276

Как видно из таблицы, круг горючих веществ, способных образовывать детонирующие смеси, достаточно широк, причем способность их к детонации повышается в смесях с кислородом. Несмотря на то, что концентрационные пределы детонации несколько уже дефлаграционных, следует всегда иметь в виду, что опасность детонации от этого н е снижается, и последствия ее всегда катастрофичны.

.

12.6. Взрывчатые вещества

Вещество называют взрывчатым, если оно обладает способностью моментально по всей своей массе разлагаться с выделением значительного количества тепла и образовывать газообразные продукты. Или другими словами, вещества, способные к химическим реакциям, сопровождающимся взрывом, называют взрывчатыми веществами (ВВ).

Например, взрыв 1 кг тротила (тринитротолуола) происходит за одну стотысячную долю секунды. При этом образуются газы, объем которых при нормальных условиях (00С) составляет 700 л. Известно, что при нагревании на один градус объем газа увеличивается на 1/273 первоначального объема.

Температура взрыва достигает 30000С, и при этих условиях объем этих газов составит 8400 л (в 12 раз больше).

Тротил имеет плотность 1,6 кг/л, т.е. 1 кг занимает объем

Vтр= 1/1,6 = 0,66 л.

Вследствие огромной скорости реакции и большой скорости ее распространения по веществу образующиеся газы не успевают заметно расшириться и занимают в момент образования тот объем, который занимало твердое

277

вещество. В этом случае давление продуктов взрыва в этом объеме должно быть равно Р = 8400/0,66 = 13000 атм.

Поскольку такое давление возникает за очень малый промежуток времени, то оно действует как резкий удар огромной силы, который вызывает разрушение или отбрасывание предметов, окружающих заряд взрывчатого вещества.

Таким образом, для конденсированных взрывчатых веществ отношение объема продуктов горения к объему твердого вещества может достигать значений 8 – 9, в этом случае вклад этого фактора становится определяющим. Именно поэтому давление взрыва конденсированных взрывчатых веществ намного больше, чем паровоздушных смесей. Расчет давления взрыва для конденсированных взрывчатых веществ может быть сделан с использованием следующего уравнения:

где Р0 – начальное давление, Па;

Твзр. – температура взрыва, К;

Т0 – начальная температура взрыва, К;

VПГ – объем газообразных продуктов взрыва, м3;

VТв.В.В. – объем исходного твердого вещества, м3.

Химические превращения ВВ могут протекать в различных формах, а именно в форме термического распада, горения и детонации.

Основное отличие детонации от горения заключается в том, что разогрев, вызывающий реакцию, передается не теплопроводностью, а ударной волной. Передача энергии волной происходит намного быстрее, чем теплопроводностью.

278

Таблица 12.6

Параметры детонационной волны некоторых ВВ

Взрывчатыми могут быть только те вещества, при химическом превращении которых выделяется теплота. Количество тепла, выделяющееся при взрывном разложении вещества, может также служить характеристикой ВВ.

Полная работа взрыва определяется следующими факторами:

1.Работа взрыва тем больше, чем больше соотношение объема газов после и до взрыва (конечного и начального объемов).

2.Чем выше значение теплоты взрыва QV, тем больше работа взрыва.

3.Чем меньше теплоемкость продуктов взрыва, тем больше работа

взрыва.

279

4.Так как теплоемкость растет с увеличением числа атомов в молекуле, то выгоднее иметь в составе продуктов взрыва больше двухатомных газов (например, азота N2); вместе с тем, чем больше двухатомных газов, тем больше объем продуктов взрыва, что тоже приводит к увеличению работы взрыва.

5.Твердые вещества обладают большой теплоемкостью. Чем больше в продуктах взрыва твердых веществ, тем больше общая теплоемкость продуктов взрыва и тем меньше работа взрыва.

12.6.1.Краткие сведения об основных взрывчатых веществах

Взависимости от чувствительности к внешним воздействиям и способности к переходу от горения к детонации взрывчатые вещества разделя-

ются на три основные группы ВВ.

