Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КЛ ТГВ 280102.doc
Скачиваний:
362
Добавлен:
10.05.2015
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Реакции взрывчатого превращения

Взрывчатое превращение всех современных промышленных ВВ основано на окислении горючих элементов кислородом. В химических соединениях кислород находится в самой молекуле, так, например, молекула нитроглицерина включает как горючее (углерод и водород), так и кислород, потребный для окисления.

Иное положение во взрывчатых смесях, какими являются все промышленные ВВ. В составе таких смесей должны быть минимум два компонента, один из которых богат горючим, а другой содержит избыточный кислород. В качестве носителя кислорода во все промышленные ВВ, за малым исключением, вводится аммиачная селитра.

Рецептуры ВВ составляют с таким расчетом, чтобы при реакции взрыва образовались в основном пары воды, азот и углекислый газ, т.е. газообразные продукты, наименее опасные для человеческого организма.

Степень опасности ВВ с точки зрения образования при взрыве ядовитых газов определяется кислородным балансом. Кислородный баланс характеризуемся отношенном избытка или недостатка кислорода в составе ВВ к его количеству, необходимому для полного окисления горючих элементов ВВ. Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением грамм-атомного веса избытка или недостатка кислорода к грамм-молекулярному весу ВВ.

Кислородный баланс считается нулевым, если в составе ВВ содержится количество кислорода, необходимое для полного окисления горючих компонентов. Если в составе ВВ кислорода не хватает для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет отрицательный кислородный баланс, а при избытке кислорода – положительный.

У ВВ с нулевым кислородным балансом образуется минимальное количество ядовитых газов и выделяется максимальная энергия при взрыве. При недостатке кислорода вместо углекислого газа получается ядовитая окись углерода, причем образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла:

2С + О2 = 2СО + 264,1868 кДж/моль;

С + О2 = СО2 + 944,1868 кДж/моль.

При избытке кислорода образуются весьма ядовитые окислы азота, на что затрачивается часть выделившегося при взрыве тепла. Поэтому уменьшается общая энергия взрыва:

N2 + O2  2NO – 221,64,1868 кДж/кг.

Таким образом, при составлении рецептур ВВ нужно стремиться обеспечить нулевой кислородный баланс путем регулирования количества горючих и кислородсодержащих компонентов таким образом, чтобы недостаток кислорода в одних компонентах компенсировался избытком его в других.

Объясним методы определения кислородного баланса на примере нитроглицерина, формула которого C3H5(ONO2)3. В молекуле нитроглицерина имеется 9 атомов кислорода.

Для полного окисления всех атомов углерода в углекислоту требуется 6 атомов кислорода и для окисления 5 атомов водорода в воду – 2,5 атома кислорода, а всего на окисление требуется, 5 атомов кислорода, т.е. имеется избыток кислорода 0,5 атома, значит, кислородный баланс положительный.

Вес избытка 0,5 атома кислорода в грамм-атомах равен 0,516 = 8,0, а вес нитроглицерина (в грамм-молекулах) ранен 227. Таким образом, кислородный баланс нитроглицерина:

.

Аналогичным образом производится расчет кислородного баланса ВВ, представляющего собой смесь нескольких химических соединений.

Зная значение кислородного баланса отдельных компонентов ВВ, легко составить смесь ВВ с нужным значением кислородного баланса.

Определим состав ВВ из смеси аммиачной селитры и тротила, имевшего нулевой кислородный баланс. Кислородный баланс тротила –74%. Кислородный баланс аммиачной селитры +20%. Состав смеси должен быть: X(–74) + (100 – X)20 = 0, откуда X = 21,3 (здесь X – процент тротила в составе ВВ).

Таким образом, ВВ должно состоять на 21,3% тротила и 78,7% аммиачной селитры.

Составим молекулярное уравнение найденного ВВ:

процент

формула

молекулярный вес

г/г-моль

21,3

C7H5(NO2)3

227

0,094

78,7

NH4NO3

80

0,985

На каждую грамм-молекулу тротила необходимо иметь в смеси:

г-моль.

Молекулярное уравнение имеет вид:

C7H5(NO2)3 + 10,5NH4NO3

Промышленные ВВ обычно имеют незначительный кислородный баланс от 0,1 до 3 – 4%. Избыток кислорода расходуется на окисление бумажных оболочек и парафинового покрытия патронированных ВВ.

Масса бумажной оболочки не должна превышать 2 г, а парафина – 3 г на каждые 100 г ВВ. Значения кислородного баланса для различных ВВ и соединений приведены в табл. 2.

