Nitrometano

El nitrometano, a veces abreviado simplemente como "nitro", es un compuesto orgánico con la fórmula química CH
₃NO
₂. Es el compuesto nitro orgánico más simple. Es un líquido polar comúnmente utilizado como solvente en una variedad de aplicaciones industriales, como en extracciones, como medio de reacción y como solvente de limpieza. Como intermediario en la síntesis orgánica, se usa ampliamente en la fabricación de pesticidas, explosivos, fibras y recubrimientos. El nitrometano se utiliza como aditivo de combustible en varios deportes de motor y pasatiempos, p. Top Fuel drag racing y motores de combustión interna en miniatura en radio control, línea de control y aviones modelo de vuelo libre.

Preparación

El nitrometano se produce industrialmente mediante la combinación de propano y ácido nítrico en fase gaseosa a 350–450 °C (662–842 °F). Esta reacción exotérmica produce los cuatro nitroalcanos de importancia industrial: nitrometano, nitroetano, 1-nitropropano y 2-nitropropano. La reacción involucra radicales libres, incluidos los radicales alcoxilo del tipo CH₃CH₂CH₂O, que surgen a través de la homólisis del nitrito correspondiente ester. Estos radicales alcoxi son susceptibles a reacciones de fragmentación C—C, lo que explica la formación de una mezcla de productos.

Métodos de laboratorio

Se puede preparar con otros métodos que tengan valor instructivo. La reacción de cloroacetato de sodio con nitrito de sodio en solución acuosa produce este compuesto:

ClCH₂COONa + NaNO₂ + H₂O → CH₃NO₂ + NaCl + NaHCO3

Usos

El uso principal del nitrometano es como estabilizador para solventes clorados, que se usan en limpieza en seco, procesamiento de semiconductores y desengrasado. También se utiliza con mayor eficacia como disolvente o agente de disolución de monómeros de acrilato, como los cianoacrilatos (más conocidos como "superpegamentos"). También se utiliza como combustible en algunas formas de carreras. Se puede utilizar como explosivo, cuando se gelifica con varios porcentajes de agente gelificante. Este tipo de mezcla se llama PLX. Otras mezclas incluyen ANNM y ANNMAl: mezclas explosivas de nitrato de amonio, nitrometano y polvo de aluminio.

Como solvente orgánico, se considera altamente polar (ε_r = 36 a 20 °C y μ = 3,5 Debye) pero es aprótico y posee una basicidad de Lewis muy baja. Por lo tanto, es un ejemplo raro de un solvente polar que también se coordina débilmente. Esto lo hace útil para disolver especies fuertemente electrófilas cargadas positivamente. Sin embargo, su acidez relativamente alta y sus propiedades explosivas (ver más abajo) limitan sus aplicaciones.

Reacciones

Propiedades ácido-base

El nitrometano es un ácido de carbono relativamente ácido. Tiene un pK_a de 17.2 en solución DMSO. Este valor indica un pK_a acuoso de aproximadamente 11. La razón de que sea tan ácido se debe a la estructura de resonancia a continuación:

El anión está estabilizado la resonancia

Es lento para desprotonarse. La protonación de la base conjugada O₂NCH₂⁻, que es casi isostérica con el nitrato, ocurre inicialmente en el oxígeno.

Reacciones orgánicas

En la síntesis orgánica, el nitrometano se emplea como componente básico de un carbono. Su acidez le permite sufrir desprotonación, lo que permite reacciones de condensación análogas a las de los compuestos carbonílicos. Por lo tanto, bajo catálisis básica, el nitrometano se suma a los aldehídos en adición 1,2 en la reacción de nitroaldol. Algunos derivados importantes incluyen los pesticidas cloropicrina (Cl₃CNO₂), beta-nitroestireno y tris(hidroximetil)nitrometano, ((HOCH₂)₃CNO₂). La reducción de este último da tris(hidroximetil)aminometano, (HOCH₂)₃CNH₂, más conocido como tris, un tampón ampliamente utilizado. En síntesis orgánicas más especializadas, el nitrometano sirve como donante de Michael, añadiéndose a compuestos de carbonilo α, β-insaturados a través de la adición 1,4 en la reacción de Michael.

Como combustible para motores

El nitrometano se utiliza como combustible en las carreras automovilísticas, especialmente en las carreras de resistencia, así como en modelos de barcos, coches, aviones y helicópteros controlados por radio. En este contexto, el nitrometano se conoce comúnmente como "combustible nitro" o simplemente "nitro", y es el ingrediente principal del combustible utilizado en el "Top Fuel" categoría de carreras de resistencia.

El contenido de oxígeno del nitrometano le permite arder con mucho menos oxígeno atmosférico que los combustibles convencionales. Durante la combustión del nitrometano, el óxido nítrico (NO) es uno de los principales productos de emisión junto con el CO₂ y el H₂O. El óxido nítrico contribuye a la contaminación del aire, la lluvia ácida y el agotamiento de la capa de ozono. Estudios recientes (2020) sugieren que la ecuación estequiométrica correcta para la quema de nitrometano es:

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

La cantidad de aire necesaria para quemar 1 kg (2,2 lb) de gasolina es de 14,7 kg (32 lb), pero solo se necesitan 1,7 kg (3,7 lb) de aire para 1 kg de nitrometano. Dado que el cilindro de un motor solo puede contener una cantidad limitada de aire en cada golpe, se pueden quemar 8,6 veces más nitrometano que gasolina en un solo golpe. Sin embargo, el nitrometano tiene una energía específica más baja: la gasolina proporciona entre 42 y 44 MJ/kg, mientras que el nitrometano proporciona solo 11,3 MJ/kg. Este análisis indica que el nitrometano genera alrededor de 2,3 veces la potencia de la gasolina cuando se combina con una determinada cantidad de oxígeno.

