Reakcje Wybuchowe

Marek Kus, 20010r

Spis Treści

1. Wstęp 3

2. Definicje 4

3. Warunki zajścia chemicznej reakcji wybuchowej 4

4. Chemia wybuchu 5

5. Obliczanie objętości, ciepła i temperatury wybuchu 6

6. Klasyfikacja materiałów wybuchowych 7

7. Bibliografia 81.Wstęp

Przy tworzeniu niniejszej pracy skupiłem się na chemicznym aspekcie reakcji wybuchowych, pominąłem natomiast zastosowania tychże reakcji. Starałem się znaleźć informację w kilku różnych źródłach, aby potwierdzić jej wiarygodność (zwłaszcza wiarygodność publikacji nie-naukowych). Poszukiwanie wiedzy przyczyniło się do pogłębienia mojej wiedzy na temat reakcji wybuchowych, a także materiałów wybuchowych. Dowiedziałem się też sporo rzeczy, których postanowiłem nie zamieszczać w niniejszej pracy, jako iż wykraczają one poza jej granicę.

W pracy tej skorzystałem z materiałów dostępnych w formie elektronicznej za pośrednictwem Internetu.

2. Definicje

Wybuch - zjawisko bardzo szybkiego naruszenia stanu równowagi układu z jednoczesnym wykonaniem pracy mechanicznej w otaczającym środowisku. Ze względu na charakter zjawiska naruszającego stan równowagi układu rozróżniamy wybuchy fizyczne (np. wybuch kotła parowego, spowodowany szybkim przejściem dużej ilości wody w stan pary, a więc spowodowany zmianą stanu skupienia) oraz chemiczne (np. wybuch czarnego prochu)^[1]

Reakcja wybuchowa, chemiczna - reakcja chemiczna, która przebiega z bardzo duża prędkością i której towarzyszy wydzielanie znacznej ilości ciepła jak również gazowych produktów reakcji, zdolnych do wykonania pracy niszczenia lub miotania.^[1] Dla maksymalnej szybkości przebiegu reakcja taka nazywana jest detonacją.

Detonacja - charakteryzuje się stałą, maksymalną, stąd graniczą szybkością przebiegu reakcji chemicznej.^[2]

Materiał wybuchowy - to pojedynczy związek chemiczny lub mieszanina kilku związków chemicznych, która jest zdolna w odpowiednich warunkach do gwałtownej reakcji chemicznej o charakterze egzotermicznym, której towarzyszy wydzielenie wielkiej ilości produktów gazowych w postaci wybuchu. ^[5]

3.Warunki zajścia chemicznej reakcji wybuchowej:

Warunkami na zajście chemicznej reakcji wybuchowej są:

l) egzotermiczność reakcji chemicznej,

2) wielka prędkość tej reakcji,

3) obecność gazów lub par w produktach wybuchu,

4) zdolność reakcji do samorzutnego rozprzestrzeniania się.

Egzotermiczność reakcji

Egzotermiczność procesu jest ważnym warunkiem zajścia reakcji wybuchowej. Jeśli reakcja określonej substancji chemicznej wymaga stałego dopływu ciepła z zewnętrz, to taka reakcja nie będzie miała właściwości wybuchowych. ^[1]

Egzotermiczność reakcji scharakteryzował doskonale Berholet na przykładzie soli kwasu sczawiowgo: Sole o identycznej budowie i jednakowo ulegające rozkładowi, którym należy dostarczać ciepło, nie są wybuchowe (np. sole amonu, cynku, ołowiu), parametrów sole wydzielające ciepło parametrów czasie rozkładu (rozkład egzotermiczny) są wybuchowe (np. sole miedzi, rtęci, srebra)^[2]

Szybkość przebiegu reakcji

Szybkość przebiegu reakcji zależy od wielu czynników takich jak skład chemiczny związku, sposób zainicjowania wybuchu, średnica ładunku.

Szybkość ta wynosi od 2000m/s do 9000 m/s dla różnych materiałów: najniższa dla materiałów chlorynowych poprzez amonowo-slatrzane, trotyl i kwas pikrynowy do najsilniejszych: heksogen, pentryt i żelatyna wybuchowa. ^[2] Tak duże szybkości przebiegu reakcji powodują, że miło małej energii wybuchu na jednostkę masy, moc rozwijana przy detonacji jest bardzo duża i niespotykana w urządzeniach energetycznych.

Gazy jako produkty wybuchu

Przy wybuchu najczęściej stosowanych materiałów wybuchowych tworzy się średnio około 1000 litrów produktów gazowych na l litr materiału wybuchowe^[1] Patrz także rozdział 3 i 4.

4. Chemia wybuchu^[3]

Reakcje wybuchowe polegają na rozpadzie struktury cząsteczkowej z utworzeniem nowych prostych atomów i cząsteczek. W wyniku wybuchu powstają takie związki jak: C, CO, CO₂, H₂O, NO, NO₂, oraz N₂. Rodzaj produktów reakcji zależy od ilości tlenu dostępnego w detonującej substancji. Tlenu może być tyle ile trzeba, aby całkowicie związać węgla do CO₂ i wodoru do H₂O, albo więcej lub mniej. Ilość tlenu w materiale wybuchowym opisuje bilans tlenowy. Bilans tlenowy może być dodatni, ujemny oraz zerowy.

Reakcje o dodatnim bilansie tlenowym

Materiał ma dodatni bilans tlenowy, gdy ilość w nim tlenu jest większa niż to jest wymagane do całkowitego związania węgla w CO₂ i wodoru w H₂O. Ta nadmiarowa ilość tlenu reaguje z azotem dając trujące tlenki azotu, co może być wadą materiału wybuchowego.

