Главная | Двигатели => МА-40 => Топлива
Натрия нитрат NaNO3 - главный окислитель моих топлив
Введение Получение

Почему нитрат натрия? В начало

Нитрат натрия является основным окислителем моих топлив, просто так получилось. Всё дело в том, что всё это очень опасно и даже, чтобы не было малолетних пиротехников, все нитраты потихоньку исчезли из магазинов. Сейчас с большим трудом удаётся достать самый «фиговый» из них – нитрат аммония. Нитрат калия вообще я никогда и нигде не видел в продаже! Зато недавно нашёл продающийся нитрат кальция. Но факт в том, что самый популярный нитрат калия намертво отсутствовал в продаже. Но есть ещё фирмы, которые торгуют различной химией, но меня реально бесит, когда начинают докапываться. «А зачем вам это надо?» «А для чего вам понадобилось это вещество?» Но обычно сразу отказывают потому, что не работают с частными лицами. Есть пара вариантов, но оба опт от 50кг, куда мне это девать в квартире?

В итоге все необходимые нитраты мне пришлось получать самому, и проще всего было сделать нитрат натрия, чем нитрат калия, поэтому и нитрат натрия. А сколько было реакций по получению нитрата калия проведено. И из сульфата калия с аммиачной селитрой и гашёной известью, но больно муторный процесс очистки от осадка. И обменная реакция между аммиачной селитрой и хлористым калием, но и хлористый калий оказался большой редкостью, да и выход маленький, плюс сложно! И даже реакция хлористого калия с расплавом аммиачной селитры, но больно кипящий слой большой, да и опасно.

Нитрат кальция удавалось получить даже из мела, вываривая его в кипящем растворе аммиачной селитры или в реакции с гашёной известью или цементом. Но с этим компонентом много сложности из-за его сумасшедшей гигроскопичности.

Нитрат натрия оказался очень прост в получении. Первый раз был получен весной в 1998г путём смешения на сухую «Крота» (едкого натра) и аммиачной селитры NaOH + NH4NO3 → NaNO3 + H2O + NH3↑. Потом от этой реакции пришлось отказаться, так как потихоньку в «Крот» стали подсыпать всё больше и больше хлорида натрия. Короче, стали делать один балласт, недавно купил – вообще одна поваренная соль, щёлочи даже и не видно почти! Но ещё в том же 1998г придумал использовать вместо щёлочи карбонаты натрия, так как карбонаты аммония неустойчивы при нагревании и от них постепенно ничего не останется.

NaHCO3 + NH4NO3 → NaNO3 + H2O + CO2↑ + NH3

Na2CO3 + 2NH4NO3 → 2NaNO3 + H2O + CO2↑ + 2NH3

Поначалу стал экспериментировать с кальцинированной содой. Делал пробы на полноту проведённой реакции и понял, что не пойми чего получается с соотношением компонентов, то соды много, то мало. Оказалось, что производство кальцинированной соды – это вездесущая халтура. Содержание карбоната натрия в кальцинированной соде далеко не 100% из-за обжига гидрокарбоната натрия, который ведётся как попало и далеко не до конца. Обжигать до конца самому мне как то не охота было, поэтому решил использовать пищевую соду. Она, как пищевая, очень чистая, да и по технологии промышленного процесса такая получается в осадке, без примесей, да ещё специальную очистку проходит. Дороже, зато гарантированное качество продукта. Ещё нитрат натрия я умудрялся получать из обыкновенного канцелярского клея, выделяя при этом ещё и силикагель. При смешении растворов этого клея и нитрата аммония получались оксид кремния и раствор аммиака с нитратом натрия.

В принципе нитрат натрия аналог нитрату калия, но составы на его основе в атмосфере горят почти в десять раз медленней из-за высокой энергии активации. Радиусы атомов натрия меньше, чем у калия, поэтому и энергия связи в молекулах больше. Ещё нитрат натрия более гигроскопичен по сравнению с нитратом калия. Но зато нитрат натрия более выгодный окислитель в топливах, чем нитрат калия по теплоте, плотности, да и по деньгам тоже.

Так, весной в 1999г я стал использовать в своих двигателях порошковые пороховые составы на нитрате натрия. Калибры их тогда составляли всего 3мм, 5мм, 7мм и 10мм. Самостоятельное выделение полного топливного состава вместо потрошения готовых составов из спичек и петард, дало возможность значительно увеличить расход горючего в двигателях и повысить калибр до 10мм. Да, самостоятельное развитие в полной информационной изоляции давалось непросто. В принципе, нитрат натрия решал массовую проблему топлива, но не решал проблему малого расхода. Его составы в торцевой схеме горения не давали нужного расхода. Относительно быстро было придумано решение о переходе на коническую схему горения с быстрогорящим ведущим составом внутри небольшого канала. Это позволяло найти компромисс между готовыми составами и составами собственного приготовления. Ведущие составы делались из готовых, например спичечных. Основной объём камеры заполнялся собственным составом. Но эта идея долго не прожила, так как, сделав первую расчётную модель корпуса на прочность. Выяснилось, что корпус слишком толстый, а давление слишком маленькое. Причина разрушения двигателей была банально проста – топливо порошок. Непрочность прессованного порошка показывала чудеса пиротехники, даже при использовании заводского охотничьего пороха. Поэтому летом 1999г было решено склеить частицы нитрата натрия каким-нибудь горючим веществом. Тогда я уже узнал о существовании смесевых топлив на полимерных связках, но ничегошеньки не знал про карамельные составы. Просто случайно на полке завалялся мешок с сорбитом и попал, как и многие другие органические вещества, на испытание в качестве связки. В результате выбор пал на сорбит и сахар. В конце 1999г был сделан первый смесевой состав на нитрате натрия NaNO3(60%)+Сорбит(35%)+Сахар(5%). На тот момент проектировались и испытывались двигатели калибра 20мм конусно-торцевого горения и довольно успешно. Но покоя не давала идея создания двигателя с канальным горением, которые уже значительно могли быть увеличены в габаритах вплоть до предельных размеров. Всё это только сильнее обосновывало выбор в сторону нитрата натрия, как относительно дешёвого и легкодоступного для большого получения окислителя. В 2000г была полностью отработана и утверждена технология получения нитрата натрия из нитрата аммония и пищевой соды. Потом уже шло простое наращивание мощности используемого оборудования для получения этого продукта. На данный момент за одну реакцию получается свыше 4кг нитрата натрия.

