E−30 Кл·м[2] |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 19624-22-7 |
| Рег. номер EINECS | 243-194-4 |
| SMILES | |
| InChI | |
| RTECS | RY8925000 |
| ChEBI | 33591 |
| ChemSpider | 24765156 |
| Безопасность | |
| NFPA 704 | |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
 Медиафайлы на Викискладе | |
Обзор свойств
правитьПентаборан хорошо растворим в углеводородах — бензоле, циклогексане и всех смазочных материалах. При хранении подвержен незначительному химическому разложению с выделением небольшого количества водорода и твёрдого осадка. Производство осуществляется путём пиролиза диборана. В США пентаборан производился «Химической компанией Каллери» (en). Дата обращения: 8 мая 2009. Архивировано 31 марта 2012 года. В 1985 году «Каллери» выкупила часть резервного топлива и переработала его на составляющие элементы — бор и водород.
Пожароопасность
правитьПары пентаборана тяжелее воздуха, являются пирофорными, то есть могут внезапно воспламениться при контакте с воздухом даже при незначительном загрязнении. Легко формирует взрывоопасные соединения, детонирующие при ударе, активно горит и взрывается при контакте с многими средствами пожаротушения, в частности при контакте с водой и галогенуглеводородами. При температуре выше 150 °C распадается с выделением водорода, что может представлять опасность при хранении в закрытом контейнере из-за роста давления. Нестабилен в присутствии диборана.
Токсичность
править
Пары чрезвычайно токсичны при вдыхании, попадании на кожу, слизистые оболочки, в глаза и пищеварительный тракт. К поражениям внутренних органов пентабораном относятся поражения печени, почек и нервной системы. Ранние симптомы слабого отравления могут проявиться через 48 часов. Попадание пентаборана на кожу по внешнему виду схоже с симптомами обморожения. Кроме общей токсичности, это вещество поражает нервную систему и обладает нервно-паралитическим действием, которое по силе сравнимо с боевыми отравляющими веществами.
Топливо
правитьВодород является наиболее эффективным топливом при использовании таких окислителей, как кислород и фтор, но сжижается лишь при очень низких температурах с дополнительным недостатком в виде низкой плотности. По этой причине производились и производятся поиски химического соединения водорода с как можно более плотным содержанием водорода на долю вещества. Пентаборан имеет преимущество в качестве эффективного топлива по сравнению с углеводородами по причине ме́ньшей атомной массы бора (основной изотоп 10B) по сравнению с углеродом (основной изотоп 12C). Таким образом, бор легче на две атомные единицы массы, а некоторые бороводороды содержат больше атомов водорода по сравнению с углеводородными эквивалентами. Кроме этого, рассматривается также лёгкость разрушения химических связей соединения.
Первоначальный интерес к пентаборану возник в связи с поиском топлива для сверхзвуковых самолетов. Считается, что наибольший удельный импульс в результате сжигания топлива и окислителя может быть получен при использовании пары компонентов пентаборан/OF2 (дифторид кислорода). В ходе первых лет космической гонки и холодной войны инженеры были вынуждены искать способы увеличения эффективности двигателей для уменьшения затрат при эксплуатации авиационной и ракетной техники. Например, рассматривались варианты с очень токсичными, но эффективными третьими ступенями ракет-носителей (см. РН «УР-700»).
Проблемы с данным топливом заключались в его токсичности, свойстве вспыхивать при контакте с воздухом и токсичности продуктов горения. Безопасный и дешёвый способ утилизации пентаборана был изобретён только в 2000 году — он основан на гидролизе пентаборана водяным паром, в результате которого получаются газообразный водород и раствор борной кислоты (Н3BО3). Это позволило избавиться от накопленных запасов B5H9 в США, за что эта технология получила неформальное название «Убийцы дракона»[3].
Среди реализованных проектов, которые использовали пентаборан в качестве топлива, следует отметить проект американского сверхзвукового бомбардировщика «Валькирия» (XB-70), который не был принят на вооружение по причине прекращения экспериментов с использованием этого вида топлива в США в 1959 году[4]. Также пентаборан исследовался в качестве топлива-кандидата с окислителем N2О4 (или ТА)[5]. Академик В. П. Глушко в СССР использовал его в версии экспериментального ЖРД РД-270 («РД-270M») в ходе разработки двигателя в период 1962-1970 годов[6].
Пентаборан с разными окислителями
правитьВ зависимости от выбранного окислителя пентаборан обладает различной эффективностью в качестве топлива. Ниже приведена таблица для сравнения этой характеристики.
| Окислитель | Удельная тяга(Р1,сек) | Температура сгорания °С | Плотность топлива г/см3 | Прирост скорости, ΔVид,25, м/сек | Весовое содерж.горючего % |
|---|---|---|---|---|---|
| Фтор | 360,9 | 4807 | 1,199 | 4900 | 18 |
| Тетрафторгидразин | 334 | 4567 | 1,027 | 4164 | 13 |
| ClF3 | 290,3 | 4174 | 1,493 | 4423 | 12 |
| ClF5 | 308,6 | 4383 | 1,413 | 4572 | 13 |
| Перхлорилфторид | 299,3 | 3969 | 1,239 | 4136 | 21 |
| Фторид кислорода | 361,6 | 4736 | 1,179 | 4866 | 20 |
| Кислород | 319,7 | 3887 | 0,897 | 3686 | 32 |
| Пероксид водорода | 309,1 | 2696 | 1,021 | 3839 | 31 |
| N2O4 | 299,3 | 3640 | 1,084 | 3846 | 25 |
| Азотная кислота | 293,7 | 3315 | 1,107 | 3820 | 25 |
См. также
правитьПримечания
править- ↑ 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0481.html
- ↑ 1 2 David R. Lide, Jr. Basic laboratory and industrial chemicals (англ.): A CRC quick reference handbook — CRC Press, 1993. — ISBN 978-0-8493-4498-5
- ↑ ”Dragon Slayer” neutralizes super fuel. «Engineer Update», US Army Corps of Engineers (February 2001). Дата обращения: 8 мая 2009. Архивировано из оригинала 26 октября 2004 года.
- ↑ «From Missiles to Medicine: The development of boron hydrides». Дата обращения: 18 октября 2009. Архивировано из оригинала 23 октября 2007 года.
- ↑ N2O4/Pentaborane. Encyclopedia Astronautica. Дата обращения: 11 августа 2007. Архивировано 31 марта 2012 года.
- ↑ РД-270М (en). Encyclopedia Astronautica. Дата обращения: 11 августа 2007. Архивировано 31 марта 2012 года.