第31卷第3期 2 O O 8年6月 火炸药学报 Chinese Journal of Explosives&Propellants 25 NTO的比热容、热力学性质及绝热至爆时间 李兆娜 ,马海霞 ,宋纪蓉 ,赵凤起。,徐抗震 ,胡荣祖。 (1.西北大学化工学院/陕西省物理无机化学重点实验室,陕西西安710069; 2.故宫博物院文保科技部,北京100009;3.西安近代化学研究所,陕西西安710065) 摘要:运用Micro—DSC m微热量仪测定NTO的比热容,在283~353K时,比热容随温度呈稳定的线性变化,比热容 。根 与温度的关系式为:C。一0.28O6+2.7103×10 T,298.15K时NTO的标准摩尔比热容为141.53 J・mol ・K据测定的比热容方程,计算出NTO以298.15 K为基础,283~353K温区的热力学函数焓、熵和吉布斯自由能。由比 热容与温度的关系式及NTO的热分解参数得到了NTO绝热至爆时间为1.95~1.99 S。 关键词:物理化学;NTO;比热容;热力学性质;绝热至爆时间 中图分类号:TJ55;0642 文献标志码:A 文章编号:1007 7812(2008)03—0025—04 Specific Heat Capacity,Thermodynamic Properties and Adiabatic Time——to—-Explosion of NTO LI Zhao na MA Hai—xia ,SONG Ji—rong ,ZHAO Feng qi。,XU Kang—zhen ,HU Rong—ZU。 (1.College of Chemical Engineering/Shaanxi Key Laboratory of Physico Inorganic Chemistry,Northwest University, Xi an 710069,China;2.Conservation Technology Department,the Palace Museum,Beijing 100009,China;3.Xi an Modern Chemistry Research Institute,Xi an 710065,China) Abstract:The specific heat capacity of NTO was determined with continuous Cp mode of microcalorimeter (Micro—DSC m).In the determining temperature range from 283 K to 353 K,the special heat capacity of NTO presents good linear relation with temperature,the relationship between the specific heat capacity of NTO and the thermodynamic temperature was C。一0.2806+2.7103×10_。T,the standard mole specific heat capacity of NTO was 141.53 J/mol/K in 298.15 K.Using the determined relationship of Cp with temperature T,thermodynamic functions(enthalpy,entropy and Gibbs free energy)of NTO between 283K and 353K,relative tO the standard temperature 298.15 K,were derived through thermodynamic relationship.Using the relationship between Cpand T and the thermal decomposition parameters,the time of the thermal decomposition from initialization tO thermal explosion(adiabatic time—to explosion)was obtained,which iS between 1.95 S and 1.99 S. Key words:physical chemistry;NTO;specific heat capacity;thermodynamic properties;adiabatic time—tO— explosion 属离子形成配合物,近期关于其配合物的实验和理 引 言 3一硝基一1,2,4-一5一酮(简称NTO),是一种 论研究非常活跃[3。 。 本研究首次运用Micro—DSCⅢ微热量仪测定了 NTO在283~353K时的比热容,拟合出其比热容 与热力学温度的函数关系式,并根据此式,计算了以 298.15K为基准的NTO的热力学函数,进而通过 计算获得在绝热条件下,NTO由开始分解过渡到爆 炸所需要的时间,即绝热至爆时间。 高能低感炸药。密度为1.936g/cm。口 ,能量接近 RDX,感度接近TNT。自2O世纪合成以来,一直备 受关注。由于NTO一的强极性,分子中的羰基氧原 子、硝基氧原子、成环氮原子具有孤对电子,易与金 收稿日期:2008 03 11; 修回日期:2008—05 06 基金项目:国家自然科学基金(20603026)、陕西自然科学基金(2005B15)、国防重点实验室基金(914Oc35O1O1O6Oc35O1) 作者简介:李兆娜(1982一),女,硕士研究生,从事含能材料研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com
