Хімічні вибухові речовини

Основна мета будь-якої боєголовки - завдати цілі пошкодження. Спосіб заподіяння шкоди може різнитися залежно від різних типів боєголовок, але в найбільш загальному розумінні шкода спричинена передачею енергії від боєголовки до цілі. Енергія, як правило, має механічний характер і приймає форму ударної хвилі або кінетичної енергії фрагментів. У будь-якому випадку повинна виділятися велика кількість енергії. Для багатьох боєголовок ця енергія накопичується у вигляді хімічних вибухових речовин.

хімічні

Є багато хімічних реакцій, які виділять енергію. Вони відомі як екзотермічні реакції. Якщо реакція протікає повільно, виділена енергія буде розсіюватися, і помітних ефектів, крім підвищення температури, буде мало. З іншого боку, якщо реакція протікає дуже швидко, тоді енергія не буде розсіюватися. Таким чином, велика кількість енергії може осідати у відносно невеликому обсязі, а потім проявлятися швидким розширенням гарячих газів, що, в свою чергу, може створити ударну хвилю або виштовхувати фрагменти назовні з високою швидкістю. Хімічні вибухи можна відрізняти від інших екзотермічних реакцій надзвичайною швидкістю їх реакцій. На додаток до бурхливого виділення енергії, хімічні вибухи повинні забезпечувати засіб для передачі енергії механічній роботі. Це досягається виділенням продуктових газів із реакції. Якщо гази не утворюються, енергія залишатиметься у продуктах у вигляді тепла.

Більшість хімічних вибухів пов’язані з обмеженим набором простих реакцій, які включають окислення (реакція з киснем). Порівняно простий спосіб збалансувати рівняння хімічних вибухових речовин полягає в припущенні, що наступні часткові реакції відбуваються в максимальній мірі (тобто один із реагентів повністю витрачається) і в порядку переваги:

Таблиця
1. Пріоритети вибухових реакцій.

Пріоритет
Реакція (до завершення)

1
Метал + O Оксид металу (наприклад: ZnO або PbO)

2
C + O CO (газ)

3
2H + O H 2 O (газ)

4
CO + O CO 2 (газ) (CO походить від реакції (2))

5
Надлишок O, H & N O 2, N 2 і H 2 (гази)

Приклад - збалансувати спалювання тротилу: C 7 H 5 N 3 O 6 .

Ніяких металів, тому починайте з пріоритету 2:
6C + 60 6CO, залишаючи 1C, 5H, 3N;

Кисню не залишилося, пропустіть пріоритети 3 і 4.

Нарешті, гази поєднують:
3N 3/2 N 2

5H 5/2 H 2, залишаючи 1 C не споживаним.

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

Загальна кількість енергії, що виділяється в реакції, називається теплотою вибуху. Його можна розрахувати, порівнявши теплоти утворення до і після реакції D E = D E f (реагенти) - D E f (продукти). Тепло утворення продуктів та багатьох звичайних вибухових речовин (реагентів) наведено в таблиці 2. Теплота вибуху визначена таким чином, що вона буде позитивною для екзотермічної реакції.

Таблиця 2. Тепла формування.

Ім'я
Формула

МВт (г/моль)
D E f (кДж/моль)

Нітрогліцерин
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

ПЕТН
C 5 H 8 N 4 O 12

TNT
C 7 H 5 N 3 O 6

ТЕТРИЛ
C 7 H 5 N 5 O 8


Примітки:
1) Припускається, що CO, CO 2 і H 2 O мають газоподібну форму.
2) D E f для N 2, H 2, O 2 та всіх інших елементів дорівнює нулю.

Приклад: знайти тепло вибуху для тротилу.

До: D E f = -54,4 кДж/моль

Після: D E f = 6 (-111,8) + 5/2 (0) + 3/2 (0) + 1 (0) = -670,8 кДж/моль

D E = (-54,4) + 670,8 - = 616,4 кДж/моль,

Оскільки D E> 0, реакція екзотермічна, і теплота вибуху становить +616,4 кДж/моль.

Виражаючись масово, TNT випускає

кДж/моль) (1000 Дж/1 кДж) (1 моль/227 г) = 2175 Дж/г.

1 кг тротилу виділяє 2,175 х 10 6 Дж енергії.

Оскільки більша частина виділення енергії відбувається внаслідок реакцій окислення, кількість доступного кисню є критичним фактором. Якщо для реагування з наявним вуглецем та воднем недостатньо кисню, вибухівка вважається дефіцитною. Зворотне вважається багатим на кисень. Кількісний показник цього називається кисневим балансом, який визначається як:

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

C, H, M & O - кількість молей вуглецю, водню, металу та кисню у збалансованій реакції, а MW - молекулярна маса кисню (= 16 г/моль) або вибухової речовини.

Приклад - знайти баланс кисню для тротилу.

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

Як правило, кисневий баланс повинен бути майже нульовим, щоб отримати максимальну кількість виділення енергії. Інші проблеми, такі як стабільність або летючість, часто обмежують кисневий баланс хімічних сполук. ТНТ є прикладом відносно потужної вибухової речовини, яка відчуває дефіцит кисню.

Деякі вибухові речовини - це суміші хімічних речовин, які не реагують і відомі як композити. Поширеним прикладом є композит B-3, який складається із суміші 64/36 RDX (C 3 H 6 N 6 O 6) та тротилу. Якби це було записано в тих самих позначеннях, це було б C 6.851 H 8.750 N 7.650 O 9.300 і мало б кисневий баланс, OB = -40.5%. ANFO, який є сумішшю аміачної селітри та мазуту 94/6, має баланс кисню -0,6%. Композитні вибухові речовини, як правило, мають залишки кисню, які ближчі до ідеального випадку нуля. Ось суміші, що використовуються для деяких загальних композитних вибухових речовин: