книги из ГПНТБ / Панкратов А.В. Химия фторидов азота
.pdfМетодика измерения констант в работах [8, 27] не описана; это заставляет делать вывод о надежности све дений лишь по совпадению данных. По-видимому, тем пература кипения, принимаемая за —23 °С, определе на достаточно надежно.
Некоторые замечания о методике определения тем пературы плавления сообщаются в работе [28]. По-ви димому, были сделаны лишь два измерения: в областях температур от—115,7 до—114,5 °С и от —118,6 до
— 118,4 °С, в которых наблюдалось плавление твердого дифторамина. Температура плавления— 116 °С полу чена усреднением этих величин. Из краткого описания эксперимента следует, что температура плавления опре делена недостаточно надежно.
Вызывают сомнение значения критических пара метров [8]. Нагревание термически нестабильного ди фторамина до 130 °С может сопровождаться разложени ем на N 2 F 4 и NH4 F .HF, в результате чего температура исчезновения мениска жидкости может быть установле на неточно. Расчет критического давления по темпера турной зависимости давления паров, сделанный Кольбарном и Кеннеди, требует дополнительных сведений о диапазоне температур, в которых эта зависимость вы полняется.
Константы цис- и транс-изомеров дифтордиазина приведены лишь в работе [29]. Данные представлены в сводной табл. 5.
Экспериментальная величина Ркр для цыс-изомера, определенная Кольбарном, нуждается в уточнении; в
табл. |
3 приводится расчетное (см. |
разд. 1.2) значение |
|
Р к р , |
равное 57 атм. Для плотности |
равновесной |
смеси |
цис- и транс-изомеров дифтордиазина, содержащей |
90% |
цис-изомера, приводится величина 1,809 г/см3 [21]. Константы фтористого нитрозила FNO определял
лишь Руфф в 1932 г. [30], значения приведены в свод ной табл. 5. Несмотря на тщательное выполнение ра боты, свойственное школе Руффа, эксперимент со столь агрессивным веществом как фтористый нитрозил, нуж дается в повторении на современном уровне. Экспери ментальные данные о критических параметрах фтори стого нитрозила отсутствуют.
Константы фтористого нитрила F N 0 2 также опре делялись Руффом в 1932 г. [30] (см. табл. 5). По данным
131] критическая температура F N 0 2 равна 76,3 ± 0,5D C. Однако расчет критического давления по температур ной зависимости давления паров невозможен, ибо эта зависимость применима лишь в интервале от —155 до —72,8 °С.
Хесерингтон и Робинсон [31] измерили плотность фтористого нитрила в интервале температур от —103,8 до —64,6 °С; выведенное ими уравнение
d = 2,046 — 0.00276Г
дает те же значения плотности, что и уравнение Руффа
rf = 2,I43 — 0.00323Г |
|
|
Так, при —72,4 °С плотность по X есерингтону |
равна |
|
1,492 г/см3, по Руффу — 1,495 |
г/см3. |
|
Константы окситрифторида |
азота F3 NO измерены |
|
Фоксом, Маккензи и др. [32]. Давление паров |
опреде |
лялось в интервале от температуры плавления до —82 °С,
температуры, несколько превышающей температуру |
|||||||
кипения. Получены следующие |
результаты: |
|
|||||
Г, °К . . . |
116,2 |
130,2 |
142,0 |
153,6 |
162,5 |
177,4 187,6 |
190,9 |
Р э к с п . . . |
1,0 |
8,0 |
28,0 |
84,0 |
172,0 |
496,0 845,0 |
995,0 |
Р в ы ч . . . |
1,0 |
7,9 |
28,6 |
84,0 |
170,4 |
468,1 847,9 |
1013,4 |
Зависимость давления |
(в мм рт. ст.) от температу |
||||
ры выражается |
уравнением |
180,04119 |
|
||
|
lg Р = —10,391602 + |
+ |
|||
|
~ |
||||
|
+ |
49443,176 |
+ 6,05531021g Т |
|
|
|
fi |
|
|||
Температурная зависимость давления паров экстра |
|||||
полируется |
до критической температуры 29,5 °С; при |
||||
этом Ркр = |
64,0 атм, что хорошо соответствует экспе |
||||
риментальному значению |
