Реакция взрыва, состав и расчет параметров продуктов взрыва

Применение взрывчатых веществ в военном деле основано на их использова­нии в качестве источника энергии, которая содержится в ВВ в скрытой форме.

Превращение одного вещества в другое происходит в результате изменения молекул. Атомы, входящие в состав молекул, в ходе химического процесса взрывчатого превращения перестраиваются, соединяясь по-новому. В результате появляются новые молекулы и вещество изменяется, причём постройка молекул сопровождается выделением или поглоще­нием энергии.

Таким образом, с химической точки зрения взрыв заряда ВВ- это самораспространяющаяся химическая экзотермическая реакция, протекающая с образованием сильно нагретых газообразных продуктов, которые расширяясь и производят разрушительную работу взрыва.

Для оценки возможного разрушительного действия взрыва необходимо знать количество и состав продуктов взрыва, который зависит от состава исходного ВВ и условий протекания реакции взрывчатого превращения.

Состав продуктов взрыва и определяющий его характер взрыв­чатого превращения очень сильно зависит от содержания окислительных элементов (кислорода) во взрывчатом веществе. Это объясняется тем, что взрыв есть процесс окислительно-восстановительный, протекающий за счет собственного кислорода ВВ. Поэтому окисление горючих элементов взрывчатого вещества при различном содержании кислорода может быть полным или неполным. В результате будут изменяться состав продуктов взрыва, удельный объём газов и паров, теплота взрыва.

Содержание кислорода во взрывчатых веществах оценивается по величине кислородного баланса (КБ).

Большинство ВВ состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Углерод и водород являются горючими элементами, кислород - окислителем горючих элементов. Азот в составе ВВ связывает кислород, а в продуктах взрыва выделяется в свободном состоянии.

Кислородный баланс - это выраженная в процентах разность между количеством кислорода, содержащимся во взрывчатом веществе, и его количеством, необходимым для полного окисления горючих элементов: углерода до СО₂, водорода до Н₂О.

Кислородный баланс (α) характеризует истинное соотношение горючих элементов и кислорода, и является характерис­тикой степени насыщенности молекулы ВВ кислородом.

Для вычисления кислородного баланса пользуются следующей зависимостью , где: α - кислородный баланс; 16 - атомная масса кислорода; М – молекулярная масса ВВ; n_o - число атомов кислорода в молекуле ВВ; n₁ - необходимое число атомов кислорода для полного окисления углерода и водорода.

Однако этой зависимостью удобно пользоваться для определения КБ индивидуальных (простых) ВВ. Для сложных смесей ВВ, если их состав выражен условной формулой 1 кг смеси в виде С_aН_bO_cN_d, где a, b, c, d – количество грамм-атомов соответствующих элементов в 1 кг смеси, КБ может быть выражен зависимостью , где - количество грамм-атомов кислорода, необходимое для полного окисления углерода и водорода.

В зависимости от величины кислородного баланса взрывчатые вещества принято делить на три группы:

1) Взрывчатые вещества с положительным и нулевым кислородным балансом, для которых и . В этих ВВ кислорода достаточно для полного окисления горючих элементов. К таким веществам относятся нитроглицерин С₃Н₅(ONO₂)₃ , нитродигликоль С₂Н₄ (ONO₂)₂ и др.

2) Взрывчатые вещества с отрицательным кислородным балансом, то есть с количеством кислорода недостаточным для полного окисления горючих элементов, но достаточным для превращения углерода в газообразные продукты. Для этих ВВ и . К веществам этой группы относятся гексоген С₃Н₆O₆N₆ , тэн С(СН₂ONO₂)₄ и др.

3) Взрывчатые вещества с существенно отрицательным кислородным балансом, то есть с количеством кислорода, недостаточным для окисления углерода, в результате чего в продуктах взрыва образуется свободный углерод в виде сажыстых частиц. К таким взрывчатых веществам относятся тротил С₆Н₂(NO₂)₃ СН₃, тетрил С₆Н₂(NO₂)₃ NN O₂СН₃ и др. Признаком ВВ этой группы является неравенство .

Существует несколько методов расчета состава продуктов взрыва. Наиболее простым является расчет на основе реакций взрыва с учетом величины кислородного баланса ВВ, то есть группы взрывчатого вещества по кислородному балансу (метод последовательного окисления).

Для написания уравнений реакций взрыва необходимо знать химическую формулу исходного вещества по кислородному балансу.

Для взрывчатого вещества с положительным кислородным балансом реакция взрывчатого превращения записывается в виде уравнения: .

Например для нитроглицерина уравнение записывается в виде: .

Для вещества этой группы весь углерод окисляется до СО₂, водород до Н₂О, часть кислорода и азот выделяются в свободном виде. При кислородном балансе равном нулю (α =0) свободный кислород в продуктах взрыва отсутствует.

Для написания приближенного уравнения взрыва взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом пользуются правилом последовательного окисления.

На первой стадии кислород расходуется на окисление углерода до СО и водорода Н₂О. На второй стадии оставшийся кислород окисляет часть СО до СО₂. Суммарно это выражается уравнением:

.

В качестве примера рассмотрим взрывчатое превращение ТЭНа С(СН₂ОNO₂)₄:

Написание уравнений взрыва взрывчатых веществ с существенно отрицательным кислородным балансом, приводят в предположении, что сначала кислород окисляет водород до воды, затем оставшаяся часть кислорода реагирует с углеродом, образуя СО, а остаток углерода выделяется в свободном виде:

Примером может служить превращение тротила

Приведенные уравнения реакций являются приближенными, так как между продуктами взрыва при высоких температурах всегда протекают вторичные реакции, которые могут существенно менять состав продуктов взрыва, получающийся описанным методом.