Инициирующие, или первичные ВВ используются для возбуждения детонации или горения взрывчатых веществ других групп. Горение и детонация инициирующих ВВ происходит при незначительной затрате внешней энергии в результате теплового или механического воздействия (нагревание, удар, трение).

Бризантные, или вторичные ВВ используются для изготовления разрывных снарядов боеприпасов и для взрывных работ. Горение их переходит

вдетонацию только при определенных условиях (например, при горении большой массы вещества с большим числом пор или при горении в замкнутом прочном сосуде). При применении бризантных ВВ детонацию их вызывают с помощью взрыва вспомогательного заряда инициирующего (первичного) ВВ или с помощью взрыва заряда другого бризантного ВВ.

Пороха, или метательные ВВ используются в качестве метательных зарядов для огнестрельного оружия и в качестве топлива для реактивных двигателей. По составу они близки к бризантным ВВ, но горение их более устойчиво. Горение порохов не переходит в детонацию даже при давлении в несколько тысяч атмосфер.

280

При определенных условиях (например, при воздействии на них достаточно мощного начального импульса или если диаметр их больше критического) пороха могут детонировать. Некоторые из порохов имеют большой критический диаметр, и, кроме того, детонация порохов возможна только при взрыве мощного детонатора, - по этим причинам возникло мнение, что пороха не могут детонировать.

Инициирующие взрывчатые вещества

Гремучая ртуть [Hg(CNO)2] – соль гремучей кислоты HCNO, фульминат ртути - белый или серый кристаллический порошок с плотностью 4,4 г/ см3. Температура вспышки 175 – 1800С. Легко взрывается от незначительного удара и трения. Разложение гремучей ртути происходит в соответствии с уравнением

[Hg(CNO)2] → Hg + 2CO + N2 + 494 кДж.

Может гореть, но горение легко и быстро переходит в детонацию. Известны случаи детонации в результате падения коробки с сухой гремучей ртутью, в результате падения какого-либо предмета на рассыпанную гремучую ртуть и т.д.

Азид свинца [Pb(N3)2] – соль азотистоводородной кислоты HN3, белый порошок с плотностью 4,8 г/ см3 и температурой вспышки 330-3400С.

Обладает высокой чувствительностью. Известны случаи, когда азид свинца взрывался в результате нажима ногтем на его кристаллы. Для уменьшения чувствительности его флегматизируют парафином.

Бризантные взрывчатые вещества

Бризантные ВВ могут быть однородными и неоднородными (взрывчатые смеси).

I. Однородные бризантные ВВ

По химическому строению однородные бризантные ВВ разделяются на 2 группы: нитросоединения и нитроэфиры.

281

НИТРОЭФИРЫ – азотнокислые нитраты спиртов или углеводов. 1. Азотнокислые эфиры углеводов: главным представителем этих ВВ

являются нитраты целлюлозы (нитроклетчатки). В зависимости от содержания азота делят на две разновидности: пироксилины (содержание азота 12

– 13,5 %) и коллоксилины (содержание азота 11,5 – 12 %).

Нитроцеллюлоза и пироксилин были открыты в 1832 г. Браконо. В

1846 – 1848 г.г. Г.И. Гесс и А.А. Фадеев исследовали свойства пироксилина и показали, что он по мощности в несколько раз превосходит дымный порох.

Взрывное разложение пироксилина может быть представлено уравнением:

2C6H7O2(ONO2)3 → 3N2 + 9СО + 3СО2 + 7Н2О.

При взрыве 1 кг пироксилина совершается работа, равная подъему 470 тонн на высоту 1 метр.

Пироксилин применяется для изготовления пироксилиновых порохов. По чувствительности пироксилин близок к гексогену. Сухой пироксилин при плотности 1,3 г/см3 имеет скорость детонации около 6500 м/с.

Коллоксилин менее чувствителен, чем пироксилин, и опасен главным образом в пожарном отношении. Хранят нитроклетчатку во влажном состоянии (с содержанием влаги до 30 %).

Коллоксилин используют для получения лаков, целлулоида.

2. Азотнокислые эфиры спиртов.

