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 disolvente en una variedad de aplicaciones industriales, como en extracciones, como medio de reacción y como disolvente de limpieza. Como intermedio en la síntesis orgánica , se utiliza ampliamente en la fabricación de pesticidas, explosivos, fibras y recubrimientos. [12] El nitrometano se utiliza como aditivo de combustible en varios deportes de motor y pasatiempos, por ejemplo, carreras de aceleración Top Fuel y motores de combustión interna en miniatura en radiocontrol , línea de control y modelos de aviones de vuelo libre .
El nitrometano se produce industrialmente combinando 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 CH 3 CH 2 CH 2 O, que surgen por homólisis del éster de nitrito correspondiente . Estos radicales alcoxi son susceptibles a reacciones de fragmentación C—C, lo que explica la formación de una mezcla de productos. [12]
Se puede preparar por otros métodos que tienen valor didáctico. La reacción del cloroacetato de sodio con nitrito de sodio en solución acuosa produce este compuesto: [13]
El uso predominante del nitrometano es como reactivo precursor. Un derivado importante es la cloropicrina ( CCl3NO2 ), un pesticida ampliamente utilizado. Se condensa con formaldehído ( reacción de Henry ) para finalmente dar tris (hidroximetil)aminometano ("tris"), un tampón ampliamente utilizado e ingrediente en resinas alquídicas . [12]
La principal aplicación es como estabilizador en disolventes clorados. Como disolvente orgánico, el nitrometano tiene una combinación inusual de propiedades: altamente polar (ε r = 36 a 20 °C y μ = 3,5 Debye) pero aprótico y débilmente básico. Esta combinación lo hace útil para disolver especies fuertemente electrofílicas y con carga positiva. Es un disolvente para monómeros de acrilato , como los cianoacrilatos (más comúnmente conocidos como "superpegamentos"). [12]
Aunque su aplicación es menor en términos de volumen, [12] el nitrometano también se utiliza como combustible o aditivo de combustible para deportes y pasatiempos. En algunas aplicaciones, se mezcla con metanol en autos de carrera, botes y motores de modelos a escala.
El nitrometano se utiliza como combustible en las carreras de coches, en particular en las de aceleración , así como en lanchas motoras, coches , aviones y helicópteros a control remoto . En este contexto, el nitrometano se conoce comúnmente como "combustible nitro" o simplemente "nitro", y es el ingrediente principal del combustible utilizado en la categoría " Top Fuel " de las carreras de aceleración. [14]
El contenido de oxígeno del nitrometano le permite arder con mucho menos oxígeno atmosférico que los combustibles convencionales. [15] Durante la combustión del nitrometano, el óxido nítrico (NO) es uno de los principales productos de emisión junto con el CO2 y el H2O . [ 16] El óxido nítrico contribuye a la contaminación del aire, la lluvia ácida y el agotamiento de la capa de ozono. Estudios recientes (2020) [17] sugieren que la ecuación estequiométrica correcta para la combustión del nitrometano es:
La cantidad de aire necesaria para quemar 1 kg (2,2 lb) de gasolina es de 14,7 kg (32 lb), pero sólo se necesitan 1,7 kg (3,7 lb) de aire para quemar 1 kg de nitrometano. Dado que el cilindro de un motor sólo puede contener una cantidad limitada de aire en cada carrera, se puede quemar 8,6 veces más nitrometano que gasolina en una carrera. Sin embargo, el nitrometano tiene una energía específica menor: la gasolina proporciona alrededor de 42–44 MJ /kg, mientras que el nitrometano proporciona sólo 11,3 MJ/kg. [ cita requerida ] Este análisis indica que el nitrometano genera alrededor de 2,3 veces la potencia de la gasolina cuando se combina con una cantidad determinada de oxígeno. [ cita requerida ]
El nitrometano también se puede utilizar como monopropelente , es decir, un propelente que se descompone para liberar energía sin oxígeno añadido. Luigi Crocco de la Sociedad Italiana de Cohetes lo probó por primera vez como monopropelente para cohetes en la década de 1930. [18] [19] Existe un renovado interés en el nitrometano como reemplazo más seguro del monopropelente de hidracina . [20] La siguiente ecuación describe este proceso:
El nitrometano tiene una velocidad de combustión laminar de aproximadamente 0,5 m/s, algo superior a la de la gasolina, lo que lo hace adecuado para motores de alta velocidad. También tiene una temperatura de llama algo más alta , de unos 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 (aproximadamente el doble que el del metanol), lo que da como resultado temperaturas razonablemente bajas. [ cita requerida ]
El nitrometano se utiliza habitualmente con mezclas ricas de aire y combustible porque proporciona potencia 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 la combustión. Estos gases suelen encenderse, a veces de forma espectacular, cuando las mezclas normalmente muy ricas del combustible que aún se quema salen por los puertos de escape. Las mezclas muy ricas son necesarias para reducir la temperatura de las partes calientes de la cámara de combustión a fin de controlar la preignición y la posterior detonación. Los detalles operativos dependen de la mezcla particular y de las características del motor. [ cita requerida ]
Una pequeña cantidad de hidracina mezclada con nitrometano puede aumentar aún más la potencia de salida. Con el nitrometano, la hidracina forma una sal explosiva que es a su vez un monopropelente. Esta mezcla inestable plantea un grave riesgo de seguridad. La Asociación Nacional de Hot Rod y la Academia de Aeromodelismo no permiten su uso en competiciones. [21]
En el combustible para aeromodelismo y automóviles , el ingrediente principal es generalmente metanol con algo de nitrometano (entre un 0 % y un 65 %, pero rara vez más del 30 %, y entre un 10 % y un 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 relación aire/combustible adecuada).
