Глава 4

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

При взрыве развивается крайне высокая мощность выделения энергии химической реакции. Если процесс происходит в небольшом объеме, то выделяющиеся газообразные продукты реакции создают огромное давление, которое вызывает сильные разрушения окружающих материалов. Например, взрыв тонны взрывчатого вещества (ВВ) может за время ~10^-4 с создать давление порядка сотен тысяч атмосфер и вызвать образование мощной ударной волны. Поэтому взрыв нашел широкое применение в военной области для разрушения сооружений, коммуникаций и военной техники, а также для поражения людей.

Широко встречаются случаи, когда взрыв является нежелательным процессом. Практически любая газовая смесь горючего с воздухом может взрываться при определенных условиях (например, при утечке природного газа в квартирах). Практически любой горючий материал, взвешенный в воздухе в тонко измельченном виде, может дать при поджигании в определенных условиях т.н. пылевой взрыв. Известны взрывы, в которых в виде пылей участвовали такие материалы, как уголь, сажа, древесина, бумага, пробка, отруби, солод, крахмал, сахар, мука, шерсть, пакля, алюминий, магний, смола, сера, нафталин и др.

Для пылевидных смесей их способность к взрыву зависит от степени измельчения (дисперсности) горючего материала, а также от его концентрации в воздухе. Для таких смесей есть нижний концентрационный предел взрываемости, который, в свою очередь, зависит от мощности источника зажигания.

4.1. Характеристика процессов протекающих при взрыве

Ударная (взрывная) волна – порожденное взрывом движение окружающей среды, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры газов. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, первоначально невозмущенная среда испытывает резкое сжатие и приобретает большую скорость. Состояние движения передается от одного слоя среды к другому так, что область, охваченная взрывной волной, быстро расширяется. Скорость распространения взрывной волны превышает скорость звука. Разрушающее действие взрывной волны, связанное с созданием избыточного давления в среде, ослабевает пропорционально квадрату расстояния от места взрыва.

Основным параметром ударной волны является величина максимального избыточного давления, которое создается в окружающей среде. Особенности ударных волн:

• Скорость распространения ударных волн всегда больше скорости звука в невозмущенной среде и зависит от интенсивности ударной волны;

• Время действия ударной волны зависит от мощности взрыва;

• Ударные волны сопровождаются перемещением среды в направлении распространения волн возмущения;

• Во фронте ударной волны параметры состояния и движения среды изменяются скачком;

• Сила воздействия ударной волны постепенно уменьшается с расстоянием от точки взрыва.

Экзотермичность реакции.

Это первое необходимое условие, без которого возникновение взрывчатого процесса было бы невозможно. Без этого не произошло бы самораспространение взрыва и саморазогрева газообразных продуктов реакции до температуры несколько тысяч градусов и их расширение. Чем выше теплота реакции, тем более разрушителен взрыв. Для современных взрывчатых веществ, наиболее широко применяющихся на практике, теплота реакции находится в пределах от 3 до 7 мДж/кг.

Большая скорость процесса.

Это наиболее характерный признак, отличающий взрыв от обычных химических реакций. Переход к продуктам реакции обычно происходит за стотысячные и даже за миллионные доли секунды. Поэтому в очень небольшом пространстве происходит колоссальная концентрация энергии, которая недостижима при любых других реакциях.

Особенно большие плотности энергии достигаются при взрыве конденсированных (твердых или жидких) веществ, которые и находят широкое применение в технике. Как было сказано выше, скорость распространения взрывного процесса по взрывчатому веществу (детонационная волна) может достигать величин 7-10 км/с.

Газообразование. Высокое давление и обусловленный им разрушительный эффект взрыва не мог бы быть достигнут, если бы реакция не сопровождалась выделением большого количества газообразных продуктов. Обычно из 1 л обычных взрывчатых веществ образуется около 1000 л газообразных продуктов, которые в момент взрыва находятся в небольшом пространстве, занимаемом до этого взрывчатым веществом. Максимальное давление при взрыве конденсированных ВВ может достигать сотен тысяч атмосфер.

При взрыве же газообразных ВВ увеличения объема не происходит, а иногда происходит даже его уменьшение (например, в смеси водорода и кислорода). Однако за счет экзотермичности и высокой скорости реакции давление при взрыве может достигать порядка 10 атм. Поэтому так опасны взрывы природного газа в шахтах и квартирах при его утечке.

Взрывчатые вещества представляют собой вещества или их композиции, которые содержат и окислитель (обычно кислород в виде различных функциональных групп – нитро, перхлораты), и восстановитель (органические соединения, алюминий, магний). Все они являются термодинамически неустойчивыми системами, способными под влиянием внешних воздействий (часто очень незначительных) к быстрому экзотермическому превращению.

Применяется разная классификация взрывчатых веществ: по характерной в условиях эксплуатации форме химического превращения, по чувствительности к внешним воздействиям, по химической природе или составу, по условиям применения.

Важной характеристикой ВВ является также их детонационная стойкость, мерой которой служит критический диаметр детонации, т.е. наименьший диаметр цилиндрического заряда, при котором детонация распространяется, несмотря на разброс вещества из зоны реакции. Детонационная способность тем больше, чем меньше критический диаметр.

К индивидуальным ВВ можно в принципе отнести любые химические соединения, у которых при внешних воздействиях может произойти взрыв. Обычно процесс происходит в виде внутримолекулярного окисления. В настоящее время известно довольно большое количество ВВ, из которых на практике применяют 2-3 десятка. По своему составу они делятся на индивидуальные и смеси на их основе.