El nitrometano también se puede utilizar como monopropulsor, es decir, un propulsor que se descompone para liberar energía sin añadir oxígeno. La siguiente ecuación describe este proceso:

2 CH₃NO₂ → 2 CO + 2 H₂O + H₂ + N₂

El nitrometano tiene una velocidad de combustión laminar de aproximadamente 0,5 m/s, algo más alta que la gasolina, por lo que es adecuado para motores de alta velocidad. También tiene una temperatura de llama algo más alta de aproximadamente 2400 °C (4350 °F). El alto calor de vaporización de 0,56 MJ/kg junto con el alto flujo de combustible proporciona un enfriamiento significativo de la carga entrante (alrededor del doble que el metanol), lo que da como resultado temperaturas razonablemente bajas.

El nitrometano generalmente se usa con mezclas ricas de aire y combustible porque proporciona energía incluso en ausencia de oxígeno atmosférico. Cuando se utilizan mezclas ricas de aire y combustible, el hidrógeno y el monóxido de carbono son dos de los productos de combustión. Estos gases a menudo se encienden, a veces de manera espectacular, cuando las mezclas normalmente muy ricas del combustible que aún se quema salen por los orificios de escape. Son necesarias mezclas muy ricas para reducir la temperatura de las partes calientes de la cámara de combustión con el fin de controlar el preencendido y la posterior detonación. Los detalles operativos dependen de la mezcla particular y las características del motor.

Una pequeña cantidad de hidracina mezclada con nitrometano puede aumentar aún más la potencia de salida. Con nitrometano, la hidracina forma una sal explosiva que nuevamente es un monopropulsor. Esta mezcla inestable representa un grave peligro para la seguridad. La National Hot Rod Association y la Academy of Model Aeronautics no permiten su uso en competencias.

En el combustible para modelismo de aviones y automóviles, el ingrediente principal es generalmente metanol con algo de nitrometano (0 % a 65 %, pero rara vez más del 30 %, y 10 a 20 % de lubricantes (generalmente aceite de ricino o aceite sintético)). Incluso cantidades moderadas de nitrometano tienden a aumentar la potencia creada por el motor (ya que el factor limitante suele ser la entrada de aire), lo que hace que el motor sea más fácil de ajustar (ajustar para obtener la proporción adecuada de aire/combustible).

Propiedades explosivas

No se sabía que el nitrometano fuera un alto explosivo hasta que un vagón cisterna cargado con él explotó el 1 de junio de 1958. Después de muchas pruebas, se descubrió que el nitrometano era un alto explosivo más energético que el TNT, aunque el TNT tiene una mayor velocidad de detonación (VoD) y brillo. Ambos explosivos son pobres en oxígeno y se obtienen algunos beneficios al mezclarlos con un oxidante, como el nitrato de amonio. El nitrometano puro es un explosivo insensible con un VoD de aproximadamente 6400 m/s (21 000 pies/s), pero aun así se pueden usar inhibidores para reducir los peligros. Se especuló que la explosión del carro tanque se debió a la compresión adiabática, un peligro común a todos los explosivos líquidos. Esto es cuando las pequeñas burbujas de aire arrastradas se comprimen y sobrecalientan con rápidos aumentos de presión. Se pensó que un operador cerró rápidamente una válvula creando un "bloqueo de martillo" oleada de presión

Si se mezcla con nitrato de amonio, que se usa como oxidante, forma una mezcla explosiva conocida como ANNM.

El nitrometano se utiliza como explosivo modelo, junto con el TNT. Tiene varias ventajas como explosivo modelo sobre el TNT, a saber, su densidad uniforme y la falta de especies sólidas posteriores a la detonación que complican la determinación de la ecuación de estado y los cálculos posteriores.

El nitrometano reacciona con soluciones de hidróxido o metóxido de sodio en alcohol para producir una sal insoluble de nitrometano. Esta sustancia es un explosivo sensible que se convierte en nitrometano en condiciones ácidas y se descompone en agua para formar otro compuesto explosivo, el metazonato de sodio, que tiene un color marrón rojizo:

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

La reacción del nitrometano con hidróxido de sodio sólido es hipergólica.

Escape de nitrometano

Los gases de escape de un motor de combustión interna cuyo combustible incluye nitrometano contendrán vapor de ácido nítrico, que es corrosivo, y cuando se inhala provoca una reacción muscular que imposibilita la respiración. El residuo a base de ácido nítrico condensado que queda en un modelo de motor alimentado con combustible incandescente después de una sesión de vuelo en modelo también puede corroer sus componentes internos, lo que generalmente exige el uso de una combinación de queroseno para neutralizar el ácido nítrico residual y un " aceite de posoperación" (a menudo la variedad de 'aceite para herramientas neumáticas' de menor viscosidad de un aceite conservante popular) para lubricar y proteger contra tales daños, cuando dicho motor se almacena.

Purificación

El nitrometano es un solvente popular en química orgánica y electroanalítica. Puede purificarse enfriándolo por debajo de su punto de congelación, lavando el sólido con éter dietílico frío, seguido de destilación.

Fuentes citadas

• Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). CRC Prensa. ISBN 978-1439855119.