Πενταβοράνιο(9)

Πενταβοράνιο(9)
Γενικά
Όνομα IUPAC	Πενταβοράνιο(9)
Άλλες ονομασίες	Εννεαϋδριδοπενταβόριο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	B5H9
Μοριακή μάζα	63,12 amu
Αριθμός CAS	19624-22-7
SMILES	[H]1[BH]2[H][BH]3[BH]24[BH]1[H][BH]4[H]3
InChI	1S/B5H9/c6-1-5-2(6)8-4(5)9-3(5)7-1/h1-5H
Αριθμός EINECS	243-194-4
ChemSpider ID	24765156
Δομή
Διπολική ροπή	0 D
Ισομέρεια
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−46,8 °C
Σημείο βρασμού	60,1 °C
Πυκνότητα	618 kg/m³
Διαλυτότητα στο νερό	Υδρολύεται
Τάση ατμών	171 mmHg
Εμφάνιση	Άχρωμο υγρό
Χημικές ιδιότητες
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	30 °C
Επικινδυνότητα
LD50	< 50 mg/kg
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 4 4
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Το πενταβοράνιο(9) [ αγγλικά pentaborane(9)] είναι ανόργανη δυαδική ένωση με μοριακό τύπο B₅H₉. Ο αριθμός 9 στην κατάληξη χρησιμεύει για τη διάκριση της ένωσης από το πενταβοράνιο(11) (B₅H₁₁). Είναι πολύ δραστική χημική ένωση. Αξιολογείται ερευνητικά ως καύσιμο πυραύλων ή και αεριωθούμενων. Όπως και άλλα από τα σχετικά μικρότερα βοράνια είναι άχρωμο διαμαγνητικό και πτητικό.

Δομή

Το βασικό στοιχείο της μοριακής γεωμετρίας της δομής της ένωσης αποτελείται από μια (νοητή) τετραγωνική πυραμίδα που σχηματίζουν τα πέντε (5) άτομα βορίου. Κάθε άτομο βορίου συνδέεται με ένα «τερματικό» άτομο υδρογόνου και τα τέσσερα (4) υπόλοιπα άτομα υδρογόνου διατάσσονται στη βάση της (νοητής) πυραμίδας. Η ένωση ταξινομείται στα νιντοβοράνια (nido) με «κλουβιά».

Παραγωγή

Πρωτοπαρασκευάστηκε από τον Άλφρεντ Στοκ (Alfred Stock) με πυρόλυση διβορανίου(6) (B₂H₆) περί τους 200 °C:

$\mathrm {5B_{2}H_{6}{\xrightarrow {200^{o}C}}2B_{5}H_{9}+6H_{2}}$

Μια βελτιωμένη μέθοδος σύνθεσης της ένωσης αρχίζει από τριβορανιούχα(8) άλατα (B₃H₈^-, που μετατρέπονται σε βρωμοτριβοριούχα(8) (B₃H₇Br^-), χρησιμοποιώντας υδροβρώμιο (HBr). Πυρόλυση των βρωμοτριβοριούχων(8) αλάτων δίνει πενταβοράνιο(9):

$\mathrm {5B_{3}H_{7}Br^{-}{\xrightarrow {\triangle }}3B_{5}H_{9}+5Br^{-}+4H_{2}}$

Ιδιότητες

Πάνω από τους 150 °C διασπάται, συμπαράγοντας υδρογόνο. Επομένως, όταν αυτό συμβαίνει σε κλειστό δοχείο αναπτύσσεται επακόλουθα απότομη αύξηση της πίεσης, η οποία μπορεί να αποδειχθεί επικίνδυνη. Είναι σταθερότερο παρουσία νερού, παρά παρουσία διβορανίου(6). Είναι ευδιάλυτο σε υδρογονάνθρακες όπως το βενζόλιο και το κυκλοεξάνιο, καθώς και σε γράσα που συμπεριλαμβάνουν αυτά που χρησιμοποιούνται σε εργαστηριακό περιβάλλον. Αν αποθηκευθεί, διασπάται ελάχιστα, αποδίδοντας μικρή ποσότητα υδρογόνου και στερεό υπόλειμμα.

