Explozivi chimici

Scopul principal al oricărui focos este de a provoca daune țintei. Modul în care sunt cauzate daunele poate varia în funcție de diferite tipuri de focoase, dar în sensul cel mai general, daunele sunt cauzate de transferul de energie din focos către țintă. Energia este de obicei de natură mecanică și ia forma unei unde de șoc sau a energiei cinetice a fragmentelor. În ambele cazuri, trebuie eliberată o cantitate mare de energie. Pentru multe focoase, energia este stocată sub formă de explozivi chimici.

explozivi

Există multe reacții chimice care vor elibera energie. Acestea sunt cunoscute sub numele de reacții exoterme. Dacă reacția se desfășoară lent, energia eliberată va fi disipată și vor exista puține efecte vizibile, altele decât o creștere a temperaturii. Pe de altă parte, dacă reacția se desfășoară foarte rapid, atunci energia nu va fi disipată. Astfel, o cantitate mare de energie poate fi depusă într-un volum relativ mic, apoi se manifestă printr-o expansiune rapidă a gazelor fierbinți, care, la rândul lor, pot crea o undă de șoc sau pot propulsa fragmente către viteză mare. Exploziile chimice se pot distinge de alte reacții exoterme prin rapiditatea extremă a reacțiilor lor. Pe lângă eliberarea violentă de energie, exploziile chimice trebuie să ofere un mijloc de a transfera energia în lucrări mecanice. Acest lucru se realizează prin expansiunea gazelor produs din reacție. Dacă nu se produc gaze, atunci energia va rămâne în produse sub formă de căldură.

Cele mai multe explozii chimice implică un set limitat de reacții simple, toate implicând oxidare (reacție cu oxigenul). O modalitate relativ ușoară de a echilibra ecuațiile chimice explozive este să presupunem că următoarele reacții parțiale au loc în măsura lor maximă (adică unul dintre reactanți este consumat total) și în ordinea priorității:

Masa
1. Prioritățile reacțiilor explozive.

Prioritate
Reacție (până la finalizare)

1
Metal + O oxid metalic (ex: ZnO sau PbO)

2
C + O CO (gaz)

3
2H + O H 2 O (gaz)

4
CO + O CO 2 (gaz) (CO provine din reacția (2))

5
Excesul de O, H și N O 2, N 2 și H 2 (gaze)

Exemplu - echilibrați arderea TNT: C 7 H 5 N 3 O 6 .

Fără metale, deci începeți cu prioritatea 2:
6C + 60 6CO, lăsând 1C, 5H, 3N;

Nu mai rămâne oxigen, săriți peste prioritățile 3 și 4.

În cele din urmă, gazele se combină:
3N 3/2 N 2

5H 5/2 H 2, lăsând 1 C neconsumat.

Per total:
C 7 H 5 N 3 O 6 6CO + 5/2 H2 + 3/2 N 2 + C.

Cantitatea totală de energie eliberată în reacție se numește căldură de explozie. Poate fi calculat prin compararea căldurilor de formare înainte și după reacție D E = D E f (reactanți) - D E f (produse). Căldurile de formare pentru produse și mulți explozivi obișnuiți (reactanți) sunt date în tabelul 2. Căldura de explozie este definită astfel încât să fie pozitivă pentru o reacție exotermă.

Tabelul 2. Încălzirile de formare.

Nume
Formulă

MW (g/mol)
D E f (kJ/mol)

Nitroglicerina
C 3 H 5 N 3 O 9

RDX
C 3 H 6 N 6 O 6

HMX
C 4 H 8 N 8 O 8

PETN
C 5 H 8 N 4 O 12

TNT
C 7 H 5 N 3 O 6

TETRIL
C 7 H 5 N 5 O 8


Note:
1) Se presupune că CO, CO 2 și H 2 O sunt sub formă gazoasă.
2) D E f pentru N 2, H 2, O 2 și toate celelalte elemente sunt toate zero.

Exemplu: găsiți căldura de explozie pentru TNT.

Înainte: D E f = -54,4 kJ/mol

După: D E f = 6 (-111,8) + 5/2 (0) + 3/2 (0) + 1 (0) = -670,8 kJ/mol

D E = (-54,4) + 670,8 - = 616,4 kJ/mol,

Deoarece D E> 0, reacția este exotermă, iar căldura exploziei este de +616,4 kJ/mol.

Exprimat pe bază de masă, TNT lansează

kJ/mol) (1000 J/1 kJ) (1 mol/227 g) = 2175 J/g.

1 kg de TNT eliberează 2.175 x 106 J de energie.

Deoarece cea mai mare parte a eliberării de energie provine din reacții de oxidare, cantitatea de oxigen disponibilă este un factor critic. Dacă oxigenul este insuficient pentru a reacționa cu carbonul și hidrogenul disponibil, explozivul este considerat a fi lipsit de oxigen. Conversa este considerată bogată în oxigen. O măsură cantitativă a acestui lucru se numește echilibrul oxigenului, definit ca:

OB = - (100%) MW (O)/MW (exploziv) [2C + H/2 + M - O]

C, H, M & O sunt numărul de moli de carbon, hidrogen, metal și oxigen din reacția echilibrată, iar MW este greutatea moleculară a oxigenului (= 16 g/mol) sau a explozivului.

Exemplu - găsiți echilibrul de oxigen pentru TNT.

OB = - (100%) (16/227) [2 (7) + 5/2 - 6] = -72%

Ca regulă generală, echilibrul oxigenului ar trebui să fie aproape de zero pentru a obține cantitatea maximă de eliberare de energie. Alte preocupări, cum ar fi stabilitatea sau volatilitatea, deseori limitează echilibrul oxigenului pentru compușii chimici. TNT este un exemplu de exploziv relativ puternic, cu deficit de oxigen.

Unii explozivi sunt amestecuri de substanțe chimice care nu reacționează și sunt cunoscute sub numele de compozite. Un exemplu comun este compozitul B-3 care este alcătuit dintr-un amestec 64/36 de RDX (C 3 H 6 N 6 O 6) și TNT. Dacă este scris în aceeași notație, ar fi C 6.851 H 8.750 N 7.650 O 9.300 și ar avea un echilibru de oxigen, OB = -40,5%. ANFO, care este un amestec 94/6 de azotat de amoniu și păcură are un echilibru de oxigen de -0,6%. Explozibilii compuși au, în general, balanțe de oxigen care sunt mai aproape de cazul ideal de zero. Iată amestecurile folosite pentru unii explozivi compuși obișnuiți: