ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА – это вещества или их смеси, способные под влиянием внешнего воздействия (нагревание, удар, трение, взрыв другого вещества) очень быстро разлагаться с выделением газов и большого количества теплоты.

Взрывчатые смеси существовали задолго до появления на Земле человека. Небольшой (1–2 см в длину) оранжево-синий жук-бомбардир Branchynus explodans защищается от нападений весьма остроумным способом. В небольшом мешке в его теле накапливается концентрированный раствор пероксида водорода. В нужный момент этот раствор быстро смешивается с ферментом каталазой. Протекающую при этом реакцию наблюдал каждый, кто обрабатывал порезанный палец аптечным 3%-ным раствором перекиси: раствор буквально вскипает, выделяя пузырьки кислорода. Одновременно смесь нагревается (тепловой эффект реакции 2Н₂О₂ ® 2Н₂О + О₂ составляет 190 кДж/моль). У жука одновременно с этой идет еще одна реакция, катализируемая ферментом пероксидазой: окисление гидрохинона пероксидом водорода до бензохинона (тепловой эффект этой реакции – более 200 кДж/моль). Выделяющегося тепла достаточно, чтобы нагреть раствор до 100° С и даже частично испарить его. Реакция у жука идет настолько быстро, что едкая смесь, разогретая до высокой температуры, выстреливается с громким звуком во врага. Если струя, масса которой всего полграмма, попадет на кожу человека, она вызовет небольшой ожог.

«Изобретенный» жуком принцип типичен для взрывчатых веществ химической природы, в которых энергия выделяется за счет образования прочных химических связей. В ядерном оружии энергия выделяется за счет деления или слияния атомных ядер. Взрыв – это очень быстрое выделение энергии в ограниченном объеме. В этом случае происходит мгновенный нагрев и расширение воздуха, начинает распространяться ударная волна, приводящая к большим разрушениям. Если взорвать динамит (без стальной оболочки) на Луне, где нет воздуха, разрушительные последствия будут неизмеримо меньше, чем на Земле. О необходимости же для взрыва очень быстрого выделения энергии свидетельствует такой факт. Хорошо известно, что смесь водорода с хлором взрывается, если ее выставить на прямой солнечный свет или если поднести к колбе горящий магний – об этом написано даже в школьных учебниках, но если свет будет не таким ярким, реакция пройдет совершенно спокойно, в ней выделится та же энергия, но не за сотую долю секунды, а за несколько часов и в результате теплота просто рассеется в окружающем воздухе.

При протекании любой экзотермической реакции выделяющаяся тепловая энергия нагревает не только окружающую среду, но и сами реагенты. Это приводит к увеличению скорости реакции, что, в свою очередь, ускоряет выделение тепла и это еще больше повышает температуру. Если отвод теплоты в окружающее пространство не будет успевать за ее выделением, то в результате реакция может, как говорят химики, «пойти вразнос» – смесь вскипит и выплеснется из реакционного сосуда или даже взорвется, если выделяющиеся газы и пары не найдут быстрого выхода из сосуда. Это – так называемый тепловой взрыв. Поэтому при проведении экзотермических реакций химики тщательно следят за температурой, понижая ее в случае необходимости добавлением в колбу кусочков льда или помещая сосуд в охлаждающую смесь. Особенно важно уметь рассчитывать скорость тепловыделения и теплоотвода для промышленных реакторов.

Очень быстро выделяется энергии в случае детонации. Это слово (оно происходит от латинского detonare – прогреметь) означает химическое превращение взрывчатого вещества, которое сопровождается выделением энергии и распространением волны по веществу со сверхзвуковой скоростью. Химическая реакция возбуждается интенсивной ударной волной, образующей передний фронт детонационной волны. Давление во фронте ударной волны составляет десятки тысяч мегапаскалей (сотни тысяч атмосфер), чем и объясняется огромное разрушающее действие подобных процессов. Энергия, выделяемая в зоне химической реакции, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне. Детонация возникает во многих соединениях и их смесях. Например, тетранитрометан C(NO₂)₄ – тяжелая бесцветная жидкость с резким запахом – перегоняется без взрыва, однако смеси его со многими органическими соединениями детонируют с огромной силой. Так, во время лекции в одном из Германских вузов в 1919 году погибло много студентов из-за взрыва горелки, с помощью которой демонстрировалось горение смеси тетранитрометана с толуолом. Оказалось, что лаборант, готовя смесь, перепутал массовые и объемные доли компонентов и при плотностях реагентов 1,64 и 0,87 г/см3 это вызвало почти двукратное изменение состава смеси, что и привело к трагедии.