Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
2. Уравнение реакции:
10 NH4NO3 + 0,66 C7H5(NO2)3 + 1,85 Al = C
4,62H43,30N21,98O33,96Al1,85
3. Упрощенный кислородный баланс ВВ.
При полном окислении всех горючих элементов в составе ВВ:
Н → Н2О: 43,30 · 0,5 = 21,65 (на 1 атом H требуется 0,5 атома O)
С → СО2: 4,62 · 2 = 9,24 (на 1 атом C требуется 2 атома O)
Al → Al2O3: 1,85 · 1,5 = 2,78 (на 1 атом Аl требуется 1,5 атома О)
________________
mтр = 33,67
Имеющееся количество кислорода m = 33,96. Следовательно mтр
< m, кислородный баланс положительный. Продуктами взрыва будут:
Н2О, Al2O3, СО2, О2, N2.
4. Уравнение химической реакции:
C
4,62H43,30N21,98O33,96Al1,85
(тв) = 21,65H2O(г) + 4,62CO2(г) +
+ 21,98N2(г) + 0,925Al2O3(тв)+ 0,145О2(г).
2.5. Факторы, придающие явлению
характер взрыва
Способность химических систем к взрывчатым превращениям
определяется следующими тремя факторами: 1) экзотермичностью
процесса; 2) большой скоростью его распространения и 3) наличием
газообразных (парообразных) продуктов реакции. Эти свойства могут
быть у различных ВВ выражены в различной степени, однако только
их совокупность придает явлению характер взрыва.
Рассмотрим значение каждого из этих факторов.
1. Экзотермичность реакции. Выделение тепла является первым
необходимым условием возникновения взрывного процесса. Если
бы реакция не сопровождалась выделением теплоты, то самопроизвольное развитие ее, а следовательно, и самораспространение взрыва
было бы исключено. Очевидно, что вещества, требующие для своего распада постоянного притока энергии извне, 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 критерием работоспособности ВВ и
важнейшей их характеристикой.
.
31
Для современных ВВ, нашедших наиболее широкое применение
D
в технике, теплота взрывчатого превращения изменяется в пределах
от 3000 до 7000 кДж/кг.
2. Большая скорость процесса. Наиболее характерным признаком взрыва, резко отличающим его от обычных химических реакций,
является большая скорость процесса. Переход к конечным продуктам
взрыва происходит за стотысячные или даже миллионные доли секунды. Большая скорость выделения энергии определяет преимущества ВВ по сравнению с горючими веществами.
О быстроте протекания процессов взрывчатого превращения принято судить на основании данных о линейной скорости распространения взрыва по заряду ВВ (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Распространение взрывчатого превращения по заряду ВВ
(D – скорость детонации ВВ)
Максимальная скорость распространения взрыва (скорость детонации –
) для современных ВВ, применяемых в технике, изменяет-
ся в пределах от 2000 до 9000 м/с.
3. Газообразование. Химическая реакция взрывчатого превращения всегда сопровождается выделением большого количества газообразных продуктов, находящихся в момент взрыва в чрезвычайно
сжатом состоянии. Эти продукты являются теми физическими агентами, в процессе расширения которых осуществляется очень быстрый
переход потенциальной энергии ВВ в механическую работу или кинетическую энергию движущихся газов.
Газы наносят удар по окружающей место взрыва среде, вызывая
разрушение объектов, находящихся в непосредственной близости от
заряда ВВ.
Например, для нитроглицерина реакция взрывчатого превращения
имеет вид
32
С H (ONO ) (ж) 2,5H O(г) 3CO (г) 1,5N (г) 0,25O (г).= +++
( )
×
2
CO
m
2
HO
m
( )
( )
г
2,5 3 1,5 0, 2 5 22, 4
0,715
1 3 12 5 1 3 14 9 16
V
++ + ×
==
× × +×+× +×
3 5 23 2 2 2 2
Объем газообразных продуктов
где
+ ++ ×
H O CO N O
2 2 22
=
V
г
,
,
m ,
m – число молей диоксида углерода, паров
N
O
2
2
mM
22, 4m m mm
,
воды, азота и кислорода в уравнении реакции; m – число молей ВВ
в уравнении реакции; M – молярная масса ВВ, г/моль.