Ркр, |
равному |
63,5 атм. Это |
дает основание использовать уравнение во всем диапа зоне температур, в котором окситрифторид азота нахо
дится в жидком |
состоянии. |
|
|
|
|
Температуры |
кипения |
и плавления |
по данным раз |
||
ных авторов имеют следующие |
значения: |
|
|||
|
[32] |
[11] |
[12] |
[33] |
[34] |
*кип. °С |
—87,6 |
—90 |
—85 |
—89 |
—89 |
* п л . °С |
— |
— |
—160 |
—161 |
—168,5=1=1,0 |
Температура кипения, равная —87,6 в С по данным [32], близка к значениям, сообщаемым в других рабо тах, и, по-видимому, является наиболее правильной. Данные по температуре плавления не совпадают. Описа ние эксперимента в цитируемых работах отсутствует, что не позволяет сделать выбор между сообщаемыми величинами. В сводную табл. 5 включена температура —168,5 °С, сообщаемая в патенте [34].
і |
і |
і |
і |
і |
і |
і |
j |
і |
і— |
|
0J |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
Ofi |
0,9 |
1,0 |
й>г/с^ |
Рис. 3. Определение |
критической |
плотности окситрифторида |
|||||||
азота по методу прямолинейного диаметра. |
|
||||||||
Плотность |
окситрифторида |
азота |
по |
данным [32] |
в интервале температур от —80 до —120 °С выражается уравнением
d= 1,237 — 0,003544*
При температуре кипения (—87,6 °С) плотность рав на 0,927 г/см3. Критическая температура, равная 29,5 °С, определена по методу исчезновения мениска [32]: температура исчезновения мениска при нагревании равна 29,8 °С, температура появления мениска при охлаждении равна 29,1 °С.
Критическая плотность определялась в работе [32] по методу прямолинейного диаметра. Результаты изме рений представлены на рис. 3. Экстраполяция экспери
ментальных |
данных к критической температуре дает |
4 Р = 0,593 |
г/см3. |
Критическое давление рассчитано [32] по уравнению Ван-дер-Ваальса с использованием эксперименталь ных значений критической температуры и критической
плотности; |
Р к Р = 63,5 атм. Найдены также констан |
|||
ты уравнения |
Ван-дер-Ваальса: d = |
4,0965 л/атм, |
Ъ = |
|
= 0,0489 |
л. |
|
|
|
Константы |
окситрифторида азота |
суммированы |
в |
|
сводной табл. |
5. |
|
|
1.2. РАСЧЕТЫ ФИЗИЧЕСКИХ КОНСТАНТ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИЙ
Экспериментальное определение физических кон стант в полном объеме, как это необходимо для реше ния прикладных вопросов, представляет собой слож ную задачу. Задача осложняется необходимостью полу чить чистые вещества, что для новых веществ иногда сопряжено с большими трудностями. Поэтому пред ставляет интерес составление так называемых корре ляционных формул, которые показали бы зависимость между физическими константами и позволили бы вычи слить одни константы через другие. Таких формул до статочно много [35], однако все они носят эмпирический характер и их справедливость применительно к изучае мым объектам должна быть тщательно проконтроли рована.
Риделем [36] предложены корреляционные формулы, позволяющие рассчитывать критические параметры по известным температурам кипения. В корреляцион ные формулы вводятся молекулярные структурные по правки — эмпирические коэффициенты, учитывающие химический состав вещества. Коэффициенты представ ляют собой сумму атомных структурных инкрементов.
Суть этих эмпирических методов состоит в примене нии к критическим параметрам общего правила адди тивности: свойство молекулы есть сумма соответствую щих свойств атомов или связей. Как и в других методах, свойство молекулы «вычисляется» тем точнее, чем бли же состояние атома в молекуле, свойства которой вы числяются, к состоянию его в другой молекуле, свой ство которой принимается для расчетов.
