اقرأ في هذا المقال
- بيركلورات الأمونيوم
- إنتاج فوق كلورات الأمونيوم (AP)
- تحلل فوق كلورات الأمونيوم
- تطبيقات فوق كلورات الأمونيوم
في الكيمياء يظهر مركب فوق كلورات الأمونيوم كمادة صلبة بلورية بيضاء أو مسحوق، وهي مصنفة كقسم 1.1 متفجر إذا تم تجفيفها إلى جزيئات أصغر من 15 ميكرون في القطر أو إذا تم تجفيفها إلى جزيئات أكبر ولكن تم تجفيفها تمامًا، وهي مادة لا تحترق بسهولة، ولكنها ستحترق إذا تلوثت بمواد قابلة للاحتراق، قد تنفجر تحت التعرض الطويل للحرارة أو النار، كما وتستخدم في صناعة وقود الصواريخ والمتفجرات والألعاب النارية وكعامل حفر ونقش وفي الكيمياء التحليلية.
بيركلورات الأمونيوم
إن مركب فوق كلورات الأمونيوم (“AP”) هو عبارة عن مركب غير عضوي بالصيغة الكيميائية التالية (NH4ClO4)، وهي مادة صلبة عديمة اللون أو بيضاء قابلة للذوبان في الماء، كما إنه عبارة عن عامل مؤكسد قوي، ومن الممكن أن يتم استخدامه كوقود دفع للصواريخ، بالإضافة إلى الوقود ،كما وتسبب عدم استقرارها في وقوع عدد من الحوادث، مثل كارثة (PEPCON).
الوقود الصلب القائم على فوق كلورات الأمونيوم (AP) هو عبارة عن دافع صلب حديث للصواريخ، يستخدم في تطبيقات مختلفة، ولقد تمت دراسة خصائص الاحتراق للدفعات المركبة القائمة على AP على نطاق واسع من قبل العديد من الباحثين للحصول على قوة دفع أعلى.
كما ويتم تحديد مقدار الدفع وملف الدفع، الذي يمكن الحصول عليه من تصميم حبيبات معين، بشكل أساسي من خلال تركيبة دافع وعملية التصنيع التي تنتج المادة الدافعة الصلبة، إن الاستنتاجات الرئيسية مستمدة من كل مكون من مكونات المركب مع طرق محددة لممارسات التصنيع الجيدة.
في الختام يتأثر الوقود الصلب المعتمد على AP مثل الدوافع المركبة الأخرى بشكل كبير بتكوينه، ومع ذلك فإن جودة الحبوب النهائية ترجع بشكل أساسي إلى عملية التصنيع، كما وتجد المواد النانوية تطبيقات في تركيبات المتفجرات والوقود الدافع بسبب مساحة سطحها الكبيرة والطاقة السطحية العالية، وهذه الطاقة السطحية العالية مسؤولة عن طاقة التنشيط المنخفضة وزيادة معدل احتراق التركيبة.
لذلك، لقد تم إجراء محاولة ناجحة لتحضير فوق كلورات الأمونيوم النانوية باستخدام طريقة غير مائية عن طريق إذابة فوق كلورات الأمونيوم (AP) في الميثانول متبوعًا بإضافة الـ (AP) المذاب إلى متعدد البوتادين المنتهي بالهيدروكسيل (HTPB) والتجانس ثم التقطير الفراغي لـ مذيب.
لقد تم تمييز (nano-AP) المتكونة على هذا النحو باستخدام محلل حجم جسيمات (NANOPHOX)، والمجهر الإلكتروني للإرسال (FEI ، Hillsboro ، OR)، بالإضافة إلى حيود الأشعة السينية (PANalytical BV، هولندا) والمسح المجهري الإلكتروني لحجم الجسيمات ونقاوتها وتشكلها على التوالي.
كما وقد تمت دراسة السلوك الحراري لـ (nano-AP) باستخدام التحليل الحراري التفاضلي – التحليل الحراري الوزني (DTA-TGA)، وقد أشارت البيانات إلى أن حجم جسيم الـ (AP) المحضر كان في حدود 21-52 نانومتر وكانت درجة حرارة التحلل الحراري أقل من درجة حرارة الـ (AP) الخشنة.
لقد تم استخدام (nano-AP) المميز بعد ذلك في تركيبة دافعة مركّبة تصل إلى 5٪ مع حمولة صلبة 86٪ ودُرست لخصائص مختلفة، حيث أظهرت النتائج زيادة بنسبة 14٪ في معدل الاحتراق مقارنة بتركيب الوقود القياسي مع الخواص الميكانيكية المرغوبة.
إنتاج فوق كلورات الأمونيوم (AP)
تتم عملية صنع وإنتاج المركب من خلال حدوث عملية التفاعل بين كلا من مركب الأمونيا وحمض البيركلوريك، كما وأن هذه العملية تعد هي المنفذ الرئيسي للإنتاج الصناعي لحمض البيركلوريك، إذ أنه من الممكن أيضًا أن يتم إنتاج الملح عن طريق تفاعل إبدال الملح لأملاح الأمونيوم مع فوق كلورات الصوديوم، حيث تستغل هذه العملية قابلية الذوبان المنخفضة نسبيًا لـ (NH4ClO4) والتي تمثل حوالي 10٪ من ذوبان فوق كلورات الصوديوم، علما أنه تتبلور AP على شكل معينات عديمة اللون.
