Nitrometan

Nitrometan, bazen basitçe "nitro" olarak adlandırılan ve kimyasal formülü  olan bir organik bileşiktir. En basit organik nitro bileşiğidir. Ekstraksiyonlar, reaksiyon ortamı ve temizleme solventi gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda çözücü olarak yaygın bir şekilde kullanılan polar bir sıvıdır. Organik sentezde bir ara ürün olarak pestisit, patlayıcı, lif ve kaplama üretiminde yaygın olarak kullanılır.  Nitrometan çeşitli Tap Fuel kalkış yarışı gibi motor sporlarında ve  Radyo-kontrollü uçaklarda, tel kumanda kontrollü ve serbest uçuş model uçaklardaki minyatür içten yanmalı motorlarda yakıt katkı maddesi olarak kullanılır.

Üretimi 
Nitrometan, propan ve nitrik asitin 350–450 °C ‘de gaz fazında birleştirilmesiyle endüstriyel olarak üretilir. Bu ekzotermik reaksiyon, endüstriyel olarak önemli dört nitroalkan üretir: nitrometan, nitroetan, 1-nitropropan ve 2-nitropropan.  Reaksiyon, karşılık gelen nitrit esterin homolizi yoluyla ortaya çıkan CH3CH2CH2O tipi alkoksil radikalleri dahil olmak üzere serbest radikalleri içerir. Bu alkoksi radikalleri, bir ürün karışımının oluşumunu açıklayan C—C parçalanma reaksiyonlarına karşı hassastır.

Laboratuvar yöntemleri
Öğretim değeri olan diğer yöntemlerle hazırlanabilir. Sodyum kloroasetatın sulu çözelti içinde  sodyum nitrit ile reaksiyonu bu bileşiği üretir:
ClCH2COONa + NaNO2 + H2O → CH3NO2 + NaCl + NaHCO3

Kullanımı
Nitrometanın başlıca kullanımı, yarı iletken işlemede ve yağ gidermede kullanılan klorlu solventler için stabilizatör olarak kullanılır. Aynı zamanda, siyanoakrilatlar (daha yaygın olarak "süper yapıştırıcılar" olarak bilinir) gibi akrilat monomerleri için bir çözücü veya çözücü madde olarak en etkili şekilde kullanılır.  Ayrıca bazı yarış türlerinde yakıt olarak kullanılır. Yüzde birkaç jelleştirici madde ile jelleştirildiğinde patlayıcı olarak kullanılabilir. Bu tip karışıma PLX denir. Diğer karışımlar arasında ANNM ve ANNMAl - amonyum nitrat, nitrometan ve alüminyum tozunun patlayıcı karışımları bulunur.

Organik bir çözücü olarak, oldukça polar (εr = 36, 20 °C'de ve μ = 3.5 Debye) olarak kabul edilir, ancak aprotiktir ve çok düşük Lewis bazikliğine sahiptir. Bu nedenle, aynı zamanda zayıf bir şekilde koordine olan polar bir çözücünün nadir bir örneğidir. Bu, pozitif yüklü, güçlü elektrofilik türlerin çözülmesi için faydalı hale getirir. Bununla birlikte, nispeten yüksek asitliği ve patlayıcı özellikleri (aşağıya bakınız) uygulamalarını sınırlar.

Reaksiyonları

Asit-baz özellikleri
Nitrometan nispeten asidik bir karbon asididir.  DMSO çözeltisinde pKa’sı 17.2’dir. Bu değer, yaklaşık 11’lik bir sulu pKa’yı gösterir. Bu kadar asidik olmasının nedeni aşağıdaki rezonans yapısından kaynaklanmaktadır: 

Deprotone etmek yavaştır. Nitrat ile neredeyse izosterik olan O2NCH2− konjuge bazının protonasyonu, başlangıçta oksijende meydana gelir.

Organik reaksiyonlar
Organik sentezde nitrometan, tek karbonlu bir yapı taşı olarak kullanılır.  Asitliği, karbonil bileşiklerininkine benzer yoğuşma reaksiyonlarını mümkün kılarak deprotonasyona uğramasına izin verir. Bu nedenle, baz katalizinde nitrometan, nitroaldol reaksiyonunda 1,2-ilavesindeki aldehitlere eklenir. Bazı önemli türevler, beta-nitrostiren, tris(hidroksimetil)nitrometan ((HOCH2)3CNO2) ve kloropikrin (Cl3CNO2) pestisitini içerir.  İkinci bileşiğin indirgenmesi yaygın bir şekilde tampon olarak kullanılan ve daha çok tris olarak adlandırılan, tris(hidroksimetil)aminometanı (HOCH2)3CNH2 oluşturur. Daha özel organik sentezde, Michael reaksiyonunda nitrometan, 1,4-ilave yoluyla α,β-doymamış karbonil bileşiklerine eklenerek bir Michael donörü görevi görür.