Понятие «состояние атома» недостаточно определен но. Так как состояние атома, в принципе, никогда не
может быть одним и тем же в разных молекулах, то все подобные методы являются лишь приближенными. По этому задача исследователя, пользующегося корреля ционными формулами для расчетов констант каких-ли бо соединений, состоит прежде всего в возможно более точном подборе атомных инкрементов.
Расчет физических констант фторидов азота по ме тоду корреляции выполнен в работе [37]. Д л я расчета использовались формулы:
|
7 К Р ~ |
0,574 + 2 Д Г |
W |
|
где |
2 Д7" — температурная |
структурная молекулярная |
поправка |
|
|
|
|
М |
|
|
РкР = |
(ZAP |
+ 0,33)2 |
( 4 ) |
где |
М — молекулярный |
вес; |
2 АР — структурная |
молеку |
л я р н а я поправка на давление. |
|
|
||
|
Молекулярные структурные поправки S A T |
и 2 АР |
в формулах (3) и (4) представляют собой сумму струк турных атомных инкрементов АГ и АР атомов, входя щих в состав данной молекулы. Например,
Атомные структурные поправки представляют собой табличные данные.
Следовательно, формула (3) позволяет рассчиты вать критическую температуру вещества по одной экспе
риментальной величине — температуре кипения |
дан |
ного вещества, а по формуле (4) можно рассчитать |
кри |
тическое давление вещества, не находя другие констан ты.
Критический объем V K p обычно определяют по за висимости плотности вещества d от температуры (пра вило «прямолинейного» диаметра), т. е. путем решения уравнения
(5)
при Т = Ткр. Понятно, что правило выполняется тем точнее, чем ближе к критической температуре исследо вана зависимость (5). Метод требует эксперименталь ных определений. Предложено [35] несколько эмпири-
ческих зависимостей, связывающих |
И к р с |
молекуляр |
||||
ной структурной поправкой 2 A V |
|
|
|
|||
|
|
_3/4 |
|
|
|
|
|
2 A V = |
-. |
т - |
|
(6) |
|
где о — коэффициент |
|
" ж — « г |
натяжения . |
|
||
поверхностного |
|
|
||||
По Сегдену |
|
|
|
|
|
|
|
_ |
1 A V |
|
|
|
|
|
К Р — |
0,77 |
|
|
|
|
Известна также формула Ватсона. |
|
|
|
|||
|
1 |
|
М |
|
|
|
^ р = = |
V K p = (0,377SAV + |
I I ) 1 - 2 6 |
( 8 ) |
Молекулярная поправка SAV вычисляется как сум ма инкрементов AV атомов, составляющих молекулу.
Риделем |
[36] предложена |
также корреляционная |
|||
формула, связывающая |
Т к р |
и Р к р |
с температурой ки |
||
пения Т к и п и теплотой испарения |
Qacn |
|
|||
|
Т к т |
(51gP K P - 2,17 ) |
|
||
|
У и с п - 0 , 9 3 - ( Г К И П / Г к р ) |
( у > |
|||
Формула |
(9) получена путем |
обобщения |
большого |
||
экспериментального материала. |
|
|
|||
Для оценки степени точности формулы (9) примени |
тельно к фторидам азота были рассчитаны Р к р для NF 3 , N 2 F 4 , NF2C1 (см. табл. 4), а также для Cl 2 , N H 3 , Н 2 0 [21, 37]. Во всех случаях получено удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных. Это дает основание считать формулу (9) применимой для класса фторазотных соединений и пользоваться ею.
Для определения критических температур Ридель и Лидерсен собрали большой экспериментальный ма териал, охватывающий органические и частично неорга нические соединения и позволивший вывести поправ ки AT и АР, характеризующие атом или группу ато мов в молекуле. Например, во всех таблицах моногра фии [35] дается ДГ и АР для атома фтора. Естествен но, что имеющиеся в таблицах Риделя и других авто ров поправки для атомов F, N , О и С1 не применимы к фторидам азота, в которых состояние этих атомов рез ко отличается от состояния их во фторуглеродах.