Влажный нитрат натрия после отстаивания и упаривания
Рисунок 1 - Влажный нитрат натрия после отстаивания и упаривания
Куски нитрата натрия крупным планом
Рисунок 2 - Куски нитрата натрия крупным планом
Высушенный нитрат натрия, готовый к взвешиванию и измельчению
Рисунок 3 - Высушенный нитрат натрия, готовый к взвешиванию и измельчению

Приготовление или получение В начало

Расчёт исходных компонентов для реакции:

Обычно, довольно чистый нитрат аммония марки В имеет не менее 34,4% азота – это взято за основу учёта примесей входящих в него.

%N(в чистом NH4NO3) = n(N)*M(N)*100% / M(NH4NO3) = 2*14,0067*100%/80,04348 = 34,998%;

%Примесей = 100%*(%N(в чистом NH4NO3) – %N(NH4NO3 марки В)) / %N(в чистом NH4NO3) = 100 * (34,998 – 34,4) / 34,998 = 1,7%.

Полученная цифра содержания примесей в 1,7% очень хорошо согласуется с опытными наблюдениями для большинства типов закупленной аммиачной селитры. Потому можно ориентироваться на диапазон примесей от 1% до 2%.

Исходя из логики собственной чистоты пищевой соды до 1%, можно считать, что по 1% эквивалентно сокращается учёт примесей для обоих исходных компонентов реакции и достаточно лишь взять аммиачной селитры на 1% меньше, чем пищевой соды.

m(NH4NO3) = (100% – 1%)/100 * 2000 = 1980г;

m(NaHCO3) = M(NaHCO3)*m(NH4NO3)/M(NH4NO3) = 84,00712 *1980/80,04348 = 2078г;

Итого на 2кг нитрата аммония:

m(NH4NO3) = 2000±1г

m(NaHCO3) = 2078±1г.

Таким образом можно получить нитрат натрия с точностью до ±0,5%.

После основной реакции получения проводится отстаивание нерастворимых примесей, для этого к упаренному нитрату натрия добавляется вода до полного растворения при комнатной температуре. Раствор отстаивается за сутки и более. Чистый раствор сливается и упаривается окончательно, а осадок, по мере накопления, промывается, его раствор также сливается и упаривается. Осадок выбрасывается. Сама реакция проводится в растворе воды при кипячении, где на 2кг нитрата аммония берётся 1л воды. Практика показала, что это наиболее удобное количество воды для проведения реакции. Степень заполнения реакционной ёмкости с учётом кипящего слоя не более ½ по объёму.

Реакцию необходимо проводить под вытяжкой или на улице во избежание отравления аммиаком! Тем, кто никогда не имел дела с практической химией, настоятельно рекомендую поискать нитрат натрия в продаже.

Физиологическое действие аммиака

По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Аммиак обладает как местным, так и резорбтивным действием. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. При соприкосновении сжиженного аммиака и его растворов с кожей возникает жжение, возможен химический ожог с пузырями, изъязвлениями. Кроме того, сжиженный аммиак при испарении поглощает тепло, и при соприкосновении с кожей возникает обморожение различной степени. Запах аммиака ощущается при концентрации 37 мг/м³. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственного помещения составляет 20 мг/м³. Следовательно, если чувствуется запах аммиака, то работать без средств защиты уже опасно. Раздражение зева проявляется при содержании аммиака в воздухе 280 мг/м³, глаз — 490 мг/м³. При действии в очень высоких концентрациях аммиак вызывает поражение кожи: 7-14 г/м³ — эритематозный, 21 г/м³ и более — буллёзный дерматит. Токсический отёк лёгких развивается при воздействии аммиака в течение часа с концентрацией 1,5 г/м³. Кратковременное воздействие аммиака в концентрации 3,5 г/м³ и более быстро приводит к развитию общетоксических эффектов. Предельно допустимая концентрация аммиака в атмосферном воздухе населённых пунктов равна: среднесуточная 0,04 мг/м³; максимальная разовая 0,2 мг/м³.

В мире максимальная концентрация аммиака в атмосфере (больше 1 миллиграмма на кв. метр) наблюдается на Индо-Гангской равнине, в Центральной долине США и в Южно-Казахстанской области.

SashaMaks © 20.02.2012
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016