Motor yakıtı olarak kullanımı 
Nitrometan motor yarışlarında, özellikle drag yarışlarında ve ayrıca radyo kontrollü model motorlu tekneler, model arabalar, model uçaklar ve helikopterlerde yakıt olarak kullanılır. Bu bağlamda nitrometan, yaygın olarak "nitro yakıt" veya basitçe "nitro" olarak adlandırılır ve drag yarışlarının "Tap Fuel" kategorisinde kullanılan yakıtın ana bileşenidir.

Nitrometanın  oksijen içeriği, geleneksel yakıtlardan çok daha az atmosferik oksijenle yanmasını sağlar. Nitrometan yanması sırasında, azot monoksit (NO), CO ve HO ile birlikte başlıca emisyon ürünlerinden biridir. Azot monoksit, hava kirliliğine, asit yağmuruna ve ozon tabakasının delinmesine katkıda bulunur. Yakın tarihli (2020) çalışmalar nitrometan yanması için doğru stokiyometrik denklemin şu şekilde olduğunu önermektedir:

4 CH3NO2  +  5 O2   → 4 CO2 + 6 H2O + 4 NO

1 kg benzini yakmak için gereken hava miktarı 14,7 kg'dır. Ancak 1 kg nitrometan için sadece 1,7 kg hava gereklidir. Bir motorun silindiri her strokta yalnızca sınırlı miktarda hava içerebildiğinden, bir strokta benzinin yakılabileceğinden 8,6 kat daha fazla nitrometan vardır. Ancak nitrometan daha düşük bir özgül enerjiye sahiptir: benzin yaklaşık 42-44 MJ/kg sağlarken nitrometan sadece 11,3 MJ/kg sağlar. Bu analiz, nitrometanın, belirli bir miktarda oksijen ile birleştirildiğinde benzinin gücünün yaklaşık 2.3 katını ürettiğini gösterir.

Nitrometan ayrıca bir monopropellant, yani ilave oksijen olmadan yanan bir yakıt olarak da kullanılabilir. Aşağıdaki denklem bu süreci tanımlar:
2 CH3NO2   →   2 CO + 2 H2O  +  H2  +  N2
Nitrometan, benzinden biraz daha yüksek, yaklaşık 0.5 m/s’lk bir laminer yanma hızına sahiptir. Bu durum, nitrometanı yüksek hızlı motorlar için uygun hale getirir. Ayrıca yaklaşık 2.400 °C gibi biraz daha yüksek bir alev sıcaklığına sahiptir. Yüksek yakıt akışı ile birlikte 0,56 MJ/kg'lık yüksek buharlaşma ısısı, gelen yükün (metanolün yaklaşık iki katı) önemli ölçüde soğutulmasını sağlar, bu da oldukça düşük sıcaklıklara neden olur.

Nitrometan, atmosferik oksijenin yokluğunda bile güç sağladığı için genellikle zengin hava-yakıt karışımları ile kullanılır. Zengin hava-yakıt karışımları kullanıldığında, hidrojen ve karbon monoksit yanma ürünlerinden ikisidir. Bu gazlar genellikle, bazen olağanüstü bir şekilde tutuşur, çünkü hala yanan yakıtın normalde çok zengin karışımları egzoz deliklerinden çıkar. Ön ateşlemeyi ve sonraki patlamayı kontrol etmek için yanma odası sıcak parçalarının sıcaklığını düşürmek için çok zengin karışımlar gereklidir. Operasyonel ayrıntılar, belirli karışım ve motor özelliklerine bağlıdır.

Nitrometan içine karıştırılmış az miktarda hidrazin, güç çıkışını daha da artırabilir. Nitrometan ile hidrazin, ayrıca monopropellant da olan patlayıcı bir tuz oluşturur. Bu kararsız karışım ciddi bir güvenlik tehlikesi oluşturur ve Model Havacılık Akademisi yarışmalarda kullanılmasına izin vermez.

