1. Химические и термохимические процессы при взрыве.

   1. Вв как химическая система.

      1. Явление взрыва.

Взрыв представляет собой один из видов физических или химических превращений веществ. В широком смысле слова взрывом называется явление крайне быстрого перехода системы веществ из одного состояния в другое, сопровождающееся столь же быстрым превращением его потенциальной энергии в механическую работу движения или разрушения окружающей среды энергия взрыва может быть различной. Выделение ядерной, химической, электрической, тепловой, кинетической энергии, энергии упругого сжатия способно сопровождаться взрывными процессами.

При ударе движущегося с большой скоростью тела о прочную преграду его кинетическая энергия переходит в тепловую, при достаточном значении энергии могут образоваться сильно сжатые газы. Примером взрывов такой природы является падение крупных метеоритов.

Физическую природу имеют взрывы баллонов со сжатыми газами или взрывы паровых котлов. В первом случае взрыв происходит или за счет чрезмерного повышения давления, например, от случайного разогрева, или вследствие механических повреждений и, как следствие, уменьшения прочности стенок. Во втором случае явление вызвано быстрым переходом перегретой воды в парообразное состояние. При подобных взрывах изменяется только физическое состояние вещества с сохранением неизменности его химического состава.

Примером электрического взрыва могут служить взрывы, которые возникают при мощных искровых разрядах, например, молниях, или при пропускании электрического тока высокого напряжения через тонкие металлические проволочки. При мощных разрядах разность потенциалов выравнивается за промежутки времени порядка 10^-6 – 10^-7 с, благодаря чему в зоне разряда достигается колоссальная плотность энергии и чрезвычайно высокие температуры (порядка десятков тысяч градусов), что, в свою очередь, приводит к сильному подъему давления воздуха в месте разряда и распространению интенсивного возмущения в окружающей среде.

Примерами взрыва за счет энергии упругого сжатия могут служить гигантские взрывы, протекающие внутри земной коры и приводящие к землетрясениям или разрушению вулканов при их извержении. Накапливаемые в отдельных участках земной коры напряжения могут охватывать весьма большие объемы, а затем, при землетрясении, внезапно освобождаться с выделением огромного количества энергии. Энергия сильнейших землетрясений оценивается в 10¹⁶ – 10¹⁸ Дж, т.е. превосходит энергию взрыва миллионов тонн взрывчатых веществ (ВВ).

При атомных и термоядерных взрывах, обусловленных реакциями синтеза или деления ядер, достигаются весьма высокие значения параметров продуктов реакции (температуры и давления).

Взрыв может произойти также за счет потенциальной химической энергии, которая превращается в энергию сжатых газов в результате быстрого протекания химической реакции. В данном курсе рассматриваются только взрывы такого рода, т.е. химические взрывы.

Химическую реакцию, сопровождающуюся или способную сопровождаться взрывом, называют взрывчатым превращением. Вещества, способные к взрывчатым превращениям, называют взрывчатыми.

Взрыв в более узком смысле слова представляем собой процесс чрезвычайно быстрого химического превращения вещества, сопровождающийся столь же быстрым выделением тепла и образованием газов.

Взрыв ВВ может протекать в двух различных формах: 1) гомогенного взрыва, 2) самораспространяющегося превращения.

Гомогенный химический взрыв практически не имеет применения во взрывной технике.

Рассмотрим самораспространяющийся взрыв. Пусть в небольшой части заряда ВВ путем сильного разогрева вызвана быстрая химическая реакция. При определенных условиях эта реакция будет самопроизвольно распространяться с большой скоростью от места ее возбуждения до границ заряда. На использовании такого самораспространяющегося взрыва основана вся современная взрывная техника. Следовательно, взрыв ВВ представляет собой самораспространяющееся с большой скоростью химическое превращение, протекающее с выделением большого количества тепла и образованием газов.

Из изложенного следует, что химическая реакция, протекающая в форме взрыва, определяется тремя следующими основными условиями: 1) экзотермичностью химической реакции; 2) наличием газообразных (парообразных) продуктов реакции; 3) большой скоростью химической реакции. У различных ВВ эти свойства могут быть выражены в различной степени, но только их совокупность придает явлению характер взрыва.

Три условия в своем сочетании определяют не только возможность самораспространения химической реакции в форме взрыва, но и механическое действие взрыва. Рассмотрим роль каждого из этих факторов.

Экзотермичность реакции. Выделение тепла является первым необходимым условием, без которого возникновение взрывного процесса вообще невозможно. Теплота химической реакции при взрыве является источником энергии. Если бы реакция не сопровождалась выделением теплоты, самораспространение взрыва было бы исключено. Очевидно, что вещества, требующие для своего разложения притока энергии извне (эндотермическая реакция), не могут обладать взрывчатыми свойствами.

За счет тепловой энергии реакции происходит разогрев газообразных продуктов до температуры в несколько тысяч градусов и последующее их расширение. Чем больше теплота реакции и скорость ее распространения, тем больше разрушительное действие взрыва.

Теплота реакции является важнейшей характеристикой ВВ. Для современных промышленных ВВ теплота взрыва колеблется от 2900 до 7500 кДж/кг.

Образование газов. Высокие давления, возникающие при взрыве, и обусловленный ими разрушительный эффект достигаются вследствие того, что химическая реакция при взрыве сопровождается образованием большого количества газообразных продуктов.

Образование газов делает возможным взрыв. Это определятся тем, что газы имеют значительно меньшую плотность, чем твердые или жидкие вещества, так что переход твердого или жидкого вещества в газы в постоянном объеме приводит к резкому возрастанию давления. Кроме того, газы имеют значительно больший коэффициент объемного расширения, чем твердые или жидкие вещества.

Вследствие этих особенностей газы или пары^/ и являются тем непосредственным физическим агентом, который, расширяясь, производит механическую работу. Чем больше объем газов или паров по сравнению с объемом вещества до взрыва, тем (при прочих равных условиях) больше сила взрыва. У промышленных ВВ объем газов, приведенный к нормальным физическим условиям равен 600-1000 л. на 1 кг.ВВ.

Значение фактора газообразования для взрывных процессов может быть проиллюстрировано на ряде реакций, при которых не образуются газообразные продукты. Так, например, даже сильно экзотермическая, но не образующая газов реакция сгорания термитной смеси, проходящая по уравнению

Al +Fe₂O₃= Al₂O₃+2Fe+840 кДж, (1)

несмотря на большое количество выделяющегося при реакции тепла, не дает взрыва. Тепловой эффект реакции (1) является достаточным для нагревания конечных продуктов (Fe, Al₂O₃) до температуры 3000⁰С, при которой они находятся в жидком состоянии.

Наблюдаемый в условиях воспламенения больших количеств термитной смеси довольно сильный взрыв является следствием вторичных явлений, связанных с разогревом и расширением окружающего воздуха, а также воздуха или образующих газы примесей, заключенных в рыхлой массе термитной смеси. Кроме того, может также частично происходить весьма быстрое сгорание распыленного порошкообразного алюминия за счет кислорода воздуха.

Скорость реакции. Самым характерным признаком взрыва, отличающим его от обычных химических реакций, является большая скорость процесса. Переход вещества к конечным продуктам взрыва происходит за стотысячные и миллионные доли секунды. Большая скорость выделения энергии определяет преимущества ВВ по сравнению с обычными горючими веществами, хотя по количеству освобождаемой при реакции взрыва энергии при расчете единицы массы вещества ВВ не имеют перед ними каких-либо преимуществ (табл.1).

Таблица 1