Для расчета объема газообразных продуктов, теплоты, температуры и работы взрыва, а также для установления ядовитости продуктов взрывчатого превращения необходимо иметь представление о химических реакциях, протекающих при взрыве. Зная химический состав ВВ и пользуясь законами химической термодинамики, можно с некоторым приближением теоретически рассчитать качественный и количественный состав продуктов взрыва.

Для составления уравнения реакции взрывчатого превращения, особенно смесевого ВВ, необходимо выразить в молях содержание компонентов в 1 кг исходного ВВ и подсчитать элементарный состав. Часто при этом ставится задача рассчитать состав смесевого ВВ из заданных компонентов при определенном кислородном балансе ВВ.

Таблица 2 – Кислородный баланс некоторых ВВ и их компонентов

Вещество

Химическая формула

Атомный или молекулярный вес

Кислородный баланс, %

Алюминий

Al

27

–89

Аммиачная селитра

NH4NO3

80

+20

Бумага (оболочка патронов)

–

–

–130

Гексоген

(CH2NO2)3

222

–21,6

Гремучая ртуть

Hg(CNO)2

284

–11,3

Динитрогликоль

С2Н4(ОNO2)2

152

0

Динитронафталин

C10H6(NO2)2

218

–139,4

Калиевая селитра

KNO3

101

+39,6

Калия хлорат

KClO3

122,5

+39,2

Калия перхлорат

KClO4

138,5

+46,2

Керосин

–

–

–343

Клетчатка

C6H10O5

162

–118,5

Магний

Mg

24,3

–65,8

Мука злаков

C15H25O11

381

–132

Мука древесная

C15H22O10

362

–137

Натриевая селитра

NaNO3

85

+47

Натрия хлорат

NaCl

106,5

+45

Натрия перхлорат

NaClO4

122,5

+52,2

Нитроглицерин

C3H5(ONO2)3

222

+3,5

Нитроклетчатка:

коллодионная

пироксилиновая

C24H31N9O39

C24H29N4O42

1105,3

1143

–38,7

–28,6

Октоген

C4H8N8O8

296

–21,6

Парафин (твердый)

C24H50

338,5

–346

Пикриновая кислота

C6H2(NO2)3OH

229

–45,4

Тетранитрометан

C(NO2)4

196

+49

Тетрил

C6H2(NO2)4NCH3

287

–47,4

Тротил

C6H2(NO2)3CH3

227

–74

Тэн

C(CH2ONO2)4

316

–10,1

Углерод (аморфный)

C

12

–266,7

Вода парообразная

H2O

18

–

Окись алюминия

Al2O3

102

–

Окись кальция

CaO

56

–

Окись азота

NO

30

–

Окись углерода

CO

28

–

Углекислота

CO2

44

–

Целлюлоза

C10H6O6

162

–

Для расчета состава продуктов взрыва все ВВ делятся на три группы:

  1. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточным) для полного окисления горючих элементов. В этом случае весь углерод превращается в углекислый газ (СО2), водород – в воду (Н2О) и алюминий – в окись алюминия (Al2O3). Азот и кислород, если последний имеется в составе в избытке, выделяется в виде элемента. Эти соединения образуются с максимальным выделением тепла.

ВВ этой группы имеют нулевой или положительный кислородный баланс. Например, реакция разложения нитроглицерина:

2C3H5(ONO2)3  6CO2 + 5H2O + 3N2 + O

Кислородный баланс положительный.

Реакция разложения динитрогликоля

CH4(ONO2)2  2CO2 + 2H2O + N2

Здесь кислородный баланс нулевой.

  1. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород, входящий в состав молекул ВВ, сначала окисляет весь водород в воду, углерод – в окись углерода, а затем оставшаяся часть кислорода образует с окисью углерода углекислый газ. В качестве примера дана реакция разложения тэна:

С(СH2ONO2)4  4H2O + 3CO2 + 2CO + 2N2

Кислородный баланс тэна (–10,1).

При реакции взрыва ВВ этой группы также образуется элементарный водород, метан и некоторые другие углеводороды, однако, чтобы не усложнять расчетов, они в уравнениях реакции не приводятся.

  1. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород окисляется в воду, а часть углерода – в окись углерода и выделяется свободный углерод. Например, реакция разложения тротила:

С7H5(NO2)3  2,5H2O + 3,5CO + 3,5C + 1,5N2

Кислородный баланс тротила (–74%).

При взрыве таких ВВ образуются также СO2, H2, CH4, NH3 и другие соединения. Количественные соотношения этих веществ в продуктах взрыва зависят от плотности ВВ и условий нарывания.

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