3.5. Кислородный баланс и реакции превращения взрывчатых веществ

Рецептуры ВВ составляются с таким расчетом, чтобы при ре­акции взрыва образовались в основном пары воды, азот и угле­кислота, т. е. газообразные продукты, наименее опасные для человеческого организма. Когда в составе ВВ не хватает кисло­рода или имеется избыток его по сравнению с необходимым коли­чеством, при взрыве образуются более ядовитые газы, в основном окись углерода и окислы азота.

Отравляющее действие о к с и д а у г л е р о д а СО (угарный газ) основано на его способности образовывать прочные соедине­ния при вдыхании с красными кровяными тельцами, являющимися переносчиками кислорода из легких к тканям, из-за чего челове­ческий организм начинает испытывать кислородную недостаточ­ность, а при концентрациях 1 % и более быстро наступает смерть.

О к и с л ы а з о т а NO, N0₂ при вдыхании в легких, всту­пая в реакцию с водой, образуют азотную и азотистую кислоты, действие которых приводит к отеку легких и смерти. Особую опасность окислы азота представляют из-за того, что они способны накапливаться в организме. Поэтому по токсическому действию они считаются в 6,5 раза более ядовитыми, чем окись углерода.

К и с л о р о д н ы й б а л а н с характеризуется отношением избытка или недостатка кислорода в составе ВВ к количеству его, необходимому для полного окисления горючих элементов в составе ВВ. Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением грамм-атомной массы из­бытка или недостатка кислорода к грамм-молекулярной массе ВВ. вг. При записи химической формулы ВВ в виде C_aH_bN_cO_d кисло­родный баланс в процентах можно вычислить из следующего выражения:

где d, а и b — число атомов кислорода, углерода и водорода в составе ВВ; М_вв — молекулярная масса ВВ.

Различают нулевой, положительный и отрицательный кисло­родный баланс.

Кислородный баланс считается н у л е в ы м, если в составе ВВ содержится количество кислорода, необходимое для полного окисления горючих компонентов. Если в составе ВВ не хватает кислорода для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет о т р и ц а т е л ь н ы й, а при избытке кислорода — п о л о ж и т е л ь н ы й кислородный баланс.

При взрыве ВВ с нулевым кислородным балансом образуется минимальное количество ядовитых газов и выделяется максималь­ное количество энергии. При недостатке кислорода образуется ядовитая окись углерода. Образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла (116 кДж/моль), чем при образова­нии двуокиси углерода (396 кДж/моль). При избытке кислорода последний образует с азотом весьма ядовитые окислы. Реакции образования окислов азота идут с поглощением тепла (эндотермичны), таким образом, и в этом случае количество тепла, выде­лившееся при взрыве единицы массы ВВ, будет меньше.

Кислородный баланс определяет запас энергии ВВ и состав газообразных продуктов взрыва, который зависит не только от химического состава ВВ, но и от условий взрывания заряда (сте­пени ограничения пространства, в котором расположен заряд

влажности ВВ) и свойств породы, влияющих на протекание вто­ричных химических взрывных реакций.

Промышленные ВВ для взрывания в подземных условиях обычно имеют незначительный положительный кислородный ба­ланс — от 0,1 до 4 %. Избыток кислорода расходуется на окисление бумажных оболочек и парафинового покрытия патрониро­ванных ВВ. Масса бумажной оболочки на 100 г ВВ не должна превышать 2 г и парафина 3 г.

Для расчета состава продуктов и приближенных реакций процесса взрыва принято ВВ делить на три группы и пользо­ваться следующими правилами.

1. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточ­ным) для полного окисления всех горючих элементов. В этом случае весь углерод превращается в углекислый газ, а водород — в воду. Так протекает реакция разложения нитрогликоля (табл. 3.1).

2. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород сначала окисляет весь водород в воду, углерод — в окись углерода, а за­тем оставшаяся часть кислорода образует с частью окиси угле­рода углекислый газ. Так протекает реакция разложения ТЭНа (см. табл. 3.1).

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород полностью окисляется в воду, оставшимся кислородом окисляется

часть углерода в окись углерода и выделяется свободный углерод. Так протекает реакция разложения тротила (см. табл. 3.1).

Эти правила составления реакций дают только ориентировоч­ную характеристику газообразных продуктов взрыва и не позво­ляют найти вторичные продукты реакции, которые часто, осо­бенно у ВВ с отрицательным кислородным балансом, резко ме­няют состав газов взрыва.

На карьерах разрешается применять ВВ с кислородным балансом, отличным от нулевого, однако при крупных взрывах и при взрывании на глубоких горизонтах карьеров при определе­нии опасной зоны необходимо учитывать направление движения газового облака после взрыва, чтобы избежать случаев отравле­ния рабочих. С увеличением глубины карьеров целесообразность применения ВВ с нулевым кислородным балансом с точки зрения санитарно-гигиеничных условий атмосферы и охраны окружающей среды увеличивается.

Пример 1. Определить кислородный баланс нитроглицерина, формула которого С₃Н₅(ONO₂)₃.

Для полного окисления 3 атомов углерода (в углекислоту) требуется 6 атомов кислорода и для окисления 5 атомов водорода (в воду) — 2,5 атома кислорода, всего — 8,5 атома кислорода. В нитроглицерине содержится 9 атомов кислорода, т. е. имеется избыток кислорода 0,5 атома, следовательно, его кислородный баланс положительный.

Грамм-атомная масса избытка 0,5 атома кислорода равна 0,5-16 = 8, а грамм-молекулярная масса нитроглицерина равна 227. Таким образом, кислородный баланс нитроглицерина поло­жительный и равен:

К_б = 8.100/227 = 3,52 %.

Расчет кислородного баланса ВВ, представляющего собой смесь нескольких химических соединений, производится сумми­рованием произведений доли каждого компонента на его кисло­родный баланс.

Пример 2. Определить кислородный баланс аммонита 6ЖВ, химическая формула которого имеет вид

C₇H₅(N0₂)₃ + 10,5NH₄NO₃.

Для окисления водорода в воду требуется атомов кислорода

для окисления углерода в углекислый газ 7·2 = 14. В аммоните 6ЖВ содержится атомов кислорода

6 + 10.5·3 = 37,5.

Именно такое количество кислорода и необходимо для полу­чения нулевого кислородного баланса.

Зная кислородный баланс исходных компонентов, легко со­ставить рецептуру любого ВВ.

Пример 3. Определить массу входящих в состав услов­ного ВВ компонентов из аммиачной селитры и солярового мас­ла. Чтобы кислородный баланс ВВ был нулевым, на одну часть солярового масла требуется аммиачной селитры (табл. 3.2)

316,7/20 = 15,83 части.

В расчете на 100 г смеси необходимо: солярового масла 100/15,83 = 6,3 г;

аммиачной селитры 100 — 6,3 = 93,7 г.

В гранулированной аммиачной селитре содержится до 2% примесей, поэтому приведенный расчет относится к игданиту на химически чистой селитре.

Аналогично производится расчет многокомпонентных ВВ.