Константин Андреев - Взрыв и взрывчатые вещества
В качестве примера таких взрывчатых веществ может служить старейшее из них — дымный порох. Он состоит, как мы видели, из горючего (уголь + сера) и окислителя — калиевой селитры. Формула калиевой селитры — KNO3 — показывает, что в ней на три атома кислорода приходится один атом азота и один атом калия. При взрыве селитра разлагается, азот выделяется в виде газа, калий дает окись калия К2O (образующую затем углекислую и сернокислую соли калия), а остальной кислород окисляет уголь и серу, образуя углекислоту и другие газы.
Однако применение в качестве окислителя калиевой селитры невыгодно; непрочно связанного кислорода в ней содержится только 40 процентов, и, кроме того, на разложение калиевой селитры требуется значительное количество энергии — 324 большие калории на килограмм. По этой причине теплота взрыва дымного пороха сравнительно небольшая — около 700 больших калорий на килограмм, в то время как при взрыве смеси угля с жидким кислородом выделяется 2200 больших калорий.
Помимо этого, дымный порох при взрыве только наполовину превращается в газы, остальные продукты взрыва являются твердыми веществами.
По этим причинам действие взрыва дымного пороха мало, и в настоящее время он почти полностью вытеснен во взрывных работах взрывчатыми смесями, главной составной частью которых является аммиачная селитра (NH4NO3). Такие смеси имеют большую теплоту взрыва и при взрыве полностью превращаются в газы.
Если механическая смесь состоит из твердых окислителя и горючего, то их необходимо сильно измельчать и тщательно смешивать. Химическая реакция вначале протекает только на поверхности частиц, и чем больше эта поверхность, тем быстрее идет реакция, а только при большой скорости реакция, как мы видели, имеет характер взрыва.
Однако как бы сильно мы ни измельчали твердые составные части смеси, все же нельзя добиться такой равномерности состава, чтобы рядом с каждой молекулой горючего находилась молекула окислителя. Поэтому скорость реакции в механических смесях при взрыве не достигает своего возможного наибольшего значения.
Широко применяется при получении взрывчатых веществ другой способ сочетания горючих элементов и кислорода, обеспечивающий идеальную равномерность состава. Этот способ заключается в получении таких химических соединений, в молекулу которых входят и горючие элементы (углерод и водород) и кислород. Сгорание таких взрывчатых веществ происходит за счет собственных внутренних запасов кислорода, входящего в молекулы соединения.
Например, клетчатка (С6Н10О5), являющаяся главной составной частью древесины, содержит много углерода и водорода, а азотная кислота (HNO3) — много кислорода. При химическом взаимодействии клетчатки и азотной кислоты в определенных условиях и образуется нитроклетчатка, о которой говорилось выше. Это химическое соединение содержит в своей молекуле как углерод и водород, так и кислород. При этом кислород в большей своей части связан с углеродом не непосредственно, а через атом азота. Такое соединение относительно непрочно, и при сильном воздействии, например, при ударе, слабая связь между кислородом и азотом разрывается. Это приводит к вступлению кислорода взрывчатого вещества в реакцию с образованием более прочных соединений — углекислоты и воды — и с большим выделением тепла. Происходит взрыв.
Зависимость способности к взрыву от строения химического соединения хорошо видна на следующем примере. Известны два соединения одинакового состава: изоциановая кислота и гремучая кислота. Молекулы каждой из этих кислот содержат по одному атому водорода, углерода, кислорода и азота. Соли этих кислот также одинаковы по составу; например, в соли серебра атом водорода заменен на атом серебра. В то же время свойства этих солей существенно различны. Соль гремучей кислоты — сильно взрывчатое вещество, а соль изоциановой кислоты не взрывается. Объясняется это тем, что в молекуле изоциановой кислоты атом углерода соединен с атомом кислорода, то есть он частично уже «сгорел» при образовании кислоты. В гремучей же кислоте углерод соединен с азотом; при перегруппировке атомов под соответствующим воздействием он может соединяться с кислородом, что сопровождается выделением значительного количества тепла и дает поэтому взрыв.
Химические соединения, содержащие в своих молекулах атомы горючих элементов и кислорода, разъединенные азотом, или другие атомы, способные перегруппировываться с выделением тепла и образованием газов, могут быть получены не только из клетчатки.