26 火炸药学报 第31卷第3期 品 —A1 O。进行比热容标定,称取样品量320.60mg, 1 实 验 1.1试剂与仪器 得到其比热容表达式为:C ===0.1839+1.9966× 10 T(283 K<T<353 K),298.15 K时标准摩尔比 热容c . ( 一Al。O。)一79.44 J・mol ・K,与文献 根据文献 报道的方法制备NTO,重结晶后的 分解点为271.0 ̄274.0 C,纯度为99.6 。 比热容的测定采用(法国SETARAM)Micro— DSC 111微热量仪,实验条件为:在20~80 C,N。保护 的条件下,样品量为418.31mg,以0.15 C/min的升 标准值79.02 J・mol ・K 十分接近_1 ,相对误差 为0.53 ,表明本微量热系统是稳定的、准确可 靠的。 2结果与讨论 2.1 NTO的热容 温速率按照连续比热容的模式分析测定。 绝热至爆时间计算所需参数采用美国TA公司 Q600一SDT型热分析仪测定。样品量约为1 mg,氮气 气氛,气速为100mL/min,采用5、10、15、20 。C/min 按照实验程序进行NTO的连续比热容测定,结 果如图2所示。在所测温度范围内,比热容随温度呈 的升温速率从室温升至400 C。 1.2 实验原理 1.2.1 比热容的测定方法 稳定的线性变化,其比热容方程拟合为: C。一0.2806+2.7103×10一。T (283 K<二丁<二353 K) (3) 按照Micro—DSCⅢ微热量仪的连续比热容测定 模式进行,其原理如图1所示,比热容原理计算方程 如式(1): Cp=A ̄Ab (1) T.rls’ 式中: 为样品比热容,J・g ・K ;A。、A 为样 品、空白池的热流,mw; 。为样品质量,mg; 为 升温速率,K/min。 连续比热容温度方程式由仪器所带处理软件按 式(2)计算得到: 图2 NTO的连续比热容测定结果 Fig.2 Determination results of the continuous C (丁)一∑口( )×T (一3≤i< ≤5) i specific heat capacity of NTO (2) 同时,由热流的微分曲线可知,除了始末位置, 微分曲线呈水平直线,其值接近于0,即在整个测定 过程中热流变化十分稳定,也进一步表明测定仪器 的稳定性与可靠性。尽管本微量热系统所测比热容 的温度范围仅有70K,但其样品用量大(几百毫克至 几克),与其他测定系统相比可以减少误差,提高准 确度,同时得到的是一个稳定的连续方程。NTO在 热分解前没有任何相变和熔化过程,将其扩展,为更 宽的温度范围应用提供基准和帮助。 2.2 NT0的热力学函数 图1连续比热容测定原理图 Fig.1 Schematic diagram of measuring the continuous specific heat capacity 用测得的NTO的比热容方程式,并根据热容与 热力学函数关系式(4)~(6),计算NTO以标准状态 298.15K为基准的热力学函数在283~353K的焓、 1.2.2仪器校正 熵和吉布斯自由能函数值列于表1。 r了1 测定298.15K下光谱纯KC1在去离子水中的 溶解焓,为(17.266±0.074)kJ/mol,与文献值 (17.241±0.O18)kJ/mol十分接近_1引。同时,用标准 H —H2981 5.一l r了1c d丁 厂 (4) J 298 15 S2 98 一l_ d丁 (5) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第31卷第3期 李兆娜,马海霞,宋纪蓉,等:NTO的比热容、热力学性质及绝热至爆时间 27 G GT一 5 一一I CJ 2 98 15 dT—T一 I Jr争d 2 98 1 5 T(6) 2.3 NTO的绝热至爆时间 298.绝热至爆时间是在绝热条件下,含能材料由开 表1 NTO的热力学函数 Table 1 Themodynamic functions of NTO 始分解到爆炸时所需要的时间。通常用放热分解体 系的升温速率(dT/dt)和临界升温速率(dT/dt)Tb 评价含能材料的热安全性。在获得一系列实验数据 的前提下,可以计算求取绝热至爆时间,从而更直观 地表明含能材料的热安全性 。 。其原理如下: Cp(d T)一OAexp(一E/RT)f( ) _厂( )一(1一 ) rT 一(7) (8) J dT (9) 式中:C。比热容;丁为绝对温度; 为绝热至爆时 间;Q为热分热量; 为热分解的反应级数; 为指前因子;E为活化能;R为气体常数; 为 反应深度。 在本实验中: C 一a 4-bT (10) 式中:a、6为比热容温度系数。 由式(7)~(1O)得到绝热至爆时间的表达式为: (a+bT)exp (E /RT)dTr1 、(一 ) ,一 一 d丁一 1 一r QA{1 1[a(丁 。一Too)+ b 2。一丁 。)]) 温度积分的上限T 下限T 由不同升温速率 热分解实验数据 、 、丁 按式(12)确定: 丁(。。 ) 一丁。。。 。J T + o )exp(/E盯) d丁 (11)力学参数如表2所示,指前因子A 一10 。・ S一,E 一 256.8×10。J/mol,To 一535.24K,T。 一539.25K, +6 +c + (12) 分解热Q一△H一708.38J/g,直接将测定的比热容 i==1,~4 方程扩展应用。利用Matlab计算软件里的积分函数 求解得: 。一1.95 S, 1—1.97 S, 2—1.99 S。通常含能 材料的热分解反应级数 为0~2,因此计算结果 1.95~1.99 S是可靠的。 假设NTO的绝热分解反应为0级、1级和2级 反应,由DSC曲线在不同加热速率( ),100mL/min 氮气保护下NTO放热峰的峰温(丁 )计算得到的动 表2 由DSC曲线计算得到的动力学参数 Table 2 Calculated values of the kinetic parameters from the DSC curves Note:卢,heating rate;T。,onset temperature in the DSC curve;Tp,maximum peak temperature;E,apparent activation energy;A,pre—exponential constant;r,linear correlation coefficient;subscript ,data obtained by Kissinger S method. 比热容的一次温度方程,298.15K时NTO的标准 3 结 论 (1)应用Micro—DSCⅢ微热量仪得到了NTO 摩尔比热容为141.53 J・mol ・K一。 (2)用测得的比热容方程计算了以298.15K 为基础的该化合物的热力学函数,并得到了绝热至 维普资讯 http://www.cqvip.com