Model uçak ve model araba yakıtında, birincil bileşen genellikle içinde biraz nitrometan (%0 - 65, ancak nadiren %30’un üzerinde ve %10–20 yağlayıcılar (genellikle hint yağı ve/veya sentetik yağ)) olan metanoldür. Orta miktarda nitrometan bile motorun yarattığı gücü artırma (sınırlayıcı faktör genellikle hava girişi olduğundan) ve motorun ayarlanmasını kolaylaştırma (uygun hava/yakıt oranını ayarlama) eğilimindedir.

Patlayıcı özellikleri
1 Haziran 1958'de nitrometan yüklü bir demiryolu vagon tankeri patlayana kadar, nitrometanın yüksek patlayıcı madde olduğu bilinmiyordu.  TNT'nin daha yüksek bir patlama hızına (VoD) ve brizansa sahip olmasına rağmen, çok fazla yapılan testten sonra nitrometanın TNT'den daha enerjik bir yüksek patlayıcı olduğu anlaşıldı. Bu patlayıcıların her ikisi de oksijen bakımından fakirdir ve  amonyum nitrat gibi bir oksitleyici ile karıştırılmasından bazı faydalar elde edilir. Saf nitrometan, yaklaşık 6.400 m/s VoD'ye sahip duyarsız bir patlayıcıdır, ancak yine de tehlikeleri azaltmak için inhibitörler kullanılabilir. Vagon tankeri patlamasının, tüm sıvı patlayıcılar için ortak bir tehlike olan adyabatik sıkıştırma nedeniyle olduğu tahmin edildi. Bu, küçük sürüklenen hava kabarcıklarının basınçta hızlı artışlarla sıkıştığı ve aşırı ısındığı zamandır. Bir operatörün bir valfi hızla kapatarak "su darbeli" bir basınç dalgalanması yarattığı düşünülüyordu.

Oksitleyici olarak kullanılan amonyum nitrat ile karıştırıldığında ANNM olarak bilinen patlayıcı bir karışım oluşturur.

Nitrometan TNT ile birlikte model patlayıcı olarak kullanılır. Bir model patlayıcı olarak TNT'ye göre tekdüze yoğunluğu ve durum denkleminin belirlenmesini ve daha fazla hesaplamayı zorlaştıran patlama sonrası katı türlerin olmaması gibi çeşitli avantajları vardır.

Nitrometan, çözünmeyen bir nitrometan tuzu üretmek için alkol içindeki sodyum hidroksit veya metoksit çözeltileriyle reaksiyona girer. Bu madde, asidik koşullar altında nitrometana dönüşen ve suda bozunarak kırmızımsı-kahverengi bir renge sahip başka bir patlayıcı bileşik olan sodyum metazonat oluşturan hassas bir patlayıcıdır.

2 CH3NO2  +  NaOH   → HON=CHCH=NO2Na + 2 H2O

Nitrometanın katı sodyum hidroksit ile reaksiyonu hipergoliktir.

Nitrometan egzozu
Yakıtı nitrometan içeren içten yanmalı bir motordan çıkan egzoz gazı, aşındırıcı olan ve solunduğunda nefes almayı imkânsız kılan bir kas reaksiyonuna neden olan nitrik asit buharı içerecektir. Bir model uçuş oturumundan sonra böyle bir motor depoya kaldırıldığında, kızdırma yakıtlı bir model motorda kalan yoğunlaşmış nitrik asit bazlı kalıntı iç bileşenlerini aşındırabilir. Kalıntı nitrik asidi nötralize etmek için genellikle kerosen ve bu tür hasarlara karşı koruma sağlamak ve yağlama için bir "çalışma sonrası yağı" (genellikle popüler bir koruyucu yağın düşük viskoziteli "pnömatik alet yağı") karışımının kullanılmasını zorunlu kılar.

Saflaştırma
Nitrometan, organik ve elektroanalitik kimyada popüler bir çözücüdür. Donma noktasının altına soğutularak, katıyı soğuk dietil eter ile yıkayarak ve ardından damıtılarak saflaştırılabilir.

Ayrıca bakınız
Tap Fuel
Adyabatik alev sıcaklığı, nitrometanın alev sıcaklığının termodinamik hesaplaması
Dinitrometan
Model motor
Trinitrometan
Tetranitrometan
RE faktörü

Kaynakça

Alıntılanan kaynaklar

Dış bağlantılar
 WebBook page for nitromethane 
 History of Nitromethane
 CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards

IARC 2B grubu kanserojenler
Nitroalkanlar
Nitro çözücüler
Roket yakıtları
Sıvı patlayıcı maddeler
Patlayıcı kimyasal maddeler
Yakıt katkı maddeleri
Yakıtlar