В. Красногоров - Подражающие молниям
Термохимия — это наука о теплотах химических реакций. С помощью термохимии можно не только определить тепловые эффекты химических превращений, но и установить механизм протекающих при этом реакций. Эту отрасль науки основал Бертло, разработавший для определения теплот химических превращений специальный прибор — калориметрическую бомбу. Бомба представляет собой герметичный сосуд, в котором при определенных условиях сжигается исследуемое вещество. Нет в мире такой химической лаборатории, даже школьной, где бы не применяли калориметр Бертло. Для исследования же взрывчатых веществ он совершенно необходим.
В качестве курьеза заметим, что работа с такими приборами в России не всегда была безопасна. Примером тому служат злоключения известного термохимика Лугинина. Лугинин, лично знакомый с Бертло, много сделал для усовершенствования калориметрии и повышения ее точности. Однако его исследованиям сильно мешала политическая обстановка в России. Чины царской охранки, которым было известно, что ученый имеет дело с какой-то таинственной «бомбой», не раз устраивали в его доме обыски и допросы.
Калориметр Бертло позволяет определить энергию горения и взрыва, что имеет прежде всего теоретический интерес, позволяя установить предположительный механизм разложения взрывчатого вещества. Но и практическое значение этого определения достаточно велико, поскольку энергия взрыва в значительной мере определяет мощь взрывчатки. Например, энергия взрыва одного килограмма нитроглицерина составляет 1560 килокалорий, а аммиачной селитры — всего 340 килокалорий. Отсюда и разница в разрушающей силе этих веществ. Энергия взрыва одного килограмма тротила составляет примерно 1000 килокалорий или 440 тысяч килограммометров. Другими словами, энергии, выделяющейся при взрыве одного килограмма тротила, теоретически хватит, чтобы подбросить груз весом почти в полтонны на высоту в целый километр! Однако не следует думать, что взрывчатые вещества обладают каким-то сверхъестественным запасом энергии. Кусок дерева дает при сгорании больше тепла, чем равная ему по весу шашка тротила. Поэтому выгоднее топить печь обыкновенными березовыми поленьями, чем первосортными взрывчатыми веществами. И все же самое большое полено сгорит в топке без лишнего шума, а тротиловый заряд способен разрушить и печь и дом вместе с ней. Отсюда следует, что секрет силы взрывчатых веществ заключается не в огромной энергии взрыва, а в том, что они позволяют сконцентрировать эту энергию во времени и пространстве. Взрыв отличается от горения прежде всего скоростью. Кусок дерева омывается воздухом только с поверхности, и реакция горения — окисления горючего кислородом — идет относительно медленно. Срединная зона полена долго еще должна ждать своей очереди, чтобы вдохнуть кислород. Чем тоньше измельчено топливо, тем быстрее идет горение, а угольная пыль способна даже взрываться.
Во взрывчатом веществе окислитель входит в его состав, и контакт с кислородом воздуха не обязателен. Реакция происходит сразу во всем объеме, многотонный заряд может взорваться в один миг. В результате быстрых химических превращений при взрыве развиваются высокая температура и огромное давление, которые и сокрушают окружающую среду. Правда, наличие окислителя в составе взрывчатки — еще не достаточное условие для мгновенного взрыва. Тротил и большинство других взрывчатых веществ при поджигании не взрываются, а медленно и спокойно горят. Причина возникновения взрыва много веков оставалась загадкой.
Бертло понимал, что энергия превращения далеко еще не определяет силы взрывчатых веществ и что вообще понятие «сила» применительно к взрывчатому' веществу далеко не однозначно. Очевидно, разрушительное действие взрывчатки определяется не каким-то одним, а несколькими факторами. После долгих исследований он установил, что таких факторов три: величина давления, развиваемого при взрыве (оно зависит от количества выделившихся газов и их температуры), энергия взрыва и скорость химических превращений при взрыве. Давление, энергия, скорость — вот три кита, на которых зиждется мощь взрывчатых веществ.
Объем газов, выделяющихся при взрыве, в семьсот — девятьсот раз превышает объем самой взрывчатки. К тому же эти газы нагреты до температуры две — четыре тысячи градусов, что еще больше повышает их давление. Стремящийся расшириться во все стороны газ и является основной ударной силой взрыва.