28 火炸药学报 第31卷第3期 爆时间为1.95~1.99 s。 SONG Ji—rong,MA Hai—xia,SUN Xiao hong,et a1. Preparation,crystal structure and thermodynamical 参考文献 ee K Y,Chapman L B,Coburn M D.A less sens— [1] Iproperties of Na(NTO)(H 2O)[J].Acta Chim Sin, 2001,59(11):1946 1951. itive explosive:3-nitro 1,2,4-triazol 5-one[J]. Energetic Material,1987,5(1):27—33. [1O]MA Hai—xia,SONG Ji—rong.The thermal decompo一 sition mechanism and the theoretical calculation of ication of the maximum entropy me [2] Jackson C J.Appl[Mg(H2O)6](NTO)2・2H2O[J].Chinese Journal of Energetic Material,2004,12(3):158—160,164. thod to microwave fresnel imaging[J].J Amer Soc, 1987,9:335—338. [3] MA Hai—xia,SONG Ji—rong.Non isothermal kinetics of the dehydration reaction of 3-nitro一1,2,4 triazol一5一 one rubidium and cesium complexes[J].J Hazard Mater,2006,128(213):116—121. [4] MA Hai—xia,SONG Ji rong,HU Rong—zu,et a1.No— nisothermal kinetics of the thermal decom—position of 3 nitro 1,2,4-triazol一5 OD.e magnesium complex[J]. Chin J Chem.,2003,21(12):1562—1564. [5] 马海霞,宋纪蓉,董武,等.Li(NTO)(H:O) 的热分 解行为及其结构与性质的理论研究[J].化学学报, 2004,62(12):1139 1143. MA Hai xia,SONG Ji rong,DONG Wu,et a1.Non isothermal kinetics of the thermal decomposition and the relation between the structure and properties of Li (NTO)(H2O) [J].Acta Chim Sin,2004,62(12): 1139 1143. [6] MA Hai—xia,SONG Ji—rong,SUN Xiao—hong,et a1. Preparation,crystal structure and thermodynamic properties of[Mg(H2O)6](NTO)2・2H2O[J]. Thermochim Acta,2002,389:43 47. [7] SONG Ji rong,MA Hai—xia,HUANG Jie,et a1.Cry— stal structure and quantum chemical investigation of [Cd(NTO) Cd(H O)6]・4H2O[J].Scienc in China (Series B),2003,46(3):302-312. [8] SONG Ji—rong,MA Hai xia,HUANG Jie,et a1.Syn— theses,molecular structure and thermodynamic properties of 3 nitro一1,2,4,triazol 5 one europium complex[Eu(NTO)3(H2O)5]H2O[J].J Chin Chem Soc,2005,52:1089—1094. [9] 宋纪蓉,马海霞,孙晓红,等.Na(NTO)(H。O)的制 备、晶体结构及热力学性质研究[J].化学学报,2001, 59(11):1946—1951. [11] SONG Ji rong,NING Bin ke,HU Rong zu,et a1. Preparation, crystal structure and thermal decomposition process of[Y(NTO)2NO3(H2O)5]・ 2H2O[J].Thermochim Acta,2000,352—353:111— 115. [12] Boudakian M M.Fidler D A.Process for low chl— oride 1,2,4-triazol 5 one:US,4927940[P].1990. [13] Marthada V K.The enthalpy of solution of SRM 1655(KC1)in H2OI-J].J Res Natl Bur Stand,1980, 85:467. [14] Ditmars D A,Ishihara S,Chang S S.Enthalpy and heat capacity standard reference material:synthetic sapphire(2-A12O 3)from 10 to 2250K[J].J Res Natl Bur Stand,1982,87:159. [i5] 胡荣祖,张海,夏志明,等.含能材料放热分解反应 体系热爆炸地临界温升速率估算式[J].含能材料, 2003,11(3):13O 133,137. HU Rong zu,ZHANG Hai,XIA Zhi—ming,et a1. Estimation formulae of the critical rate of temperature rise for thermal explosion of exothermic decom— position reaction system of energetic material[J]. Energ Mater,2003,11(3):130 133,137. [16] 王耕,冯长根,郑姣.含能材料热安全性的预测方法 I-J].含能材料,2000,8(3):119-121. WANG Geng,FENG Chang gen,ZHENG Jiao. Prediction of thermal safety of energetic materials[J]. Energ Mater,2000,8(3):119 121. [17] 周霖.爆炸化学基础[M].北京:北京理工大学出版 社,2005. [18] Smith L C.An approximate solution of the adiabatic explosion problem[J].Thermochim Acta,1975,13 (1):1—6.
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