Глицеринтринитрат (нитроглицерин)[C3H5(ONO2)3 – маслянистая жидкость плотностью 1,6 г/мл, с температурой вспышки 1800С. Впервые был получен итальянским химиком Собреро в 1846 г.

Чистый, не содержащий кислотных примесей нитроглицерин менее взрывчат, и более прочен.

Нитроглицерин очень чувствителен к механическим воздействиям (толчкам, ударам, зажиганию гремучей ртутью). От пламени загорается с трудом и сгорает без взрыва.

282

При взрыве 1 г нитроглицерина образует 467 см3 газов, а 1 л – 750 л газов (порох только 280 л).

Чтобы сделать нитроглицерин менее опасным при хранении, транспорте и применении, а также для лучшего использования его взрывной силы, его смешивают с кизельгуром (панцири инфузорий, инфузорная земля) и получают твердый динамит. 100 г кизельгура впитывает 75 г нитроглицерина.

Готовый динамит без взрыва переносит толчки, падение, трение. Однако внезапное нагревание, взрыв гремучей ртути может привести к взрыву.

Так же как и нитроглицерин, динамит не следует доводить до замерзания, которое происходит при – 40С. Оттаивание можно проводить только очень медленно с помощью влажного, умеренно теплого песка. Замерзший динамит нельзя подвергать резкому нагреванию (пламенем, искрами и даже комнатной температурой).

НИТРОСОЕДИНЕНИЯ представляют собой важнейший класс бризантных ВВ. Они характеризуются значительным фугасным и бризантным действием при малой чувствительности к механическим воздействиям. Эти вещества особенно пригодны для снаряжения артиллерийских снарядов и других боеприпасов. Достоинством этих соединений является их химическая стойкость.

Тротил или тринитротолуол [C6H2CH3(NO2)3 – желтый кристалли-

ческий порошок или чешуйки. Плотность 1,66 г/см3, температура вспышки 3000С. Температура затвердевания чистого ТНТ 80,850С, поэтому часто его используют в плавленом виде.

Литой тротил детонирует не от капсюля-детонатора, а только в результате взрыва промежуточного детонатора из прессованного бризантного ВВ. Скорость детонации до 6900 м/с.

Насыпной тротил более чувствителен к детонации, чем литой.

283

Горение тротила обычно не переходит в детонацию, однако если оно протекает в замкнутом сосуде с прочными стенками или в больших массах тротила, то возможна детонация.

Тротил не реагирует с металлами, но может реагировать со щелочами, образуя тротилаты. Тротилаты менее опасны, чем пикраты, но при их образовании выделяется значительное количество тепла, что может привести к возгоранию. Зарегистрирован случай воспламенения тротила в результате контакта с мыльной эмульсией.

Хотя горение тротила, как и других ВВ, происходит за счет кислорода, находящегося в самом тротиле, горящий тротил можно и нужно тушить водой. Вода, попадая на него, испаряется, на испарение требуется много тепла, поэтому температура продуктов горения уменьшается. Из-за недостатка тепла следующие слои не нагреваются до температуры вспышки, и горение прекращается.

Тротил является основным бризантным взрывчатым веществом для снаряжения боеприпасов. Его применяют в значительных количествах в сплавах с другими нитросоединениями: с гексогеном для снаряжения кумулятивных снарядов малого калибра; с 20 % динитронафталина под названием К-2; с 5 % ксилила под названием сплава Л и др. Из тротила готовят патроны и шашки для взрывных работ, в военное время применяли в смеси с селитрой.

Гексоген или циклотриметилентринитрамин [C3H6O6N6] - белое

284

Чтобы различить флегматизированный гексоген, в флегматизатор добавляют оранжевый краситель.

Нефлегматизированный гексоген используется для снаряжения боеприпасов в сплавах с тротилом. В этом случае тротил является флегматизатором. Такие смеси менее чувствительны, чем гексоген, и обладают большей мощностью, чем тротил.

II. Неоднородные бризантные ВВ.

К неоднородным бризантным ВВ относятся смеси окислителя с взрывчатым веществом или горючим.

1. Аммиачно-селитренные ВВ, содержащие в качестве окислителя аммиачную селитру NH4NO3 – аммониты.

