Взрывчатая химия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Взрывчатая химия

Химия - наука, которая изучает вещества. Все мы постоянно имеем дело с химией.

Повсюду, куда бы мы ни обратили свой взор, нас окружают предметы и изделия, изготовленные из веществ и материалов, которые получены на химических заводах и фабриках. Кроме того, в повседневной жизни, сам того не подозревая, каждый человек осуществляет химические реакции. Например, умывание с мылом, стирка с использованием моющих средств, использование косметических средств (крема, губные помады, дезодоранты, косметика) и средств гигиены (зубные пасты), приготовление пищи -- это все химические процессы. Необходимо также отметить, что в любом живом организме в огромных количествах осуществляются различные химические реакции. Процессы усвоения пищи, дыхания животного и человека основаны на химических реакциях. Не обходится без химии и обслуживание нужд военно-промышленного комплекса. Большое внимание уделяется синтезу взрывчатых веществ и изучению процессов горения. Взрывчатые смеси существовали задолго до появления на Земле человека.

Взрывчатые вещества - это химические соединения или их смеси, способные под влиянием внешнего воздействия (нагревание, удар, трение, взрыв другого вещества) очень быстро разлагаться с выделением газов и большого количества теплоты. Процесс, который происходит в таком веществе, называется детонацией. Традиционно к взрывчатым веществам также относят соединения и смеси, которые не детонируют, а горят с определенной скоростью (пиротехнические составы).

При протекании любой экзотермической реакции выделяющаяся тепловая энергия нагревает не только окружающую среду, но и сами реагенты. Это приводит к увеличению скорости реакции, что, в свою очередь, ускоряет выделение тепла и это еще больше повышает температуру. Если отвод теплоты в окружающее пространство не будет успевать за ее выделением, то в результате смесь вскипит и выплеснется из реакционного сосуда или даже взорвется, если выделяющиеся газы и пары не найдут быстрого выхода из сосуда. Это - так называемый тепловой взрыв. Поэтому при проведении экзотермических реакций необходимо тщательно следить за температурой, понижая ее в случае необходимости добавлением в колбу кусочков льда или помещая сосуд в охлаждающую смесь. Очень быстро выделяется энергии в случае детонации. Это слово (оно происходит от латинского detonare - прогреметь) означает химическое превращение взрывчатого вещества, которое сопровождается выделением энергии и распространением волны по веществу со сверхзвуковой скоростью. Химическая реакция возбуждается интенсивной ударной волной, образующей передний фронт детонационной волны. Давление во фронте ударной волны составляет десятки тысяч мегапаскалей (сотни тысяч атмосфер), чем и объясняется огромное разрушающее действие подобных процессов. Энергия, выделяемая в зоне химической реакции, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне. Детонация возникает во многих соединениях и их смесях. Например, тетранитрометан C(NO₂)₄ - тяжелая бесцветная жидкость с резким запахом - перегоняется без взрыва, однако смеси его со многими органическими соединениями детонируют с огромной силой. Какие же вещества способны взрываться? Прежде всего это так называемые эндотермические соединения, то есть соединения, образование которых из простых веществ сопровождается не выделением, а поглощением энергии. К таким веществам относятся, в частности, ацетилен, озон, оксиды хлора, пероксиды. Это означает, что ацетилен должен считаться потенциально нестабильным соединением, так как реакция его распада на простые вещества С₂Н₂ ? 2С + Н₂ сопровождается выделением очень большой энергии. Именно поэтому, в отличие от многих других газов, ацетилен никогда не закачивают в баллоны под большим давлением - это может привести к взрыву (в баллонах с ацетиленом этот газ растворен в ацетоне, которым пропитан пористый носитель). Со взрывом разлагаются ацетилениды тяжелых металлов - серебра, меди. Очень опасен по той же причине и чистый озон, при распаде 1 моль которого выделяется 142 кДж энергии. Однако многие потенциально нестабильные соединения на практике могут оказаться довольно устойчивыми. Пример - этилен, причина стабильности которого - очень малая скорость разложения на простые вещества.

Сильнейшими взрывчатыми свойствами обладает очень опасный в обращении нитроглицерин. В 1866 его удалось «приручить» Альфреду Нобелю, который, смешав нитроглицерин с негорючим материалом, получил динамит. Динамитом пользовались для прорытия туннелей, при многих других горных работах.

Современные взрывчатые вещества должны удовлетворять многим условиям: безопасность в производстве и обращении, выделение большого объема газов, экономичность.

Самая дешевая взрывчатка - смесь нитрата аммония с дизельным топливом, ее производство составляет 80% всех взрывчатых веществ. А какое из них самое мощное? Это зависит от критерия мощности. С одной стороны, важна скорость детонации, т.е. скорость распространения волны. С другой - плотность вещества, т.к. чем она выше, тем больше энергии при прочих равных условиях высвобождается в единице объема.

Гексоген (1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогексан, циклонит) с добавками парафина или воска, а также в смеси с другими веществами (тротилом, нитратом аммония, алюминием) начали применять в 1940. Он используется для снаряжения боеприпасов, а также входит в состав аммонитов, применяемых при скальных работах.

Наиболее мощная взрывчатка, производящаяся (с 1955) в промышленном масштабе, - октоген (1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазоциклооктан). Октоген довольно устойчив к нагреву, поэтому его используют при взрывных работах в высокотемпературных условиях, например, в глубоких скважинах. Смесь октогена с тротилом (октол) - компонент твердых ракетных топлив. Абсолютный же рекорд держит синтезированный в США в 1990 гексанитроизовюрцитан. Ударная волна при его взрыве распространяется в 30 раз быстрее звука .

Исторически первым взрывчатым веществом, изобретенным людьми, был черный (он же дымный) порох - смесь тонко растертых серы, древесного угля и нитрата калия - калийной селитры (натриевая не годится, так как она гигроскопична, то есть отсыревает на воздухе). Это изобретение за прошедшие века унесло миллионы человеческих жизней. Однако изобрели порох, оказывается, для других целей: древние китайцы более двух тысячелетий назад с помощью пороха устраивали фейерверки. Собственно пиротехника и родилась в древнейшей колыбели цивилизации -- Азии. Состав китайского пороха позволял ему гореть, но не взрываться.

Пиротемхника -- это наука горения, а не только взрыв петард и бенгальских свечей. Пиротехническое вещество (или смесь) -- вещество или смесь веществ, которые предназначены для производства эффекта в виде тепла, огня, звука или дыма или их комбинации в результате самоподдерживающихся экзотермических химических реакций, протекающих без детонации.

Развитию пиротехники способствовала алхимия, от которой заимствовала эмпирические смеси, случайно найденные при производстве опытов. Коренной переворот в пиротехнике произошел в XIV в., с появлением дымного пороха, благодаря которому явилась возможность регулировать быстроту горения состава путем изменения в дозировке компонентов. В России пиротехника появилась в начале XVIII в. в виде казенных фейерверков и иллюминаций, устраивавшихся по случаю различного рода торжеств. Однако без химии очень трудно изготовить, очистить или проверить неизвестные препараты и вещества, а также точно регулировать силу и яркость горения, чистоту цвета, окраски и т. д. Только наиболее передовые пиротехники оценивали исключительное значение знания химии для фейерверочного производства, так как оно гарантировало не только от несчастных случаев, которые в большом числе имели место, но и обеспечивало совершенство изготовления фейерверков, их красоту, разнообразие и дешевизну. Совершенно понятно, что фейерверочное производство должно базироваться на последних достижениях всех отраслей физических и химических наук. Существует несколько школ искусства фейерверков. Китайские фейерверки заметно отличаются от европейских. Европейцы предпочитают стройные каскады залпов, чтобы можно было рассмотреть каждую отдельную фигуру. Сейчас фейерверками больше всех увлечены японцы. Кстати, само слово «Фейерверк» пришло к нам из немецкого языка. По-японски же это слово звучит как “хaна-би” (”хaна” переводится как “цветок”, а “би” - огонь).

Уже несколько тысячелетий люди восхищаются удивительными цветами огней фейерверка. Только с изобретением пороха и с развитием химии, фейерверки стали более изысканными. Так что нужно неплохо разбираться в химии, чтобы создать современный фейерверк.

Пиротехники используют в своей работе разнообразные горючие вещества. Широко представлены неметаллические элементы (кремний, бор, сера). В процессе окисления бора и кремния выделяется большое количество энергии, но не образуются газовые продукты, поэтому эти вещества применяются для изготовления взрывателей замедленного действия (чтобы воспламенить другие составы в определенное время). Многие смеси включают органические углеродсодержащие материалы. Например, древесный уголь (применяется в дымном порохе, снарядах для фейерверков) или сахар (дымовые гранаты). Используются химически активные металлы (алюминий, титан, магний), чье горение при высокой температуре дает яркий свет. Это их свойство стали использовать для запуска фейерверков и прочих пиротехнических забав еще в 19 веке. Праздники от этого только выиграли.

Наиболее известным пиротехническим эффектом фейерверка являются «брызги», цвет которых зависит, как известно, от длины волны излучения. В границах от 380 до 780 нм находится электромагнитное излучение, дающее видимый свет. Когда мы видим красный цвет в «небесном огне» - значит длина волны наибольшая, свет с наименьшей длиной будет воспринят нами как фиолетовый. Если светящийся объект мы видим белым, то он излучает волны во всем видимом спектре. Есть и еще одна закономерность: даже при незначительном повышении температуры горения резко усиливается яркость свечения.