Для повышения точности расчетов необходимо учитывать вторичные реакции, для чего существуют специальные методы.

Однако во многих случаях приближенный метод расчета состава продуктов взрыва дает вполне удовлетворительные результаты.

Теплотой взрыва называется количество тепла, которое выделяется при взрыве 1 килограмма взрывчатого вещества.

Поскольку детонация взрывчатого вещества протекает с очень большой скоростью, то допускается, что взрывчатое превращение завершается раньше, чем начинается расширение продуктов взрыва. Это значит, что взрыв протекает в постоянном объеме.

Теплота взрыва при постоянном объеме обозначается символом Q_v. Теплота взрыва выражается в кДж/кг или кДж/моль. Для штатных взрывчатых веществ теплота взрыва изменяется в пределах от 1465 до 6285 кДж/кг.

Расчет величины теплоты взрыва можно сделать теоретически на основе использования закона Гесса, согласно которому тепловой эффект реакции определяется лишь конечным и начальным состоянием системы и не зависит от пути реакции (процесса).

Для расчета теплоты взрыва необходимо знать: уравнение взрывчатого вещества ВВ, теплоту образования ВВ (Q_{обр ВВ}) и теплоту образования продуктов взрыва (Q_{обр ПВ}).

Теплота взрыва определяется как разность между теплотой образования продуктов взрыва и теплотой взрывчатого вещества. (Q_v=Q_{обр ПВ}- Q_обрВВ).

Теплота взрыва штатных взрывчатых веществ (Q_{обр ВВ}) изменяется от 1465 до 6285 кДж/кг.

Теплотой образования химического соединения называется количество тепла, которое выделяется или поглощается при образовании его из простых веществ. Значения теплоты образования приведены в таблице 2.1.

Пример расчета теплоты взрыва тротила: дано уравнение взрывчатого превращения: .

– определяем теплоту образования продуктов взрыва:

– выбираем теплоту образования тротила (см. таблицу 2.1):

Q_{обр Тротила} = 42, 3 кДж/моль;

– вычисляем теплоту взрыва тротила:

– в пересчете на 1кг тротила теплота взрыва равна:

Опытное определение теплоты взрыва производится в калометрической бомбе Бихля, представляющей собой прочный стальной цилиндр с крышкой (объемом 10, 2л). Испытуемое ВВ в количестве 10-50г. помещается в бомбу. Бомба продувается азотом и устанавливается в водяной калориметр.

После этого производится подрыв заряда ВВ электрическим способом и передача тепла калориметру. После этого производится подрыв заряда ВВ электрическим способом и передача тепла калориметру. После взрыва заряда ВВ продуктам дают охладиться в течении 20–30 мин, измеряют давление и температуру. Зная объемы бомбы, вычисляют по формулам объем сухих газов и теплоту взрыва.

Теплота взрыва является важнейшей характеристикой взрывчатого вещества. Она определяет работоспособность мощность. Чем больше теплота взрыва, тем больше работоспособность, мощность и разрушительно действие взрывчатого вещества.

Теплота взрыва зависит (табл. 2.2) от природы и состава взрывчатого вещества, в основном от плотности взрывного заряда.

Важнейшими параметрами продуктов взрыва являются температура взрыва и удельный объем продуктов взрыва.

Под температурой взрыва понимают тумаксимальную температуру, до которой оказываются нагретыми продукты взрывчатого превращения в момент взрыва. Эта температура достигается в короткий промежуток времени (10^-6 -10^-7сек), а затем столь же быстро падает. Поэтому чрезвычайно трудно создать приборы для непосредственного измерения температуры взрыва.

Температура взрыва может быть вычислена по формуле:

, , n_i – число молей i-го вещества, входящего в состав продуктов взрыва, a_i и b_i – постоянные для газов и твердых веществ (табл. 2.3).

Пример расчета температуры взрыва тротила: дано уравнение взрывчатого превращения: .

Теплота взрыва тротила данной плотности Q_v=1039, 5 кДж.

– рассчитываем величины А и В для тротила, используя данные таблицы 3:

для двухатомных газов СО и N₂: А = 3, 5 · 20, 1 + 1, 5 · 20, 1 = 100, 5; В= 3, 5 · 1, 89 + 1, 5 · 1, 89 = 9, 45;

для паров воды Н₂О: А= 2, 5 · 16, 8 = 42, 0; В = 2, 5 · 9, 0 = 22, 5;

для твердого углерода С: А = 3, 5 · 25, 1 = 87, 85; В = 3, 5 · 1, 89 = 6, 615.

суммарное значение коэффициентов равно: А = 230, 4; В = 38, 6 · 10^-3

– определяем температуру взрыва тротила:

Удельный объем продуктов взрыва представляет собой объем газов и парообразных продуктов взрыва в кубических метрах, образующихся при взрыве одного килограмма взрывчатого вещества, приведенного к нормальным условиям.

Удельный объем продуктов взрыва рассчитывается на основании известного количества молей газов и газообразных продуктов взрыва с использованием закона Авогадро, согласно которому объем одного грамм-моля любого газа при нормальных условиях занимает объем 22, 4*10^{-3 м3}.

, где

находится по уравнению превращения; М –молекулярная масса ВВ.

Пример расчета удельного объёма продуктов взрыва тротила: дано уравнение взрывчатого превращения:

.

Удельный объем продуктов взрыва может быть определен также экспериментально.

Чем выше температура и больше удельный объем продуктов взрыва, тем более высокое давление создается в месте взрыва и, следовательно, будет более сильным разрушительный эффект.