Новое полимерное соединение азота на основе тетрафторгидразина

Автор: Чекин Сергей Константинович
к.ф.-м.н., МИФИ

Аннотация: Получено новое полимерное соединение азота из тетрафторгидразина при низком давлении (40 тор). N2F4 подвергался воздействию излучения CO2 лазера в режиме свободной генерации (P20) при фокусировке луча в центр газовой кюветы. В результате воздействия лазерного излучения в течение нескольких минут исходный газ (N2F4) полностью исчезал в кювете, а на стенках сосуда появился налет белого порошка, немолекулярного, четырех или пяти валентного, азота.

Abstract: A new polymer nitrogen compound was obtained from tetrafluorohydrazine at low pressure (40 tor). N2F4 was exposed to free-running (P20) CO2 laser radiation while focusing the beam at the center of the gas cell. As a result of exposure to laser radiation for several minutes, the initial gas (N2F4) completely disappeared in the cell, and a coating of white powder, non-molecular, four or five valence nitrogen, appeared on the walls of the vessel.

Ключевые слова: полимерное соединение азота; пятивалентный азот; тетрафторгидразин; новое полимерное соединение; воздействие излучения CO2 лазера
Keywords: polymeric nitrogen compound; pentavalent nitrogen; tetrafluorohydrazine; new polymer compound; exposure to CO2 laser radiation

Отдел кинетики и катализа Института химической физики АН СССР, Москва

УДК 678.746.5

1. Введение

Поиски стабильного полимерного твердого азота привлекают в настоящее время большое внимание в связи с его потенциальным применением в качестве материала с высокой плотностью энергии[1-3]. В данные статье описан эксперимент по получению полимерного азота при низких давлениях (40 торр) из тетрафторгидразина при длительном воздействии сфокусированного излучения CO2 лазера. Ранее [4] автор изучал воздействие лазерного излучения на скорости химических реакций, например О + О3 = 2О2. Одновременно Ораевским с сотрудниками [5] были получены результаты по воздействию в течение нескольких секунд сфокусированного лазерного излучения на N2F4, в которых не было замечено никаких химических изменений в исходным реагенте. В данной статье приведено описание попытки получения полимера азота в похожих на [5] условиях на установке подобной [4].

2. Описание эксперимента

Опыты проводились на установке, схема которой показана на рис 1.

Луч лазерного излучения диаметром 8-9 мм был сфокусирован в центр кюветы диаметром 20мм и длиной 10см с помощью линзы из NaCl с фокусным расстоянием 5см. Интенсивность излучения после прохождения луча лазера через кювету с газом измерялась пьезоэлектрическим датчиком. Датчик представлял собой пьезоэлемент, закопченый на газовой горелке, диаметром 40 мм. Лазерный лучь модулировался механическим прерывателем (вращающийся диск с отверстиями) с частотой около 1000 Гц. Относительный сигнал с пьезоэлемента регистировался на осцилографе. Тетрафторгидразин (N2F4), состава подобного примененному в работах [5], был напущен в кювету до давления порядка 40 тор, что вызывало поглощение излучения порядка 70%. Столь небольшое поглощение объясняется насыщением колебательных переходов связи N-F [6]. Газ в кювете подвергался облучению излучением CO2 лазера в течение нескольких минут. При этом наблюдалось нагревании кюветы до температуры 50-70 градусов по Цельсию. После экспозиции порядка 10-15 минут. поглощение излучения внезапно в течение 4-5 секунд упало до 0% как и давление газа в кювете (рис 2).

При этом на стенках кюветы осел белый твердый порошок. Опыт проводился один единственный раз в мае 1980 года, после чего установка была разобрана в связи с изменением тематики лаборатории и перехода автора на другую работу.

3. Обсуждение результатов

Судя по кинетике превращения N2F4 в реакционной кювете в первые 10-15 минут происходило накопление некого активного агента или параметра. Это привело систему к неустойчивому состоянию, в результате которого все вещество было превращено в активной зоне в немолекулярное состояние. Под активной зоной мы подразумеваем зону, где сфокусирован луч лазера, с повышенной температурой и значительным содержанием радикалов NF2. Значение сечения поглощения радикала NF2 на частоте излучения лазера близко к таковому для N2F4.

Поскольку остаточное давление газа в кювете стало незначительным можно сделать вывод, что весь фтор вошел в состав полученного полимера. Это значит, что на каждый атом азота приходится по два атома фтора. Такой полимер может быть или линейным (Рис 3) с валентностью азота 4-5, или гексагональным, плоскостным с валентностью азота 5 [см. 7, 8]. Просчитано образование ряда линейных и циклических макромолекул тетрафторгидразина в молекулярной механике, соответственно до 12 и 6 составляющих молекул. С геометрией и энергетикой все довольно правдоподобно.[9]

4. Заключение

Полученное высокомолекулярное соединение азота может быть интересно для мировой научной общественности как образец, легко доступный для синтеза в не экстремальных условиях. Кроме того, оно может являться образцом соединения с участием пятивалентного азота. Такой опыт, на мой взгляд, должен быть повторен, в виду интересных и неожиданных свойств полученного продукта реакции.

Библиографический список:

1. M.I. Eremets, A.G. Gavriliuk, I.A. Trojan, D.A. Dzivenko, R. Boehler, Single-bonded cubic form of nitrogen, Nature Materials, 3, 558-563, 2004.
2. Xiaoli Wang, Jianfu Li, Hongyang Zhu, Li Chen, and Haiqing Lin, Polymerization of nitrogen in cesium azide under modest pressure, J. Chem. Phys., 141, 044717, 2014.
3. D. Laniel, G. Geneste, G. Weck, M. Mezouar, and P. Loubeyre, Hexagonal Layered Polymeric Nitrogen Phase Synthesized near 250 GPa, Phisical review letters, 122, 066001, 2019.
4. S.K.Chekin, Yu.M. Gershenson, A.V. Kjnjplyov and V.B.Rozenshtein. Study of the reaction of oxygen atoms with vibrationally excited ozone
molecules, Chemical Phisics Letters, 68(2,3), 386-390, 1979.
5. N. G. Basov, E. P. Markin, A. N. Oraevsky, AV Pankratov, Photochemical effect of infrared radiation, Dokl. USSR Academy of Sciences, 1971, Volume 198, Number 5, 1043-1045.
6. P. Lavigne and J. L. Lachambre, Saturation of N2F4 by a short CO2 laser pulse,
The Journal of Chemical Physics 76, 1735 (1982);
7. Ashwani Vij, William W. Wilson, Vandana Vij, Fook S. Tham, Jeffrey A. Sheehy, and Karl O. Christe. Structure of Surprisingly Stable Fluoroantimonate Salts of N5+, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 6308-6313.
8. Errol G. Lewars, Modeling Marvels, Computational Anticipation of Novel Molecules, 2008 Springer Science+Business Media B.V.
9. Golubev V.K. Private message, 2021.