Ідентифікація кластерної будови вуглеводнів за температурами плавлення

Трегубов Дмитро Георгійович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-1821-822X

Тарахно Олена Віталіївна

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0001-9385-9874

Соколов Дмитро Львович

Національний університет цивільного захисту України

https://orcid.org/0000-0002-7772-6577

Трегубова Флора Дмитрівна

Національний університет цивільного захисту України

https://orcid.org/0000-0003-2497-7396

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2021-34-7

Ключові слова: кластер, будова речовини, температура плавлення, масова швидкість вигоряння, осциляцій-ність, вуглеводні, розрахунок

Анотація

Проаналізовано наявність коливальних змін властивостей речовини у гомологічних рядах вуглеводнів, зокрема для температури плавлення. Наведено методику прогнозування масової швидкості вигоряння спиртів та алканів нормальної будови на підставі значень температур плавлення для врахування осциляційності. Доведено, що тенденція до зростання температур плавлення в залежності від кількості атомів карбону у молекулі для обраних гомологічних рядів вуглеводнів (алкани, алкени, алкіни, циклоалкани нормальної будови) має певну осциляційність за принципом «парних-непарних» молекул або ступінчастість з різним відхиленням від лінійності. Показано, що подібність вказаної залежності між гомологічними рядами виникає, якщо алкени та алкіни розглядати, як більш короткі молекули, ніж відповідні алкани, а циклоалкани – як більш довгі. Прийнято у якості робочої гіпотези, що це пояснюється наявністю найменшої структурної одиниці речовини у вигляді кластерів з певним координаційним числом. Осциляційність властивостей речовини пояснено тим, що кластерізація може відбуватись як по місцю кінцевого карбону у молекулі, так і за іншими карбонами у ланцюзі молекули, причому цей факт залежить від «парності-непарності». На підставі відомих значень температур плавлення у гомологічних рядах запропоновано можливу будову кластерів. Показано, що отримані значення еквівалентних довжин для означених кластерів корелюють з відповідними температурами плавлення. Вказану кореляцію описано поліномом третього ступеня, що дає коефіцієнт апроксимації 0,995 та середнє від-хилення 7,1 К. Розроблено апроксимаційну формулу для розрахунку температури плавлення вказаних класів вуглеводнів на підставі значень еквівалентної молекулярної маси та довжини кластеру. Даний розрахунок характеризується коефіцієнтом апроксимації 0,997 та середнім відхиленням 4,2 К. Акцентовано увагу на можливості покращення збіжності розрахунку з властивостями речовини за умови уточнення будови кластерів.

Посилання

1. Boronski, J., Seed, J. et al. (2021). A crystalline tri-thorium cluster with σ-aromatic metal–metal bonding. Nature, 598, 72–75. doi: 10.1038/s41586-021-03888-3
2. Gun’ko, V., Nasiri, R. Sazhin, S. (2014). A study of the evaporation and condensation of n-alkane clusters and nanodroplets using quantum chemical methods // Scientific Reports. Fluid Phase Equilibria, 366, 99–107. doi: 10.1016/j.fluid.2014.01.010
3. Toikka, A. M., Toikka, M. A., Pisarenko, Y. A. Serafimov, L. A. (2009). Vapor-liquid equilibria in systems with esterification reaction. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 43, 2, 129–142. doi: 10.1134/S004057950902002X
4. Doroshenko, I. Yu. (2017). Spectroscopic study of cluster structure of n-hexanol trapped in an argon matrix. LTPh, 43, 6, 919–926. doi: 10.1063/1.4985983
5. Alonso, J. A. (2011). Structure and Properties of Atomic Nanoclusters. Imperial College Press. 492. doi: 10.1142/p383
6. Litinskii, G. B. (2008). Statistical thermodynamics of mixtures of polar liquids in the model of hindered rotation of molecules. JPhCh, 82, 9, 1475–1479. doi: 10.1134/S0036024408090124
7. Shykov, A. A., Garkushin, I. K. et al. (2010). Analytical and graphic interrelation of n-alkanes melting and boiling temperatures. BChJ, 17, 2, 50–53. Retrieved from https://af.booksc.org/book/36331769/056265
8. Hao, P., Dong, Z. et al. (2018). n-Alkanes phase change materials and their microencapsulation for thermal energy storage. Energy Fuels, 32, 7262−7293. doi: 10.1021/acs.energyfuels.8b01347
9. Fingas, M. (2012). Studies on the evaporation regulation mechanisms of crude oil and petroleum products. AChES. 2, 2, 246–255. doi: 10.4236/aces.2012.22029
10. Tregubov, D. G., Tarakhno, О. V. Trehubova, F. D. (2021). Nonlinearity of mass velocities of burning for hydrocarbons from different homological series. Emergency protection. Svetlaya Roshcha: IRUQ, 2021, 155–159. Retrieved from http://repositsc.nuczu.edu.ua/handle/123456789/13565
11. Piana, M., Stecher, K. et al. (2016). Laboratory сourse in рhysical сhemistry for fundamental studies. Munchen: Technische Universität, 500. Retrieved from https://www.department.ch.tum.de/fileadmin/w00bzu/tec/Teaching/PC-I_LabCourseScript_SS2020_2.8_B_W.pdf
12. Tregubov, D., Tarakhno, О., Sokolov, D., Trehubova, F. (2020). The oscillation of n-alkanes characteristic temperatures under the action the cluster structure of substance. Problems of Emergency Situations, 32, 14–30. doi: 10.5281/zenodo.4400131
13. Tregubov, D. G., Tarakhno, O. V. Kyreev, O. O. (2018). Vplyv klasternoyi budovy tekhnichnykh sumishey ridyn na znachennya kharakternykh temperatur. Problemy nadzvychaynykh sytuatsiy, 28, 99–110. doi: 10.5281/zenodo.2598054
14. Tarakhno, O. V., Tregubov, D. G. Zhernokl'ov, K. V. (2010). Teoríya rozvitku ta pripinennya gorínnya. ch.I. Kharkiv, Mís'ka drukarnya, 309. Retrieved from: http://repositsc.nuczu.edu.ua/handle/123456789/3233
15. Laszlo, P. (1993). Logique de la synthese organique, 1, 208. Retrieved from: https://sites.google.com/site/kingtencithejohhtur/telecharger-logique-de-la-synthese-organique-pdf (дата звернення: 20.08.2021).
16. Hydrocarbons – Physical Data. (2021, 20.08). Engineering ToolBox. Retrieved from https://www.engineeringtoolbox.com/hydrocarbon-boiling-melting-flash-autoignition-point-density-gravity-molweight-d_1966.html