Отсюда
м3/кг.
При температуре 20 °С плотность нитроглицерина ρ
= 1,591 кг/л,
0
таким образом, на 1 л нитроглицерина образуется 1,591·715 = 1138 л
газообразных продуктов.
Объем газообразных продуктов взрыва (приведенный к нормаль-
ным физическим условиям) некоторых ВВ приведен в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Объем продуктов взрыва
Объем
газообразных
Взрывчатое
вещество
Пикриновая
кислота
ρ
= 1,74 г/см
0
3
Тротил
ρ
= 1,62 г/см
0
3
Нитрогликоль
ρ
= 1,496 г/см
0
Нитроглицерин
ρ
= 1,591 г/см
0
Тэн
ρ
= 1,780 г/см
0
Тетрил
ρ
= 1,730 г/см
0
Уравнение реакции
С6H2(NO2)3OH = 1,5H2O + 5,5CO + 1,5N2 +
0,5С(тв)
С7H5(NO2)3 = 2,5H2O + 3,5CO + 1,5N2 + 3,5С(тв) 740 1199
С2H4(ONO2)2 = 2H2O + 2CO2 + N2 737 1103
3
С3H5(ONO2)3 = 2,5H2O + 3CO2 + 1,5N2 + 0,25O2715 1138
3
C5H8(ONO2)4 = 4Н2О + 3СO2 + 2CO +2N
3
C7H5N5O8 = 2,5Н2О + 5,5CO +2,5N2 + 1,5С(тв) 820 1419
3
2
продуктов
взрыва V
, л
г
на 1 кг ВВна 1 л
ВВ
831 1446
780 1388
33
Окончание табл. 2.1
Объем
газообразных
Взрывчатое
вещество
Уравнение реакции
продуктов
взрыва V
, л
г
на 1 кг ВВна 1 л
ВВ
Гексоген
ρ
= 1,806 г/см
0
Октоген
ρ
= 1,905 г/см
0
C3H6N6O6 = 3H2O + 3CO + 3N
3
C4H8N8O8 = 4H2O + 4CO + 4N
3
2
2
908 1640
908 1730
Таким образом, на 1 л обычных ВВ образуется около 1000 л газообразных продуктов, которые находятся в момент взрыва под очень
большим давлением.
34
ТЕМА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
ПО СОСТАВУ И ПРИМЕНЕНИЮ
В настоящее время известно огромное число ВВ, отличающихся
большим разнообразием, как по составу, так и по своим физико-химическим и взрывчатым свойствам.
Все ВВ могут быть подразделены на две основные группы:
1) взрывчатые химические соединения и 2) взрывчатые смеси.
3.1. Взрывчатые химические соединения
К взрывчатым химическим соединениям, в которых сочетаются
горючие элементы и кислород, относятся вещества ряда классов. Основными из них и имеющими практическое применение являются ни-
троэфиры и нитросоединения ароматических углеводородов.
1. Нитроглицерин (рис. 3.1) – С3Н5(ONO2)3, тяжелая, масляни-
стая жидкость.
Технический нитроглицерин имеет желтовато-коричневый цвет.
Он взрывается уже при очень слабом ударе, от прикосновения раскаленного железа. Зажженный нитроглицерин в небольших количествах горит голубоватым пламенем.
Рис. 3.1. Структурная формула нитроглицерина
Теплота взрыва нитроглицерина 6,3 МДж/кг, скорость детонации
7,7 км/с, объем газообразных продуктов взрыва 713 л/кг.
Нитроглицерин получают тройной нитрацией чистого глицерина
смесью серной и азотной кислот.
2. Нитрогликоль (рис. 3.2) – С2Н4(ОNО2)2, по свойствам похож на
нитроглицерин.
35
Нитрогликоль прозрачная маслообразная летучая жидкость; имеет невысокую химическую стойкость, чувствительность к механическим воздействиям ниже, чем у нитроглицерина.