Исследованиями химиков открыто много сотен различных химических соединений, которые являются взрывчатыми веществами. Еще больше взрывчатых веществ было получено путем смешения различных горючих веществ с кислородом или с веществами, богатыми кислородом.
Однако только очень немногие те известных взрывчатых веществ применяются на практике — в военном деле или для взрывных работ в промышленности. Дело в том, что для каждого назначения взрывчатое вещество должно удовлетворять ряду требований и не всякое взрывчатое вещество отвечает этому условию.
Мы уже видели, что у многих взрывчатых веществ повышенная чувствительность к толчкам и ударам исключает или ограничивает возможность их применения в боеприпасах и в горных взрывных работах.
Большое значение имеет также химическая стойкость взрывчатых веществ. Дело в том, что все взрывчатые вещества способны не только к взрыву, но и разлагаются — медленно даже при обычных температурах хранения. Некоторые взрывчатые вещества в чистом виде разлагаются однако крайне медленно. Говорят, что они обладают большой химической стойкостью. Это означает, что такие взрывчатые вещества и снаряженные ими боеприпасы могут храниться десятилетиями, практически не изменяясь. Примером таких взрывчатых веществ может служить тротил — нитросоединение одного из углеводородов — толуола.
Напротив, такие взрывчатые вещества, как нитроглицерин или пироксилин, в отличие от тротила разлагаются сравнительно быстро, особенно, если они недостаточно тщательно приготовлены и содержат примеси кислот, которые ускоряют их разложение. Такое разложение нежелательно не только потому, что оно ведет к ухудшению взрывчатых свойств, но и потому, что, медленное вначале, оно идет со временем все быстрее и быстрее и может привести даже ко взрыву.
В начале текущего столетия в военную технику вводились современные бездымные пороха на основе нитроклетчатки. В то время еще не знали об опасности самопроизвольного разложения их при обычных температурах и не умели его предупреждать. Из-за этого не раз на военных кораблях происходили большие взрывы пороховых запасов, хранившихся при повышенных температурах. Так погибли французские броненосцы «Иена» в 1907 г. и «Либерте» в 1911 г. На «Иене» пороховые заряды хранились над машинным отделением, где температура была очень высокой; кроме того, на корабле находился также долго хранившийся порох сомнительной стойкости. При сходных обстоятельствах произошел взрыв на «Либерте», при котором было убито более двухсот матросов и офицеров. Подобные взрывы имели место во флотах и других стран.
После этих случаев в состав порохов стали вводить специальные добавки, замедляющие их разложение, а также не допускать хранения порохов при повышенных температурах.
Для снаряжения некоторых боеприпасов имеет значение соотношение между температурой плавления взрывчатого вещества и температурой, при нагреве до которой оно самопроизвольно вспыхивает.
Если температура плавления низка, а температура вспышки высока, то взрывчатое вещество можно расплавить и заливать в жидком виде в корпус снаряда, где оно при охлаждении затвердевает. Так можно снаряжать снаряды тротилом, который плавится при 80°, а вспыхивает при гораздо более высокой температуре — 300°.
Снаряжать таким способом взрывчатыми веществами, плавящимися при значительно более высоких температурах, неудобно и даже опасно. Так ксилил имеет температуру плавления около 180°, а температура вспышки его та же, что и у тротила. Поэтому для снаряжения заливкой ксилил не применяют. Еще ближе температуры плавления и вспышки у гексогена (200 и 230°). Снаряжать гексогеном способом заливки поэтому практически невозможно, и приходится применять другие способы снаряжения, например прессование.
Благоприятное сочетание взрывчатых и физических свойств само по себе не всегда еще является достаточным для того, чтобы взрывчатое вещество получило широкое практическое применение.
Необходимо, чтобы был найден и разработан пригодный для производства способ изготовления взрывчатого вещества. Это иногда является нелегкой задачей.
Многие взрывчатые вещества получают обработкой соответствующих органических материалов азотной кислотой. При этом наряду со взрывчатым веществом образуется вода, которая замедляет реакцию и может привести к другим нарушениям процесса. Поэтому обычно азотную кислоту применяют в смеси с крепкой серной кислотой, которая связывает воду. Кроме того, серная кислота взаимодействует с азотной кислотой, переводя ее в такое состояние, при котором скорость образования взрывчатого вещества больше.
