Физико-химические характеристики взрывчатых веществ

Известны три основные формы химического превращения ВВ.

• • Медленное химическое превращение— процесс, протекающий, но всему объему вещества при относительно низких температурах. Он может возникнуть при неблагоприятных условиях хранения ВВ и его недостаточной химической стойкости.
• • Горение и детонация — химические реакции, протекающие в довольно узкой зоне — фронте химической реакции, перемещающиеся по В В при температуре, близкой к критической. Скорость перемещения фронта определяется величиной выделяющейся энергии и способом передачи ее к соседним слоям вещества. При горении энергия передается путем теплопередачи — эго сравнительно медленный процесс, поэтому и скорость горения может быть от долей сантиметра до десятков метров в секунду. При детонации жидких и порошкообразных ВВ энергия соседним слоям заряда передается детонационной волной, которая распространяется по ВВ со сверхзвуковой скоростью (от 2 до 6 км/ч).
• • Взрыв — процесс, при котором взрывные горящие частицы распространяются по заряду за счет струй раскаленных газов, проникающих в прилегающие к зоне реакции слои ВВ. Такая реакция характерна для грубодисперсных, гранулированных и водосодержащих ВВ.

Состав газов, выделяющихся при взрыве, зависит от химического состава ВВ, его кислородного баланса и условий взрывания.

Кислородный баланс (КБ) характеризуют выраженным в процентах отношением избытка или недостатка кислорода в составе ВВ по сравнению с тем количеством, которое необходимо для полного окисления всех горючих элементов этого ВВ, к его массе. Например, аммиачная селитра.

NH4NO3 = N₂ + 2Н₂0 + 1/20₂ имеет положительный кислородный баланс:

Кислородный баланс считается нулевым, если ВВ содержит кислорода достаточно для полного окисления его горючих элементов. Такое соотношение компонентов называют стехиометрическим. Если в составе ВВ не хватает кислорода для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет отрицательный, а при избытке кислорода — положительный кислородный баланс (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Физико-химические характеристики некоторых ВВ

Окончание табл. 6.1

При взрыве ВВ с нулевым кислородным балансом образуются в основном пары воды, углекислоты, свободный азот, оксид алюминия и минимальное количество ядовитых газов. В этом случае выделяется максимальное количество энергии.

При взрыве ВВ с недостатком кислорода образуется ядовитый оксид углерода СО. Образование этого соединения происходит с меньшим выделением тепла (112 кДж/г моль), чем при образовании диоксида углерода (396 кДж/г моль).

При взрыве ВВ с избытком кислорода образуются соединения азота с этим кислородом — весьма ядовитые оксиды NO, N0₂, N₂0₃. Реакции образования оксидов азота идут с поглощением тепла (эндотермичны). Таким образом, ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом обладают меньшей теплотой взрыва, чем ВВ с нулевым балансом.

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от химического состава ВВ, но и от оболочки патронов ВВ, условий взрывания заряда (степени ограничения пространства, в котором расположен заряд, и влажности ВВ) и свойств взрываемой породы, которые влияют на протекание вторичных химических реакций взрыва.

Плохая забойка зарядов, наличие воздушных промежутков между патронами увеличивают выделение ядовитых газов. При взрывании угля С0₂ может переходить в СО. Взрывы серосодержащих руд приводят к образованию сернистых газов и сероводородов. Калийные и апатитонефелиновые руды связывают оксиды азота, молибденовые и медные — оксид углерода. Чем выше коэффициент крепости взрываемых пород, тем больше образуется оксида углерода и меньше оксидов азота.

Бумажная парафиновая оболочка патронов участвует в реакции взрыва, понижая кислородный баланс. Поэтому масса бумажной оболочки должна быть не более 2 г, а парафина — не более 3 г на 100 г ВВ.

Для подземных работ применяют ВВ только с кислородным балансом, близким к нулевому (±3%). Для взрывания на земной поверхности могут применяться ВВ как с положительным, так и с отрицательным кислородным балансом.

Отравляющее действие оксида углерода СО (угарный газ) основано на его способности образовывать при вдыхании прочные соединения с красными кровяными тельцами, являющимися переносчиками кислорода из легких к тканям, из-за чего человеческий организм испытывает кислородное голодание. При больших концентрациях СО (> 1%) быстро наступает смерть. Предельно допустимой концентрацией СО в воздухе для шахт является 0,0016% но объему.

Оксиды азота NO, N0₂, N₂0₃ при вдыхании в легкие образуют, вступая в реакцию с водой, азотную и азотистую кислоты, действие которых приводит к отеку легких и смерти. Особую опасность представляет способность оксидов азота накапливаться в организме в течение 4—6 ч. По токсическому действию они считаются в 6,5 раза более ядовитыми, чем осид углерода. Поэтому предельно допустимая концентрация для шахт составляет 0,0002% по объему.

Кроме этих газов при взрыве могут образовываться сероводород H₂S, сернистый ангидрид S0₂, хлор, при вдыхании которых происходят острое раздражение дыхательных путей и отек легких. Но токсичности эти газы считаются в 2,5 раза более ядовитыми, чем оксид углерода. Кроме того, при взрыве детонаторов в атмосфере появляются особо ядовитые пары и аэрозоли ртути или свинца, входящие в состав инициирующих ВВ, а свинец, кроме того, входит в состав электровоспламенителей и замедляющих составов ЭД.

Истинные реакции взрывчатого превращения ВВ составить практически невозможно из-за многообразия факторов, влияющих на их протекание. Поэтому принят упрощенный прием составления реакций взрыва, согласно которому все В В делятся на три группы.

1. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточным) для полного окисления всех горючих элементов. В этом случае весь водород превращается в воду, углерод — в углекислый газ, например реакция разложения нитрогликоля (табл. 6.2).

Характеристики взрывчатых превращений некоторых веществ.

6.2. Физико-химические характеристики взрывчатых веществ

ГО СО со.

2. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород сначала окисляет весь водород в воду, а углерод — в оксид углерода, а оставшийся кислород образует с частью оксида углерода углекислый газ (например, реакция разложения ТЭНа, см. табл. 6.2).

При взрыве алюмосодержащих ВВ с нулевым кислородным балансом образуется твердый оксид алюминия А1₂О_э, а при отрицательном — он образуется в результате вторичных реакций алюминия с водой и углекислым газом:

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород полностью превращается в воду, оставшийся кислород окисляет часть углерода в оксид углерода, свободный углерод выделяется (например, реакция разложения тринитротолуола, см. табл. 6.2).

Таким образом, зная элементарный состав ВВ с нулевым или положительным кислородным балансом, можно легко составить реакцию его взрывчатого разложения в виде.