Typowym przykładem materiału wybuchowego o dodatnim bilansie tlenowym jest nitrogliceryna. Jej detonacja zachodzi według reakcji:

CH₂- ONO₂

|

2 CH - ONO₂ = 6CO₂ + 5H₂O + NO + 5/2N₂

|

CH₂- ONO₂

Reakcje o ujemnym bilansie tlenowym

Reakcje wybuchowe materiału o ujemnym bilansie tlenowy prowadzą do powstawania produktów stałych i/lub trującego CO. Tlen całkowicie wiąże wodór do wody, ale jest go za mało, aby związać węgiel w CO₂, dlatego oprócz CO₂ powstaje CO, a nawet węgiel pierwiastkowy.

Przykładową substancją o silnie ujemnym bilansie tlenowym jest trójnitrotoluen (trotyl):

= 14C + 5H₂O + 3N₂ + 3.5O₂ = 7CO +7C + 5H₂O + 3N₂

Przykładem substancji o lekko ujemnym bilansie tlenowym jest pentryt. Jego detonacja zachodzi według reakcji:

CH₂ONO₂

|

O₂NOCH₂ - C - CH₂ONO₂ = 5CO + 4H₂O + 2N₂+ 1.5O₂ = 3 CO₂ +2CO +4H₂O + 2N₂

|

CH₂ONO₂

Jak widać z powyższej reakcji rozpad wybuchowy materiału o lekko ujemnym bilansie tlenowym prowadzi do powstawanie trującego tlenku węgla, ale nie powstaje węgiel pierwiastkowy.

Reakcje o zerowym bilans tlenowym

Trzecia grupa reakcji wybuchowych są takie o zerowym bilans tlenowy. Jest on bardzo korzystny, gdyż przy wybuchu nie wydzielają się substancje trujące, a także energia wybuchu jest największa. Zerowy bilans tlenowy wybuchu ma nitroglikol:

CH₂-ONO₂

❘

CH₂-ONO₂ = 2H₂O + N₂ + 2CO₂

5.Obliczanie objętości, ciepła i temperatury wybuchu^[4]

Dokładne obliczenia składu produktów wybuchu materiałów wybuchowych jest bardzo trudne, w praktyce wręcz niemożliwe. Dlatego dla celów praktycznych stosuje się najprostsze metody obliczeniową, które dają wyniki nieco zaniżone, ale dla celów porównawczych zdają doskonale egzamin.

Objętość właściwa gazów powybuchowych

Mając reakcję wybuchu można obliczyć objętość właściwą gazów powybuchowych, to znaczy objętość tych gazów przy 273 K i 1013 hPa ciśnieniu:

W = 0,0224 * n/M m³/kg

Gdzie:

W - objętość właściwa m³/g

n - liczba cząsteczek gazowych powstałych z wybuchu 1 cząsteczki materiału wybuchowego

wybuchowego - masa molowa materiału wybuchowego

Przykładowo obliczone objętości właściwe tą metodą wynoszą:

- dla nitrogliceryny 0,716 m³/kg

- dla pentrytu 0,780 m³/kg

- dla trotylu 1,087 m³/kg

Objętość obliczona tą metodą jest o ok. 3 - 8 % mniejsza od wartości, które można wyznaczyć jedną z dokładniejszych metod.

Ciepło wybuchu

Obliczanie ciepła wybuchu w stałej objętości wykujemy zgodnie z prawem Hessa, które mówi, że efekt końcowy energetyczny reakcji nie zależy od efektów pośrednich, ale jedynie od stanu końcowego i początkowego układu reagującego.

Mając, więc wartości dla ciepła tworzenia się produktów i substancji wyjściowej możemy obliczyć ciepło wybuchu.

Ciepło tworzenia substancji można znaleźć w tabelach chemicznych.

Temperatura wybuchu

Przy obliczaniu temperatury wybuchu, a więc najwyższej temperatury gazów powybuchowych zakładamy, że proces wybuchu jest adiabatyczny, wybuch zachodzi w stałej objętości i całe ciepło wybuchu ogrzewa produkty. Możemy wtedy napisać:

Q_v = C_v (T - 273)

Gdzie:

C_v- pojemność cieplna gazów powybuchowych, suma ciepłe właściwych molowych gazów powybuchowych

6. Klasyfikacja materiałów wybuchowych^[4]

Materiały wybuchowe z punktu widzenia chemicznego dzielimy na indywidua chemiczne i mieszaniny:

Indywidua chemiczne - dzielimy na:

1. nitrozwiązki,

2. estry kwasu azotowego,

3. nitroanimy,

4. pochodne kwasu chlorowego i nadchlorowego,

5. pochodne kwasu azotowodorowego

6. różne związki wybuchowe, takie jak sole kwasu piorunowego, acetylenu, związki

bogate w azot, jak tertrazen itd.

Mieszaniny - podzielić można na:

1. mieszaniny, w których przynajmniej jeden składnik jest wybuchowy,

2. mieszaniny, w których żaden ze składników nie jest wybuchowy

7. Bibliografia

[1] - http://zschpiroman.webpark.pl/ogolna_charakterystyka.html

[2] - L.Heger, Encyklopedia Materiałów Wybuchowych, Warszawa 1979

[3] - J.Drzymała, Chemia materiałów wybuchowych: Materiały do wykładów z chemii dla górników

[4] - T.Urbański, Chemia i technologia materiałów wybuchowych tom.1, Warszawa 1954

[5] - http://pl.wikipedia.org/wiki/Materiał_wybuchowy

7

---