Anteriormente se utilizaba en la industria de explosivos como componente en una formulación explosiva binaria con nitrato de amonio y en cargas moldeadas, y se utilizaba como estabilizador químico para evitar la descomposición de varios hidrocarburos halogenados. [22]
Se puede utilizar como explosivo cuando se gelifica con un cierto porcentaje de agente gelificante. Este tipo de mezcla se denomina PLX . Otras mezclas incluyen ANNM y ANNMAl: mezclas explosivas de nitrato de amonio, nitrometano y polvo de aluminio.
El nitrometano es un ácido carbónico relativamente ácido . Tiene un pKa de 17,2 en solución de DMSO . Este valor indica un pKa acuoso de aproximadamente 11. [23] Es tan ácido porque el anión admite una estructura de resonancia alternativa y estabilizadora:
El ácido se desprotona lentamente. La protonación de la base conjugada O 2 NCH 2 − , que es casi isostérica con el nitrato , ocurre inicialmente en el oxígeno. [24]
En síntesis orgánica, el nitrometano se emplea como un bloque de construcción de un carbono . [25] [26] 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 agrega a los aldehídos en la adición 1,2 en la reacción del nitroaldol . Algunos derivados importantes incluyen los pesticidas cloropicrina (Cl 3 CNO 2 ), beta-nitrostireno y tris(hidroximetil)nitrometano, ((HOCH 2 ) 3 CNO 2 ). La reducción de este último da tris(hidroximetil)aminometano, (HOCH 2 ) 3 CNH 2 , mejor conocido como tris , un tampón ampliamente utilizado . En síntesis orgánica más especializada , el nitrometano sirve como donante de Michael, agregando a compuestos carbonílicos α,β-insaturados a través de la adición 1,4 en la reacción de Michael .
El nitrometano es un disolvente popular en química orgánica y electroanalítica. Se puede purificar enfriándolo por debajo de su punto de congelación, lavando el sólido con éter dietílico frío y luego destilándolo. [27]
El nitrometano tiene una toxicidad aguda moderada. La DL50 (oral, ratas) es de 1210 ± 322 mg/kg. [12]
Según un informe del gobierno de Estados Unidos, se prevé razonablemente que el nitrometano sea un carcinógeno humano. [28]
No se sabía que el nitrometano fuera un explosivo de alta potencia hasta que un vagón cisterna cargado con él explotó el 1 de junio de 1958. [ 29] Después de muchas pruebas [ cita requerida ] , se descubrió que el nitrometano era un explosivo de alta potencia más energético que el TNT [ cita requerida ] , aunque el TNT tiene una mayor velocidad de detonación (VoD) y brisance [ cita requerida ] . 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 una VoD de aproximadamente 6400 m/s (21 000 ft/s), pero aun así se pueden usar inhibidores para reducir los peligros. Se especuló [ cita requerida ] que la explosión del vagón cisterna se debió a la compresión adiabática , un peligro común a todos los explosivos líquidos. Esto es cuando pequeñas burbujas de aire arrastradas se comprimen y sobrecalientan con rápidos aumentos de presión. Se cree que un operador cerró rápidamente una válvula creando un aumento repentino de presión con efecto " martillo de bloqueo ". [ cita requerida ]
Si se mezcla con nitrato de amonio , que se utiliza 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 ausencia 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 transforma 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:
La reacción del nitrometano con hidróxido de sodio sólido es hipergólica .
{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de abril de 2024 ( enlace )