Аммониты, состоящие из смеси тротила с селитрой, содержащие более 20 % тротила, называются аммотолами. По чувствительности и опасности при изготовлении эти вещества опаснее тротила.

Аммоналы – аммониты, содержащие алюминиевую пудру. Эти смеси могут загораться при соприкосновении с водой. Тушить водой при загорании категорически запрещается.

Динамоны - смеси аммиачной селитры с горючими невзрывчатыми добавками (сухим торфом, древесной корой и т.д.).

III. Метательные взрывчатые вещества, или пороха.

Для этих веществ характерным видом взрывного превращения является горение, не переходящее в детонацию даже при высоких давлениях, которое развивается в условиях выстрела. Эти вещества используются для сообщения пуле или снаряду движения в канале ствола оружия и для сообщения движения ракетным снарядам.

Для возбуждения горения порохов необходимо действие на них пламе-

ни.

285

Пороха разделяются на две группы: пороха – механические смеси (и как разновидность - твердые ракетные топлива) и пороха на основе нитроклетчатки.

1. Пороха – механические смеси.

До недавнего времени из этой группы веществ наиболее значительное практическое применение находил дымный (черный или охотничий) порох.

Черный порох был изобретен в Китае 800 г. до н.э.

Дымный порох состоит из гранул темно-зеленого или черного цвета. Он состоит из 75 % селитры (чаще калийной КNO3), 10-12 % угля и 12-16 % серы. Воспламеняется при температуре 270 – 3000С, развивает температуру при взрыве 22000С, скорость горения до 300 м/с и давление до 6000 атмосфер.

Горение черного пороха можно представить следующим уравнением:

2KNO3 + 3C + S → N2 + 3CO2 + K2S(тв)

При горении пороха селитра разлагается с выделением кислорода. Этот кислород необходим для горения угля и серы, которые играют роль горючего. Сера, кроме этого, является цементатором – цементирует частица угля и селитры.

Дымный порох мало чувствителен к удару, но очень чувствителен к пламени, он загорается в результате воздействия даже незначительной искры. Известны случаи воспламенения пороха в результате образовавшейся фрикционной искры от трения обуви с металлическими гвоздями о цементный пол.

Порох воспламеняется при соприкосновении с пламенем, раскаленными телами, электрической искрой при нагревании до 2700С, фрикционных искр.

Самопроизвольно порох может взрываться только в том случае, если селитра содержит примеси хлора.

Чувствительность пороха значительно уменьшается в присутствии влаги. При содержании влаги 15 % порох теряет способность к воспламенению.

286

Задания для самоконтроля

1.Что называется взрывом?

2.Приведите примеры физических и химических взрывов.

3.В чем различие механизмов дефлаграционного и детонационного горения?

4.Что называется максимальным давлением взрыва?

5.Что называется избыточным давлением взрыва?

6.Что такое тротиловый эквивалент взрыва?

7.Приведите примеры конденсированных взрывчатых веществ?

8.Как выглядит характер изменения давления от времени в ударной волне?

9.Назовите основные параметры, определяющие интенсивность ударной волны. 10. От чего зависит избыточное давление и длительность фазы сжатия в ударной

волне?

11. Перечислите 5 основных уравнений, характеризующих детонацию.

12. Назовите основную причину ускорения горения при переходе в детонацию. 13. Назовите основной критерий возможности детонации в трубопроводах. 14. Приведите пример технического устройства защиты от взрыва.

15. Вычислите максимальное давление взрыва нафталина С8Н10, если начальная температура 300С, начальное давление 0,1 МПа, температура взрыва 17000С.

16. Вычислите максимальное давление взрыва материала, состоящего из 80% углерода и 20 % водорода, если начальная температура 250С, начальное давление 110 кПа, температура взрыва 14000С.

17. Вычислить избыточное давление взрыва паров этилацетата С4Н10О2 , если в по-

мещении размерами 15×10×6 м было разлито 30 л жидкости. Температура 250С, скорость воздушного потока в помещении 0,3 м/с.

18. Рассчитать тротиловый эквивалент взрыва 50 кг пропана.