Взрывчатые вещества. Классификация.

Взрывчатыми веществами (ВВ) называются неустойчивые химические соединения или смеси, чрезвычайно быстро переходящие под воздействием определенного импульса в другие устойчивые вещества с выделением значительного количества тепла и большого объема газообразных продуктов, которые находятся под очень большим давлением и, расширяясь, выполняют ту или иную механическую работу.

Современные взрывчатые вещества представляют собой или химические соединения (гексоген, тротил и др.), или механические смеси (аммиачно-селитренные и нитроглицериновые ВВ).

Химические соединения получаются обработкой азотной кислотой (нитрованием) различных углеводородов, т. е. введением в молекулу углеводорода таких веществ, как азот и кислород.

Механические смеси изготовляются смешением веществ, богатых кислородом, с веществами, богатыми углеродом.

В обоих случаях кислород находится в связанном состоянии с азотом или хлором (исключение составляют оксиликвиты, где кислород находится в свободном несвязанном состоянии).

В зависимости от количественного содержания кислорода во взрывчатом веществе окисление горючих элементов в процессе взрывчатого превращения может быть полным или неполным, а иногда кислород может даже оставаться в избытке. В соответствии с этим различают взрывчатые вещества с избыточным (положительным), нулевым и недостаточным (отрицательным) кислородным балансом.

Наиболее выгодными являются взрывчатые вещества, имеющие нулевой кислородный баланс, так как углерод полностью окисляется до СО₂, а водород до Н₂О, в результате чего выделяется максимально возможное для данного взрывчатого вещества количество тепла. Примером такого взрывчатого вещества может служить динафталит, представляющий собой смесь аммиачной селитры и динитронафталина:

$C_10H_6(NO_2)_2+19NH_4NO_3=10CO_2+41H_2O+20N_2$

При избыточном кислородном балансе остающийся неиспользованным кислород вступает в соединение с азотом, образуя весьма ядовитые окислы азота, которые поглощают часть тепла, что уменьшает количество энергии, выделяемой при взрыве. Примером взрывчатого вещества с избыточным кислородным балансом является нитроглицерин:

$4C_3H_5(ONO_2)_3=12CO_2+10H_2O+5.5N_2+NO_2$

С другой стороны, при недостаточном кислородном балансе не весь углерод переходит в углекислый газ; часть его окисляется только до окиси углерода. (СО) которая также ядовита, хотя и в меньшей степени, чем окислы азота. Кроме того, часть углерода может остаться в твердом виде. Оставшийся твердым углерод и неполное его окисление только до СО ведут к уменьшению выделяемой при взрыве энергии.

Действительно, при образовании одной грамм-молекулы окиси углерода выделяется тепла только 26 ккал/моль, тогда как при образовании грамм-молекулы углекислого газа 94 ккал/моль.

Примером взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом может служить тротил:

$C_5H_2(NO_2)_3CH_3=3.5CO+3.5C+2.5H_2O+1.5N_2$

В реальных условиях, когда продукты взрыва совершают механическую работу, происходят дополнительные (вторичные) химические реакции и действительный состав продуктов взрыва несколько отличается от приведенных расчетных схем, а количество ядовитых газов в продуктах взрыва изменяется.

Классификация взрывчатых веществ

Взрывчатые вещества могут находиться в газообразном, жидком и твердом .состоянии или в виде смесей твердых или жидких веществ с твердыми или газообразными веществами.

В настоящее время, когда число различных взрывчатых веществ весьма велико (тысячи наименований), деление их только по физическому состоянию совершенно недостаточно. Такое деление ничего не говорит ни о работоспособности (мощности) взрывчатых веществ, по которой можно было бы судить об области применения того или иного из них, ни о свойствах взрывчатых веществ, по которым можно было бы судить о степени опасности их в обращении и при хранении. Поэтому в настоящее время приняты три другие классификации взрывчатых веществ.

По первой классификации все взрывчатые вещества делятся по их мощности и области применения на:.

1. Инициирующие взрывчатые вещества (гремучая ртуть, азид свинца, тенерес).

2. Бризантные взрывчатые вещества

а) повышенной мощности (тэн, гексоген, тетрил);

б) нормальной мощности (тротил, пикриновая кислота, пластиты,' тетритол, скальные аммониты, аммониты, содержащие 50—60% тротила, и студенистые нитроглицериновые ВВ);

в) пониженной мощности (аммиачно-селитренные В В, кроме упомянутых выше, порошкообразные нитроглицериновые ВВ и хлоратиты).

3. Метательные взрывчатые вещества (дымные пороха и бездымные пироксилиновые и нитроглицериновые пороха).

В этой классификации приведены, конечно, не все наименования взрывчатых веществ, а только те из них, которые преимущественно применяются на взрывных работах. В частности, под общим наименованием аммиачно-селитренных ВВ содержатся десятки различных составов, имеющих каждый свое отдельное название.