По формулам (3) и (4) в работе [37] рассчитаны атом ные поправки AT, АР для атомов F, N, О и СІ в молеку лах фторидов азота. Для расчета использовались вели чины Т к р и Ркр следующих веществ: NF 3 и N 2 F 4 — для N и F; NF2C1 — для атома СІ в группе N — С1;
C1F3 — для атома СІ |
в связи |
^>С1 — F; FC103 — для |
||||||
атома |
семи валентного |
хлора; |
F N 0 2 |
— для |
атома |
О в |
||
группе |
N0 2 ; C1NO — для атома О |
в |
группе NO; |
0 F 2 |
||||
для атома О в связи О—F. Значение Ркр |
для |
фтористого |
||||||
нитрила |
вычислена по формуле Риделя [9]; |
|
||||||
Для |
|
расчета критических |
объемов |
V K p |
применены |
|||
формулы |
(7) и (8). Значения AV атомов F, |
N , О, С1 за |
имствованы из книги Рида и Шервуда [35] и представ лены ниже. В общем виде такой метод может показать ся недостаточно строгим, так как AV определены для соединений, не относящихся к классу фторидов азота.
Для проверки справедливости такого |
приема |
V K p рас |
||
считаны по формулам |
(7) и (8) и по правилу |
«прямоли |
||
нейного» диаметра (формула |
5). |
|
|
|
Расчеты выполнены |
для |
четырех |
веществ — NF3 , |
FN0 2 , FNO, N 2 F 4 , так как лишь для них определена за висимость плотности от температуры. Получены сле
дующие результаты: |
|
|
|
|
|
|
|
N F 3 |
FNQ2 |
FNO |
N 2 F 4 |
Уравнение |
(7) |
0,57 |
0,60 |
0,59 |
0,58 |
Уравнение |
(8) |
0,57 |
0,60 |
0,58 |
0,58 |
Уравнение |
(5) |
0,50 |
0,54 |
0,49 |
0,58 |
При расчете |
V K p фтористого нитрозила принято рас |
||
четное значение |
Т к р , |
так как экспериментальная вели |
|
чина отсутствует. |
|
|
|
В целом совпадение данных, полученных с |
исполь |
||
зованием табличных |
поправок AV, с данными, |
рассчи |
танными по методу «прямолинейного» диаметра, впол не удовлетворительное. Это дает основание считать пра вильными поправки AV для атомов F, N , О.
Таким образом, для расчетов У к р фторидов азота можно пользоваться как формулой Сегдена (7), так и формулой Ватсона (8).
Ниже представлены атомные инкременты, рекомен дуемые для расчетов физических констант фторидов азо-
та по формулам (3), (4), (7), (8):
|
ДГ |
АР |
AV |
N |
0,0196 |
0,1800 |
17,5 |
F |
0,0075 |
0,2500 |
26,1 |
0 ( N 0 2 ) |
0,0133 |
0,0402 |
19,8 |
O(NO) |
0,0117 |
0,0268 |
19,8 |
0(0—F) |
0,0060 |
0,2200 |
19,8 |
C l O C l — F ) |
0,0463 |
0,1300 |
55,2 |
CI (VII) |
0,0220 |
0,1780 |
55,2 |
C1(C1—N) |
0,0056 |
0,3040 |
55,2 |
Результаты расчетов Ркр, |
Ткр и V K p по формулам |
||
(3), (4), (7) и (8) представлены |
в табл. |
4. |
|
В этой таблице приводятся |
также |
теплота испаре |
ния, константа Трутона, константы а и Ъ уравнения Ван-дер-Ваальса. Скрытая теплота испарения рассчи тана по формуле (9) на основании экспериментальных и
расчетных величин |
Ткр и |
Ркр. |
В целом метод |
расчета |
по корреляционным форму |
лам дает удовлетворительное согласие с эксперимен том. Рассчитываемые этим методом величины все же не следует считать точно определенными константами ве
ществ; однако для расчета технологической |
аппарату |
|
ры и для других технических расчетов метод |
позволя |
|
ет получать значения |
с достаточной точностью. |
|
В сводной таблице |
5 суммированы рекомендуемые |
нами наиболее надежные значения физических кон стант фторидов азота, полученные в результате анали за экспериментальных работ и расчетов по корреля ционным формулам.
