¿Puede existir una mezcla estequiométrica de oxígeno y metano en estado líquido a presión estándar y a cierta temperatura (baja)?

Question

Esta respuesta a la pregunta Premezcla de combustibles criogénicos y uso de un solo depósito de combustible escrito por un no químico (yo) comienza con:

En STP :

• LOX el punto de ebullición es de 90,19 K
• Metano el punto de congelación es de 90,7 K

Esto no a priori demostrar que una solución de los dos no puede existir. Sin embargo, significa que no pueden manejarse como líquidos a la misma temperatura, lo que dificulta la mezcla de ambos.

Sabemos que existe aire líquido lo que demuestra que LOX y LN2 pueden mezclarse. Pero el metano es una molécula orgánica y sabemos que más pesado $\text{C}_n \text{H}_{2n+2}$ Los hidrocarburos incluyen aceites y ceras no les gusta disolverse en disolventes no orgánicos.

Una mezcla estequiométrica de oxígeno y metano sería de 2:1 molar:

$$\ce{ 2O2 + CH4 -> CO2 + 2H2O }$$

Aunque los dos no se pueden convenientemente se mantienen como líquidos a la misma temperatura, ¿puede existir una mezcla estequiométrica de ambos como líquido a cierta temperatura (baja) y presión estándar?

Answer 1

Hay un informe de la NASA que investiga esto: "SOBRE LAS SOLUBILIDADES Y LAS TASAS DE SOLUCIÓN DE LOS GASES EN METANO LÍQUIDO", Hibbard y Evans, 1968 y concluye que tales mezclas son posibles.

A partir de la página 8:

La figura 5(a) presenta las curvas para el oxígeno, el argón y el monóxido de carbono, y nitrógeno. También se muestran los dos valores experimentales para el nitrógeno. La concordancia es excelente a 99,83 K y buena a 110,9 K. Las curvas de estos gases muestran que la solubilidad debería disminuir al aumentar temperatura y los datos del nitrógeno lo confirman. Esta figura muestra la Esta figura muestra que la fracción molar de solubilidad del oxígeno es de 1,0 a 90 K. T oxígeno, que tiene una temperatura normal de ebullición de 90,1K se condensaría continuamente y sería miscible en todas las proporciones con metano líquido a 90K. Así lo confirman los refere estudio de la solubilidad del metano en oxígeno líquido, se concluyó que éstos formaban una solución casi ideal a -297 F (90K)

(énfasis añadido) La referencia 11 mencionada allí es "Solubilidad de los sistemas hidrocarburo-oxígeno", McKinley y Wang, 1960 (desgraciadamente de pago), que también contiene un interesante debate sobre la estabilidad (es decir, la presencia o ausencia de tendencia a explotar) de diversas mezclas.

A continuación se reproduce la figura 5. Obsérvese cómo la solubilidad del oxígeno aumenta rápidamente a medida que desciende la temperatura.

Answer 2

Para completar la excelente respuesta de Bob (y ampliar un poco mi comentario), he encontrado otros dos artículos potencialmente interesantes.

La primera es R.J. Hodges y R.J. Burch, Criogenia 7 112-113 (1967) titulado "The equilibrium distribution of methane between the liquid and vapour phases of oxygen". Observan una "solubilidad muy alta del metano en oxígeno líquido", con un coeficiente de distribución de equilibrio a 93,15K (1,348 atm de O2) de 3,356 (es decir, unas 3 veces más metano en fase líquida que en fase gaseosa). Sin embargo, mantuvieron la concentración de metano por debajo del límite inferior de explosividad para que no explotara.

Quizás sea más interesante para la OP R.L. Every y J.O. Thieme, Journal of Spacecraft and Rockets 2(5) 787-789 (1965) titulado "Mezclas de oxígeno líquido y metano líquido como monopropulsantes para cohetes". En la introducción, los autores señalan que trabajos anteriores demuestran que los líquidos son miscibles en todas las proporciones por encima de 90K. Sus pruebas muestran un impulso específico de casi 300 segundos y una velocidad de escape cercana a los 6.000 fps.

Además, como "se informó de sensibilidades al shock" en el trabajo anterior, hicieron algunos experimentos, bueno, vagamente perturbadores (oye, eran los años 60). "Se realizaron pruebas para determinar si la agitación o agitación violenta, como la que se encuentra en una bomba de tipo impulsor, detonaría la mezcla", aunque ahí no tuvieron explosiones. A continuación, pasaron a cuantificar la sensibilidad al impacto, dejando caer un peso sobre un vaso de precipitados de acero inoxidable con diferentes mezclas desde alturas crecientes hasta que se produjo una explosión. Se descubrieron sensibilidades al impacto de 20-60 pies-libra. También estudiaron la compresión adiabática como causa de explosión y descubrieron que las mezclas de oxígeno líquido y metano eran más seguras que otras sustancias como el nitrometano (que no es tan reconfortante).

Así pues, parece que la idea de utilizar la mezcla líquida como monopropelente no es totalmente descabellada, pero hazlo lejos de mí...