Вторая классификация делит взрывчатое вещество по их химическому составу:

1. Нитросоединения; в веществах этого вида содержатся две — четыре нитрогруппы (NO₂); к ним относятся тетрил, тротил, гексоген, тетритол, пикриновая кислота и динитронафталин, входящий в составы некоторых аммиачно-селитренных взрывчатых веществ.

2. Нитроэфиры; в веществах этого вида содержится несколько нитратных групп (ONO₂). К ним относятся тэн, нитроглицериновые ВВ и бездымные пороха.

3. Соли азотной кислоты — вещества, содержащие группу NO₃, основным представителем которых является аммиачная (аммонийная) селитра NH₄NO₃, входящая в состав всех аммиачно-селитренных взрывчатых веществ. К этой группе также относятся калиевая селитра KNO₃ — основа дымных порохов, и натриевая селитра NaNO₃, входящая в состав нитроглицериновых ВВ.

4. Соли азотистоводородной кислоты (HN₃), из которых применяется только азид свинца.

5. Соли гремучей кислоты (HONC), из которых применяется только гремучая ртуть.

6. Соли хлорноватой кислоты, так называемые хлоратиты и перхлоратиты, — взрывчатые вещества, в которых основным компонентом — носителем кислорода является хлорат или перхлорат калия (КСlO₃ и КСlO₄); сейчас они применяются очень редко. Обособленно от этой классификации находится взрывчатое вещество, называемое оксиликвитом.

По химической структуре взрывчатого вещества можно судить и об основных его свойствах:

чувствительности, стойкости, составе продуктов взрыва, следовательно, о мощности вещества, взаимодействии его с другими веществами (например, с материалом оболочки) и ряде других свойств.

От характера связи нитрогрупп с углеродом (в нитросоединениях и нитроэфирах) зависят чувствительность взрывчатого вещества к внешним воздействиям и их стойкость (сохранение взрывчатых свойств) в условиях хранения. Например, нитросоединеиия, в которых азот группы NO₂ связан непосредственно с углеродом (С—NO₂), менее чувствительны и более стойки, чем нитроэфиры, у которых азот связан с углеродом через один из кислородов группы ONO₂(С—О—NO₂); такая связь менее прочна и делает ВВ более чувствительным и менее стойким.

Число нитрогрупп, содержащихся в составе ВВ, характеризует мощность последнего, а также степень его чувствительности к внешним воздействиям. Чем больше нитрогрупп в молекуле ВВ, тем оно мощнее и чувствительнее. Так, например, мононитротолуол (имеющий только одну нитрогруппу) является маслянистой жидкость, не обладающей взрывчатыми свойствами; динитротолуол, содержащий две нитрогруппы, — уже взрывчатое вещество, но со слабыми взрывчатыми характеристиками; и, наконец, тринитротолуол (тротил), имеющий три нитрогруппы, представляет собой вполне удовлетворительное по мощности взрывчатое вещество.

Динитросоединения применяются ограниченно; в большинстве современных взрывчатых веществ содержатся три или четыре нитрогруппы.

Присутствие некоторых других групп в составе ВВ также влияет на его свойства. Например, дополнительный азот (N₃) в гексогене повышает чувствительность последнего. Метильная же группа (СН₃) в тротиле и тетриле способствует тому, что эти ВВ не взаимодействуют с металлами, тогда как гидроксильная группа (ОН) в пикриновой кислоте является причиной легкого взаимодействия вещества с металлами (кроме олова) и появления так называемых пикратов того или иного металла, которые представляют собой взрывчатые вещества, весьма чувствительные к удару и трению.

Взрывчатые вещества, полученные путем замещения водорода металлом в азотистоводородной или гремучей кислоте, обусловливают крайнюю непрочность внутримолекулярных связей и, следовательно, особую чувствительность этих веществ к механическим и тепловым внешним воздействиям.

На взрывных работах в быту принята третья классификация взрывчатых веществ:— по допустимости их использования в тех или иных условиях.

По этой классификации различают следующие три основные группы:

1. ВВ, допущенные для открытых работ.

2. ВВ, допущенные для подземных работ в условиях, безопасных по возможности взрыва рудничного газа и угольной пыли.

3. ВВ, допущенные только для условий, опасных по возможности взрыва газа или пыли (предохранительные ВВ).

Критерием отнесения взрывчатого вещества к той или иной группе служат количество выделяющихся при взрыве ядовитых (вредных) газов и температура продуктов взрыва. Так, тротил из-за большого количества образующихся при его взрыве ядовитых газов может применяться только на открытых работах (строительство и карьерная добыча полезных ископаемых), тогда как аммиачно-селитренные ВВ допускаются и на открытых, и в подземных работах в условиях, неопасных по газу и пыли. Для подземных же работ, где возможно наличие взрывающихся газо- и пылевоздушных смесей, допускаются только ВВ, имеющие пониженную температуру продуктов взрыва.