Как следует из изложенного, сведения о константах фторидов азота явно недостаточны. Наиболее надежны данные для NF 3 , N 2 F 4 , NF2 C1. Константы дифторамина и дифтордиазина нуждаются в проверке. По-видимому,
экспериментальное значение Ркр |
для цис-изомера ди |
||||
фтордиазина |
(70 атм) является сомнительным, |
в свод |
|||
ной таблице 5 приводится расчетное |
значение, |
равное |
|||
57 атм. Недостаточны |
сведения |
о |
константах |
NFC12 . |
|
Наконец, |
следует |
отметить, |
что приведенные в |
табл. 5 константы относятся к основным физическим
свойствам. К сожалению, сведения о других |
свойствах— |
|
вязкости, |
теплопроводности, поверхностном |
натяжении и |
т. д, — в |
литературе отсутствуют. |
|
Вещество
1 NF3
2N 2 F 4
3транс-Н^г
4цис-Ы2Р2
5NF2 C1
6NFC1,
7F N 0 2
8C1N02
9FNO
10C1NO
11 F3 NO
Таблица |
4. Результаты расчетов |
физических |
констант фторидов и хлоридов азота |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
Коэффициенты |
|
|
T |
, °к |
|
Р к р , атм |
|
|
г/сиЗ |
|
|
|
уравнения |
|||
|
|
|
|
|
^исп' |
К т р |
||||||||
|
|
|
|
|
Ван-дер- |
|||||||||
|
кр |
|
|
|
|
|
|
|
кал/моль |
|
|
Ваал ьса |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
ссперимент |
|
|
|
|
<ч |
|
|
и |
|
t- |
|
|
|
к |
1СЧЄТпо эрмуле(Ї |
гсперимеї |
ісчетпо эрмуле(< |
ІСЧЄТпо эрмуле(с |
о |
ІСЧЄТпо >рмуле(7 |
1СЧЄТпо эрмуле(! |
ІСЧЄТпо зрмуле(< |
о |
|
|
|||
ь. |
;сперимеи |
хперимеї |
|
"о |
||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
СО |
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
в- |
|
ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— £ |
|||
m |
|
|
|
|
|
|
|
а-6- |
я. |
|
lb |
о. |
•о |
|
|
СГ) |
|
л. |
|
|
|
Ґ0 |
|
в 3 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
СО |
|
|
|
|||
144,1 |
233,9 |
* |
at |
* |
42,0 |
124,4 |
0,571 |
0,575 |
2769 |
2791 |
19,2 |
19,4 |
3,48 |
53,7 |
44,7 |
||||||||||||||
199,0 |
309,4 |
* |
36,6 |
* |
33,0 |
181,0 |
0,575 |
0,579 |
3750 |
3919 |
18,8 |
19,7 |
7,43 |
86,7 |
161,8 |
260,2 |
257,6 |
55,0 |
46,6 |
50,4 |
113,3 |
0,583 |
0,585 |
3400 |
3370 |
21,0 |
20,8 |
3,74 |
52,4 |
167,5 |
272,0 |
266,6 |
70,0 |
46,6 |
57,1 |
113,3 |
0,583 |
0,585 |
3670 |
3760 |
21,9 |
20,6 |
3,54 |
47,9 |
207,3 |
337,5 |
* |
50,8 |
* |
— |
162,2 |
0,539 |
0,540 |
4160 |
4174 |
20,0 |
20,1 |
6,37 |
68,1 |
270,2 |
— |
441,3 |
— |
55,8 |
— |
200,0 |
0,520 |
0,522 |
— |
5583 |
— |
20,7 |
9,91 |
81,1 |
200,8 |
349,2 |
* |
— |
* |
92,0 |
108,1 |
0,602 |
0,602 |
4315 |
— |
21,5 |
—- |
3,77 |
38,9 |
257,3 |
— |
450,3 — 102,2 — 145,8 |
0,559 |
0,565 |
— |
5670 |
— |
22,0 |
5,64 |
45,2 |
||||
213,3 |
— |
348,0 |
— |
78,8 |
78,8 |
82,3 |
0,595 |
0,578 |
4607 |
— |
21,6 |
— |
4,37 |
45,3 |
267,7 |
438,2 |
* |
92,6 |
* |
— |
120,1 |
0,545 |
0,548 |
— |
(3424 |
— |
24,0 |
5,89 |
48,5 |
183,2 |
302,7 |
291,8 |
63,5 |
52,5 |
— |
150,1 |
0,586 |
0,603 |
3850 |
3900 |
20,7 |
21,3 |
4,60 |
57,0 |
П р и м е ч а н и е . Знаком * обозначены реперные точки, использованные для расчетов атомных инкрементов.
