Содержание статьи
    Также по теме

    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.

    Какие же вещества способны взрываться? Прежде всего это так называемые эндотермические соединения, то есть соединения, образование которых из простых веществ сопровождается не выделением, а поглощением энергии. К таким веществам относятся, в частности, ацетилен, озон, оксиды хлора, пероксиды. Так, образование 1 моля С2Н2 из элементов сопровождается затратой 227 кДж. Это означает, что ацетилен должен считаться потенциально нестабильным соединением, так как реакция его распада на простые вещества С2Н2 ® 2С + Н2 сопровождается выделением очень большой энергии. Именно поэтому, в отличие от многих других газов, ацетилен никогда не закачивают в баллоны под большим давлением – это может привести к взрыву (в баллонах с ацетиленом этот газ растворен в ацетоне, которым пропитан пористый носитель).

    Со взрывом разлагаются ацетилениды тяжелых металлов – серебра, меди. Очень опасен по той же причине и чистый озон, при распаде 1 моль которого выделяется 142 кДж энергии. Однако многие потенциально нестабильные соединения на практике могут оказаться довольно устойчивыми. Пример – этилен, причина стабильности которого – очень малая скорость разложения на простые вещества.

    Исторически первым взрывчатым веществом, изобретенным людьми, был черный (он же дымный) порох – смесь тонко растертых серы, древесного угля и нитрата калия – калийной селитры (натриевая не годится, так как она гигроскопична, то есть отсыревает на воздухе). Это изобретение за прошедшие века унесло миллионы человеческих жизней. Однако изобрели порох, оказывается, для других целей: древние китайцы более двух тысячелетий назад с помощью пороха устраивали фейерверки. Состав китайского пороха позволял ему гореть, но не взрываться.

    Древние греки и римляне не имели селитры, поэтому и пороха у них быть не могло. Приблизительно в 5 в. селитра попала из Индии и Китая в Византию – столицу греческой империи. В Византии открыли, что смесь селитря с горючими веществами горит очень интенсивно и потушить ее невозможно. Почему так происходит, стало известно намного позже – таким смесям не нужен для горения воздух: селитра сама является источником кислорода). Содержащие селитру горючие смеси под названием «греческий огонь» стали использоваться в военном деле. С их помощью в 670 и 718 были сожжены корабли арабского флота, осаждавшего Константинополь. В 10 в. Византия отразила с помощью греческого огня нашествие болгар.

    Прошли столетия, и в средневековой Европе порох изобрели заново. Произошло это в 13 в. И кто был изобретателем, неизвестно. По одной из легенд, монах из Фрайбурга Бертольд Шварц растирал в тяжелой металлической ступке смесь серы, древесного угля и селитры. Случайно в ступку упал железный шар. Раздался ужасный грохот, из ступки повалил едкий дым, а в потолке образовалась дыра – ее пробил шар, вылетевший с огромной скоростью из ступки. Стало понятным, какая огромная сила таится в черном порошке (само слово «порох» произошло от древнерусского «прах» – пыль, порошок). В 1242 порох описал английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон. Порох стали использовать в военном деле. В 1300 была отлита первая пушка, вскоре появились и первые ружья. Первый пороховой завод в Европе был построен в Баварии в 1340. В 14 в. огнестрельное оружие начали применять и на Руси: с его помощью москвичи в 1382 обороняли свой город от войск татарского хана Тохтамыша.