Серьезное внимание Бертло обратил на химический состав взрывчатых веществ и, особенно, на содержание в них кислорода. Как правило, взрыв — это окисление. Желательно, чтобы это окисление было полным, потому что в таком случае выделяется наибольшее количество газов. А чтобы окисление при взрыве было полным, нужно, чтобы взрывчатка содержала достаточное количество кислорода. Например, нитроглицерин или аммиачная селитра содержат даже больше кислорода, чем требует теория для их взрывчатого разложения. Специалисты называют их веществами с положительным кислородным балансом. Тротилу же кислорода не хватает, и он намного бы увеличил свою силу, если бы нашел себе партнера, который мог бы с ним поделиться этим элементом. Поэтому смеси взрывчатых веществ с избытком и недостатком кислорода (с положительным и отрицательным кислородным балансом) полезны обоим участникам союза: первые отдают свой балласт — избыточный кислород, а вторые получают возможность до конца отдать таящуюся в них энергию. Обычно стремятся составлять смеси с нулевым кислородным балансом. Они содержат кислорода ровно столько, сколько нужно для их окисления.
Исследования Бертло открыли возможность научного определения, предсказания и расчета силы любого, Даже ёще не созданного вещества и осветили путь к их дальнейшему улучшению. Недаром именно в эти годы десятками стали появляться новые, все более совершенные и мощные взрывчатки. Трудность, однако, состояла в том, что давления, развиваемые при взрыве, столь чудовищны, что их очень сложно, почти невозможно измерить. Например, давление, возникающее при взрыве тротила, составляет 190—240 тысяч атмосфер. Поэтому часто приходится рассчитывать давление теоретическим путем — по количеству образовавшихся газов и температуре. Но и тут все обстоит не так просто, как бы хотелось. Дело в том, что ход химических реакций при взрыве одного и того же вещества неузнаваемо изменяется в зависимости от условий взрыва — температуры, скорости и в особенности давления. Простейшая аммиачная селитра разлагается при взрыве семью способами. Что же говорить о сложных смесях, какими являются современные взрывчатые вещества?
Но даже точное знание температуры, давления и других параметров взрыва не позволяет еще дать непосредственный ответ практикам на интересующие их вопросы — какой, например, глубины будет воронка в грунте или какой величины нужен заряд для дробления гранита в каменоломне. Одним словом, для практических нужд требовались пусть менее строгие, менее обоснованные, но зато более простые, быстрые и наглядные методы оценки силы взрывчатых веществ. Поэтому исследователи продолжали ломать голову (к сожалению, не только в переносном смысле) в поисках несложных и доступных каждой лаборатории способов определения мощи взрывчаток. В конце концов было принято характеризовать действие взрыва двумя главными показателями — бризантностью и работоспособностью.
Бризантностью (от французского briser — дробить) называют способность взрывчатого вещества дробить прилегающую среду. Бризантность в значительной мере зависит от скорости, резкости взрыва. Чем выше скорость детонации, тем сильнее дробящее действие взрывчатого вещества. Современный способ определения бризантности предложил австрийский инженер Гесс. По его методу дробящее действие определяется подрывом взрывчатки на свинцовом столбике. Метод очень несложен На столбик диаметром 40 и высотой 60 миллиметров, покрытый сверху стальным кружком, помещают небольшой (50 граммов) цилиндрический заряд взрывчатого вещества. При взрыве столбик сплющивается и принимает форму гриба. По уменьшению высоты столбика и судят о величине бризантности, которую выражают в миллиметрах. Бризантность современных взрывчатых материалов составляет 14—17 миллиметров.
Но разрушающее действие взрыва заключается не только в дроблении прилегающего материала. И за много метров от места взрыва мощного заряда рушатся стены, падают деревья, вылетают стекла из окон, опрокидываются машины. Это действие взрыва обусловлено взрывной ударной волной и называется фугасным (от французского «летучий»). Фугасность (теперь принято называть ее работоспособностью) зависит главным образом от энергии взрыва, а не от скорости детонации. Величина воронки при взрыве заряда, количество выбрасываемого грунта при горных работах или возведении плотины зависит именно от фугасности.