Η χημεία του πενταβορανίου(9) είναι εκτενής. Η αλογόνωσή (X₂) του δίνει συμμετρικά παράγωγα τύπου B₅H₈X, που μπορούν να ισομεριστούν για να τοποθετήσουν το άτομο αλογόνου στη βάση της νοητής τετραγωνικής πυραμίδας που σχηματίζουν τα πέντε (5) άτομα βορίου της ένωσης. Ισχυρές βάσεις όπως τα αλκυλολίθια (RLi) μπορούν να αποπρωτονιώσουν το πενταβοράνιο(9), σχηματίζοντας αντίστοιχα άλατα λιθίου, τα οποία αντιδρούν, με τη σειρά τους, με διάφορες ηλεκτρονιόφιλες ουσίες, δίνοντας υποκατεστημένα παράγωγα. Το πενταβοράνιο(9) είναι όξινο κατά Λιούις, σχηματίζοντας διπλά σύμπλοκα με δύο (2) ισοδύναμα τριμεθυλοφωσφίνης (Me₃P). Το πενταβοράνιο(9) χρησιμοποιήθηκε για τη σύνθεση άλλων βορανίων.

Ιστορία της εφαρμογής του ως καύσιμο

Το πενταβοράνιο(9) αξιολογήθηκε από τις υπηρεσίες ενόπλων δυνάμεων τόσο των ΗΠΑ όσο και της Ρωσίας ως «εξωτικό καύσιμο». Επειδή όταν καίγονται οι απλές βοριούχες ενώσεις δίνουν μια χαρακτηριστική πράσινη φλόγα, το παρατσούκλι του καυσίμου αυτού για τη βιομηχανία των ΗΠΑ ήταν «πράσινος δράκος» ("green dragon"). Σε όρους θερμότητας καύσης, το πενταβοράνιο(9) ξεπερνά τις αντίστοιχες, ως προς την αλυσοποίηση των ατόμων του ιδίου στοιχείου, ανθρακούχες ενώσεις, επειδή το βόριο έχει μικρότερη ατομική μάζα από τον άνθρακα, αλλά και επειδή κάποια βοράνια περιέχουν περισσότερα άτομα υδρογόνου ανά μόριο σε σύγκριση με τις αντίστοιχες ανθρακούχες ενώσεις. Επίσης, λαμβάνεται υπόψη η μεγαλύτερη ευκολία διάσπασης των χημικών δεσμών στα βοράνια σε σύγκριση με τους αντίστοιχους υδρογονάνθρακες.

Το ενδιαφέρον γι' αυτήν την ουσία άρχισε από την πιθανή χρησιμοποίησή του ως καύσιμο για υψηλής ταχύτητας αεριωθούμενα αεροσκάφη (όπως τα μαχητικά). Σε προωθητικά μείγματα θα μπορούσε να παράγει μεγαλύτερη σχετική ώθηση για πυραυλοκινητήρες. Ως οξειδωτικό για τέτοια μείγματα προτάθηκε το διφθοριούχο οξυγόνο (OF₂). Κατά τα πρώτα χρόνια του διαστημικού και γενικότερα πυραυλικού ανταγωνισμού των υπερδυνάμεων κατά το χρονικό διάστημα του Ψυχρού Πολέμου, οι Αμερικανοί πυραυλικοί μηχανικοί νόμιζαν ότι θα μπορούσαν να παραγάγουν πυραύλους οικονομικότερα και να ξεπεράσουν τους Σοβιετικούς χρησιμοποιώντας έναν ήδη υπάρχοντα πρώτο όροφο και τοποθετώντας στον τελευταίο όροφο έναν πυραυλοκινητήρα με πολύ υψηλή ειδική ώθηση. Έτσι, στα προγράμματά τους άρχισαν να ερευνούν το πενταβοράνιο(9) ως τέτοιο καύσιμο.

Το πενταβοράνιο(9) θεωρήθηκε για χρήση από τη North American Aviation όταν το XB-70 Valkyrie βρίσκονταν στο στάδιο του σχεδιασμού του, αλλά τελικά προτιμήθηκε το αεροσκάφος να χρησιμοποιήσει υδρογονάνθρακα ως καύσιμο. Το πενταβοράνιο(9) ερευνήθηκε να χρησιμοποιηθεί ως διπροωθητικό καύσιμο μαζί με το τετροξείδιο του αζώτου (N₂O₄). Στην ΕΣΣΔ, από την άλλη, ο Valentin Glushko χρησιμοποίησε πενταβοράνιο(9) στον πειραματικό πυραυλοκινητήρα RD-270M, που ήταν υπό εξέλιξη κατά τη χρονική περίοδο 1962 - 1970.

Άλλα βοράνια που αξιολογήθηκαν ως καύσιμα συμπεριλαμβάνουν το προπυλοπενταβοράνιο(9) (C₃H₇B₅H₈), BEF-2) και το αιθυλοδεκαβοράνιο(14) (C₂H₅B₁₀H₁₃, REF-3). Το διβοράνιο(6), το δεκαβοράνιο(14) και διάφορα παράγωγά τους επίσης ερευνήθηκαν.

Τα κυριότερα προβλήματα με αυτά τα καύσιμα συμπεριλαμβάνουν την υψηλή τους τοξικότητα και την χαρακτηριστική διεισδυτικότητα μέσα στη φλόγα τους όταν έρχονται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Επιπλέον, τα καυσαέριά τους είναι επίσης πολύ τοξικά για να χρησιμοποιηθούν τέτοια καύσιμα σε αεριωθούμενα. Πολύ μετά αφού το πενταβοράνιο(9) θεωρήθηκε μη λειτουργικό καύσιμο, το συνολικό απόθεμα των ΗΠΑ σε αυτό το καύσιμο, περίπου 860 χιλιόγραμμα, καταστράφηκαν τελικά το έτος 2000, όταν θεωρήθηκε επαρκώς ασφαλές μηχανικά και οικονομικά να πραγματοποιηθεί τελικά η καταστροφή του. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την «ασφαλή» καταστροφή αυτών των αποθεμάτων ήταν να υδρολυθούν με ατμό, αποδίδοντας υδρογόνο και υδατικό διάλυμα βορικού οξέος (H₃BO₃). Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε είχε το παρατσούκλι «Σφαγέας Δράκου» ("Dragon Slayer").

Ασφάλεια

Πάνω από τους 30 °C οι ατμοί του μπορούν να σχηματίζουν εκρηκτικά μείγματα με τον αέρα. Οι ατμοί του πενταβοράνιου(9) είναι βαρύτεροι από τον αέρα. Είναι πυροφορικό, δηλαδή μπορεί να αναφλεγεί αυθόρμητα με την επαφή του με τον αέρα, χωρίς να χρειάζεται θερμότητα, φλόγα ή σπινθήρα για αυτήν την ανάφλεξη. Μπορεί επίσης να σχηματίσει παράγωγες εκρηκτικές ενώσεις που αναφλέγονται με την κρούση. Επίσης, αντιδρά βίαια με ορισμένα πυροσβεστικά μέσα, όπως κάποια από τα πιο αξιοσημείωτα, οι αλογονάνθρακες (όπως ο τετραχλωράνθρακας, CCl₄) και το νερό. Η τοξικότητά του είναι πολύ υψηλή και κάποια από τα συμπτώματα θυμάτων χαμηλού επιπέδου έκθεσης σε αυτό μπορεί να εμφανισθούν με καθυστέρηση 48 ωρών. Η οξεία δηλητηρίαση από πενταβοράνιο(9) είναι συγκρίσιμη με την αντίστοιχη από κάποιες τοξίνες νεύρων.

Τα όριο επαγγελματικής έκθεσης σε πενταβοράνιο(9) που τέθηκαν από τη διοίκηση επαγγελματικής ασφάλειας και υγιεινής (Occupational Safety and Health Administration) και το Εθνικό Ίδρυμα για την επαγγελματική ασφάλεια και υγιεινή (National Institute for Occupational Safety and Health) των ΗΠΑ ανέρχονται σε 5 ppb (10 μg/m³), για πάνω από 8ωρη μέση έκθεση, ενώ το όριο για τη βραχυπρόθεσμη έκθεση ανέρχεται σε 15 ppb (3 μg/m³). Η οξεία δηλητηρίαση από πενταβοράνιο(9) θεωρείται ότι είναι άμεσα επικίνδυνη για τη ζωή και την υγεία, με σχετικό όριο που έχει τεθεί στο 1 ppm.