Чтобы получить белую сигнальную ракету, нужно, чтобы пиротехническая смесь содержала активный металл (например, магний). При окислении такого металла образуется его оксид, частицы которого, нагреваясь при температуре более 3 тысяч градусов до «белого каления», дают белый свет. А вот яркую вспышку того же белого цвета получают иначе - используя смесь перхлората калия и мелкого алюминиевого (магниевого) порошка.

Чтобы получить искры белого цвета можно в однородный порошок металла добавить более крупные его частицы, они, оставаясь горячими дольше, горят за счет кислорода воздуха. Чем крупнее частицы, тем дольше будут светиться искры. Искры золотистого цвета дают частицы железа или древесного угля.

Современные фейерверки и прочие пиротехнические забавы имеют удивительные яркие краски и по совсем иным причинам - красота их создается на атомарном или молекулярном уровне. Наиболее сильным светоизлучателем на атомарном уровне является натрий. Его атомы при температуре выше 1 800 градусов дают желто-оранжевый цвет с длиной волны 589 нм. Даже очень небольшое количество натрия в составе может «перекрыть» все другие цвета в «небесном огне». Эта особенность используюется армией США в ночных операциях для освещения местности.

В течение столетий пиротехники двигались долгим путем проб и ошибок. Только в последнее время изыскания были поставлены на научную основу. Используя небольшое количество химических элементов можно воспроизвести почти все цвета. Непрочные соединения, содержащие медь, барий и стронций, создают синий, зеленый и красный цвета (например, гидроксид стронция (SrOH) и хлорид стронция (SrCl) излучают красный цвет в диапазоне длин волн между 605 и 682 нм; хлорид бария (ВаСl) излучает зеленый в диапазоне 507-532 нм). Сложность использования указанных веществ заключается в невозможности сразу помещать их в пиротехническую продукцию (это объясняется нестабильностью, непрочностью при хранении в обычных условиях), поэтому их получают в результате быстрых реакций в процессе горения. Для этого производители добавляют в изделия специальные соединения (хлорсодержащий каучук, поливинилхлорид (хлорсодержащая пластмасса), перхлоратные или хлоратные окислители), выделяющие при высоких температурах хлор, который, соединяясь с барием или стронцием, дает светоизлучающие молекулы.

Очень сложно, оказывается, получить ярко-синий цвет. Лучшее, что найдено - хлорид меди (CuCl), но он нестабилен при высоких температурах, которые нужны для получения интенсивного света. Стоит температуре горения превысить нужную для приемлемого излучения - молекулы распадаются, поэтому приходится строго следить за составом и размерами частиц нужных химических компонентов. Те же сложности испытывают пиротехники с фиолетовым и лиловым цветами (они получаются при совместном свечении образующихся при горении хлорида меди и хлорида стронция). Спецэффекты не лишены секретов. Карбонат стронция (цвет) и гранулы алюминия (искры) помогают создать каскад красных искр. Нитрат стронция в смеси с перхлоратом калия и разными горючими составляющими дает отчетливо красный свет (сигнальные ракеты).

Конечно, светящиеся в небе огни используются не только для развлечений. В районах боевых действий применяются специальные сигнальные ракеты. Иногда огнями можно осветить все поле боя или передать необходимые послания. Суда, терпящие кораблекрушение, взывают о помощи разноцветными ракетами и огнями.

Демонстрационный опыт «Фейерверк в стакане»

В цилиндр на 200 мл наливают 50 мл концентрированной серной кислоты. Осторожно по стенке цилиндра приливают сверху такой же объем этилового спирта. Спирт надо приливать так, чтобы между слоем спирта и кислотой сохранялась четкая граница. Далее в цилиндр бросают несколько кристалликов КMnО₄ (чем крупнее кристалл, тем лучше). На границе кислоты и спирта с треском вспыхивают огоньки в виде фейерверка - это загорается спирт от сильных окислителей HMnO₄ и Mn₂O₇, образующихся в реакции KMnO₄ c Н₂SO₄ (конц.).

фейерверк порох взрывчатый пиротехнический

Литература

1. Советская военная энциклопедия. М., 1978.

2. Поздняков З. Г., Росси Б. Д. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания. -- М.: «Недра», 1977. -- 253 c.

3. Л.И.Бегал. Химия и технология инициирующих взрывчатых веществ. М., Машиностроение, 1975

4. В.Штрубе. Пути развития химии. М., Мир, 1984

Размещено на Allbest.ru