Рис. 3.2. Структурная формула нитрогликоля
Теплота взрыва нитрогликоля 6,9 МДж/кг, скорость детонации
7,4 км/с.
3. Тринитрофенол (пикриновая кислота) (рис. 3.3) –
(NО2)3ОН.
С
6Н2
Пикриновая кислота – ароматическое нитросоединение. Светложелтые кристаллы. Бризантное взрывчатое вещество. С металлами и
аммиаком образует высокочувствительные соединения – пикриты.
Рис. 3.3. Структурная формула тринитрофенола
Пикриновая кислота применялась в конце XIX – начале XX в. под
названием: мелинит (Россия, Франция), лиддит (Великобритания), шимоза (Япония). Использовалась также как желтый краситель для шелка.
4. Тринитротолуол (тротил, тол) (рис. 3.4) – С7H5(NO2)3.
Ароматическое нитросоединение – это кристаллы светло-желтого
цвета.
Взрывчатые свойства: теплота взрыва 4,2 МДж/кг, скорость детонации 7,0 км/с, объем газообразных продуктов взрыва 730 л/кг. Тротил малочувствителен к удару и трению.
36
Рис. 3.4. Структурная формула тринитротолуола
Получают его нитрованием толуола смесью азотной и серной кислот
с последующей очисткой водным раствором сульфита натрия (Na2SO3).
При взрыве тротила образуется большое количество токсичного
оксида углерода.
5. Тринитрофенилметилнитрамин (тетрил) (рис. 3.5) –
C6H2(NO2)3N(NO2)CH
3.
Тетрил имеет два вида связи нитрогрупп с атомами углерода − непосредственную и через азот. Химически чистый тетрил представляет собой белые кристаллы, а технический перекристаллизационный −
кристаллы светло-желтого или желтого цвета.
В литом виде тетрил не применяют, так как при температуре плавления он заметно разлагается.
Теплота взрыва тетрила 4,6 МДж/кг, скорость детонации
7,0…7,2 км/с, объем газообразных продуктов взрыва 710 л/кг.
Рис. 3.5. Структурная формула тетрила
Тетрил очень восприимчив к детонации и хорошо передает ее другим ВВ. Поэтому его применяют в детонаторах как инициирующее ВВ.
37
6. Тэн (пентаэритриттетранитрат) (рис. 3.6) – C5H8(ONO2)4.
Рис. 3.6. Структурная формула тэна
Белый кристаллический порошок, теплота взрыва 5,8 МДж/кг,
скорость детонации 8,3 км/с. Получают нитрованием пентаэритрита
концентрированной азотной кислотой или смесью ее с серной кислотой.
7. Гексоген (рис. 3.7) – C3H6N3(NO2)3.
Рис. 3.7. Структурная формула гексогена
Белый, нерастворимый в воде кристаллический порошок, скорость
детонации 8,4 км/с, теплота взрыва 5,4 МДж/кг. Опасен в обращении.
Гексоген получают из гексаметилентетрамина (уротропина) и
азотной кислоты.
Все перечисленные взрывчатые химические соединения в своем
составе содержат кислород.
Имеется, однако, достаточное число взрывчатых экзотермических
соединений, не содержащих кислород, которые в условиях взрыва
разлагаются на свои составные элементы. Примером такого типа соединений может служить азид свинца Pb(N3)2, разлагающийся при
взрыве на свободный азот и свинец с выделением энергии, равной теплоте образования этого азида из элементов.
38
Подобные соединения, как правило, обладают недостаточно проч-
ССº
NX-
NN=
NC=
NO=
OO-
O Cl-
ной молекулярной структурой и повышенной чувствительностью к
внешним воздействиям, что сильно ограничивает, а часто вовсе исключает возможность их практического использования.
В качестве примера таких особенно непрочных соединений могут
служить галоидные и сернистые соединения азота: NCl3, NHJ2, N4S4,
которые легко взрываются от ничтожных механических воздействий.