Таблица 5. Сводная таблица физических констант фторидов азота
Вещество
№
|
|
Константа |
1 |
f |
or- |
2 |
/ |
°Г |
ОО |
Рмм. рт. ст. — f (Т) |
4 Q H c n , ккал/моль . . .
5 Ктр
6
7 |
f |
or |
8 |
Ркр, |
ашм |
9 |
У к р > |
см3/моль . . . . |
NF3 N 2 F 4 цис -N2F2 транс -N2F2 NF2 C1
|
—206,79 |
|
— 1 6 1 , 5 ± 0 , 5 |
Ниже —195 |
— 172 |
—190,5+0,5 |
||
|
—129,06 |
|
— 7 4 , 2 ± 0 , 1 |
—105,7 |
— 111,4 |
—65,9 + 0,1 |
||
l g |
р = 6,77966— |
lg |
Р = |
7,0051— |
lg Р = 7,675— |
lg р = 7,470— lg р = 7,2661 — |
||
—501,913/(7"—15,37) |
|
—820,75/Т |
—8ЭЗ,0/Г |
—742,3/Г |
—909,01/Т |
|||
|
(от —183,9 |
|
(от |
—161,5 |
|
|
(от —190,5 |
|
|
до —129 °С) |
до |
- 7 4 , 2 °С) |
|
|
до 64,3 °С) |
||
l g |
р = 4,27264— |
lg |
Р = |
7,1950— |
|
|
|
|
—613,330/Т (P в атм) |
|
—867,62/Г |
|
|
|
|||
|
(от —129 |
|
(от |
—74,2 |
|
|
|
|
до —39,26 °С) |
|
до |
+3 6 °С) |
|
|
|
||
|
2,769 |
|
|
3,750 |
3,670 |
3,400 |
4,16 |
|
|
19,2 |
|
|
18,8 |
21,9 |
21,0 |
20,0 |
|
1,532 (—129,06 °С) |
|
|
1,454 |
1,809 |
— |
— |
||
Л = |
2,103—3,294 X |
|
(—74,2 °С) |
(—183 °С) |
|
|
||
Х10 - 3 Г — 4,675 х |
d= |
2,20509— |
|
|
|
|||
Ю - Т 2 (от —195 |
— 3,7753 - Ю - 3 Г |
|
|
|
||||
|
до —103 °С) |
|
(от |
—150 |
|
|
|
|
|
|
|
до |
20 °С) |
|
|
|
|
|
— 3 9 , 2 6 ± 0 , 1 |
|
3 6 , 2 ± 0 , 1 |
— 1 |
—13 |
64,3+0, 2 |
||
|
4 4 , 7 2 ± 0 , 2 |
|
3 6 , 6 ± 0 , 8 |
57* |
55 |
5 0 , 8 ± 0 , 5 |
||
|
124* |
|
|
|
181* |
118* |
113* |
162,21* |