تحلل فوق كلورات الأمونيوم
مثل معظم أملاح الأمونيوم، يتحلل مركب فوق كلورات الأمونيوم قبل الذوبان، حيث ينتج عن عملية التسخين الخفيف إنتاج كلا من مركب كلوريد الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والماء، كما في المعادلة الكيميائية التالية:
4 NH4ClO4 → 4 HCl + 2 N2 + 5 O2 + 6 H2O
احتراق مركب فوق كلورات الأمونيوم معقد للغاية ويتم دراسته على نطاق واسع، حيث تتحلل بلوراته قبل الذوبان، وعلى الرغم من ملاحظة وجود طبقة سائلة رفيعة على الأسطح البلورية أثناء عمليات الاحتراق عالية الضغط، فقد يؤدي التسخين القوي إلى حدوث انفجارات، علما أن ردود الفعل الكاملة لا تترك أي بقايا، ولا تستطيع البلورات النقية تحمل لهب تحت ضغط 2 ميجا باسكال.
يبدأ مركب فوق كلورات الأمونيوم في التحلل عند درجة حرارة مقدارها 439 درجة مئوية، كما أنه من الممكن أن يتم تحفيز التحلل بواسطة أملاح معدنية مثل أكسيد الحديد وكروميت النحاس عند درجة حرارة منخفضة، وهو استرطابي بين حوالي 75 إلى 95٪ رطوبة نسبية، ويبدأ بالتمدد فوق 95٪.
تطبيقات فوق كلورات الأمونيوم
يتمثل الاستعمال الرئيسي لمركب بيركلورات الأمونيوم في عمليات صنع الوقود الصلب، وعندما يتم خلط هذا المركب مع وقود (مثل مسحوق الألمنيوم أو مع مادة رابطة مرنة) من الممكن أن تولد احتراقًا مستدامًا ذاتيًا عند ضغوط أقل بكثير من الضغط الجوي، حيث إنه عامل مؤكسد مهم يمتلك تاريخ طويل من الاستخدام في وقود الصواريخ الصلبة – الإطلاق الفضائي (بما في ذلك مكوك الفضاء Solid Rocket Booster)، والصواريخ عالية الطاقة العسكرية والهواة، وكذلك في بعض الألعاب النارية.
علما أنه تحتوي بعض مواد الإيبوكسي اللاصقة “القابلة للكسر” على معلقات لمركب بيركلورات الأمونيوم عند التسخين إلى درجة حرارة مقدارها 300 درجة مئوية، كما ويعمل بيركلورات الأمونيوم على تحلل المادة اللاصقة العضوية، مما يؤدي إلى كسر الوصلة الأسمنتية.
مادة البيركلورات بشكل عام هي عبارة عن أنيون طبيعي، ومن صنع الإنسان حيث يوجد عادة في شكل حمض البيركلوريك وأملاح مثل فوق كلورات الأمونيوم، وفوق كلورات البوتاسيوم، وبيركلورات الصوديوم، علما أن فوق كلورات الأمونيوم هو عامل مؤكسد وهو عبارة عن الشكل الأكثر انتشارًا لهذا المركب.
لقد تم استخدامه على نطاق واسع في الوقود الصلب والألعاب النارية والشعلات وهو يعد أحد مكونات العديد من مكونات الذخيرة، وقد بدأ تصنيع مركب فوق كلورات الأمونيوم في الأربعينيات من القرن الماضي من أجل استخدامه في المقام الأول في الصناعات الدفاعية ولاحقًا في صناعة الطيران.
لقد كانت البركلورات الأخرى المحتوية على أملاح أكثر شيوعًا قبل عام 1953 ميلادي، على مر السنين لقد اختلف عدد مصنعي البركلورات، قبل منتصف السبعينيات كان هناك ما لا يقل عن خمسة مصانع لتصنيع البركلورات في الولايات المتحدة ولكن من عام 1975 ميلادي حتى عام 1998 ميلادي، قام مصنعان فقط بتصنيع المركب (أمريكان باسيفيك في هندرسون نيفادا ثم في سيدار سيتي ويوتا وكير ماكجي في هندرسون نيفادا).
مادة البركلورات بحد ذاتها تمنح سمية حادة قليلة نوعا ما، وعلى سبيل المثال تحتوي مادة فوق كلورات الصوديوم على (LD50) من 2-4 جم لكل كجم ويتم التخلص منها بسرعة بعد الابتلاع، ومع ذلك فقد ثبت أن التعرض المزمن للبيركلورات، حتى في التركيزات المنخفضة، يسبب مشاكل مختلفة في الغدة الدرقية، حيث يتم تناوله بدلاً من اليود.
إن مركب فوق كلورات الأمونيوم هو عبارة عن عامل مؤكسد قوي يتم خلطه مع مواد قابلة للاحتراق من أجل إنتاج وقود الصواريخ، كما ويوفر الوقود المختلط إطلاقًا عاليًا للطاقة بمعدل احتراق سريع جدًا، ويتم التحكم في معدل الاحتراق بواسطة الخليط وحجم الجسيمات ومحتوى الرطوبة.