Неустойчивость взрывчатых соединений, согласно Вант-Гоффу, обусловливается присутствием в их молекулах особых так называемых
эксплозофорных атомных комплексов, к числу которых относятся:
– группа
– группа
– группа
– группа
– группа
– группа
– группа
– присутствует в производных ацетилена;
– в галоидных соединениях азота;
– в азидах, диазосоединениях, тетрозолах;
– в солях гремучей кислоты или фульминатах;
– в нитратах и нитросоединениях;
– в перекисях и озонидах;
– в хлоратах и перхлоратах.
3.2. Смесевые взрывчатые вещества
В принципе ВВ может быть любая смесь горючего с окислителем.
Старейшее из этих веществ – черный (дымный) порох – и является
смесью двух горючих (уголь – 15 % и сера – 10 %) и окислителя (калиевая селитра – 75 %). Другой вид подобных смесей – оксиликви-
ты – представляет собой тонкодисперсное горючее (сажа, мох и т.п.),
пропитанное жидким кислородом.
В состав смесевых ВВ вводятся следующие компоненты.
Окислители – вещества, содержащие избыточный кислород, расходующийся при взрыве на окисление горючих элементов. В качестве окислителя применяют аммиачную селитру (NH4NO3), калиевую
(KNO3), натриевую (NaNO3), перхлорат калия (KСlO4), перхлорат аммония (NH4СlO4) и т.д.
Горючие добавки – твердые или жидкие вещества, богатые углеродом и водородом – это древесная мука, дизельное топливо или пудры (порошки) легкоокисляющихся и выделяющих при этом большое
количество тепла металлов (алюминия, магния). Горючие добавки
вводятся в состав ВВ для увеличения количества тепла, выделяемого
при взрыве. Роль горючих добавок выполняют также взрывчатые хи-
39
мические соединения (тротил, гексоген и т.д.), находящиеся в своем
составе недостаточное количество кислорода для полного окисления
содержащихся в них горючих элементов. При этом часть углерода,
выделяемого при взрыве таких ВВ в виде оксида, в свободном состоянии или в виде горючих соединений, реагирует с избыточным кислородом окислителя, повышая теплоту и общую энергию взрыва.
Сенсибилизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к начальному импульсу и передаче детонации. Это, как правило, мощные ВВ (тротил, гексоген, нитроглицерин),
которые в смеси с малочувствительными ВВ (аммиачная селитра и т.п.)
и с невзрывчатыми веществами (соляровое масло, древесная или хлопковая мука) обеспечивают нормальную чувствительность такого смесевого ВВ к инициированию капсюлем-детонатором, электродетонатором или детонирующим шнуром. Одновременно с этим они повышают
энергетические характеристики этого смесевого ВВ.
Стабилизаторы – вводятся в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. В качестве стабилизатора используют
мел и соду, древесную жмыховую и хлопковую муку, которые выполняют роль горючих добавок и повышают стабильность свойств ВВ.
Флегматизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ для снижения их чувствительности, что обеспечивает более безопасные условия их применения.
Это, как правило, легкоплавкие вещества, масла, имеющие высокую теплоемкость и высокую температуру вспышки, обволакивающие частицы чувствительного ВВ и не вступающие с ним в реакцию.
В качестве флегматизатора используют: вазелин, парафин, различные
масла, тальк и т.д. Так, перед изготовлением промышленных ВВ с добавками гексогена его флегматизируют добавлением 5%-ного расплавленного парафина.
Пламегасители – вводятся в состав только предохранительных
ВВ для снижения температуры взрыва, чем уменьшается вероятность
воспламенения метана и угольной пыли в шахтах. В качестве пламегасителей применяют хлорид натрия (NaCl), хлорид калия (КСl), хлорид аммония (нашатырь – NH4Сl) и т.д.
Пламегасители, не участвуя в реакции при взрыве, поглощают
часть тепла на свое нагревание и испарение, за счет чего снижается
температура газов взрыва. Кроме того, они играют роль отрицательных катализаторов (ингибиторов), которые задерживают реакцию
воспламенения метана горячими газами взрыва.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]