книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

Написав, таким образом, молекулярные соотношения смеси, вычислим число атомов кислорода в исходной смеси:

6+9,5·3 = 34,5.

Количество же кислорода, необходимого для сгорания смеси, найдется из уравнения

С6Н(NO2)3(CH3)2 + 9,5NH4NO3 → 8СO2 + 22,5 Н2O + 11N2,

т.е. 8·2+ 22,5 = 38,5.

Отсюда недостаток атомов, кислорода будет

34,5 – 38,5 = – 4 атома,

что в процентах составит

где М1 и М2 — молекулярные веса компонентов. Кислородный коэффициент равняется 3438,,55 100 =89,6 %.

Пример 4. Вычислить кислородный баланс смеси, состоящей из 58,8 % тетранитрометана [C(NO2)4], 21,3 % тринитробензола [С6Н3(NO2)3] и 19,8 % динитрометиланилина [С6Н3(NO2)2

NНСН3].

Определим молекулярные соотношения этой смеси:

Следовательно, данному составу смеси будут соответствовать следующие количества молекул: 3C(NO2)4 + С6Н3(NO2)3 +

+ С6Н3(NO2)2NНСН3.

Число атомов кислорода в этой смеси будет 3·8 + 6 + 4 = = 34 атома.

Число же атомов, которое необходимо для сгорания, найдется на основании следующего уравнения:

ЗC(NO2)4 + С6Н3(NO2)3 + С6Н3(NO2)2NНСН3 → 16CO2 + + 5H2O + 9N2 ,

151

т.е. 16·2 + 5 = 37.

Отсюда недостаток кислорода равен 34 – 37 = – 3 атомам,

где M1,M 2 ,M3 – соответственно веса компонентов.

3.1.2.Составление смесей

Сточки зрения безвредности конечных продуктов взрыва

иих работоспособности при составлении взрывчатых смесей нужно стремиться к смесям с нулевым или с незначительным положительным кислородным балансом.

Расчет смесей очень прост и производится следующим образом. Пусть имеется одно вещество А, кислородный баланс которого положителен и равен а %, а другое – В, кислородный баланс которого отрицателен и равен b %. Обычно расчет ведут на один килограмм смеси.

Для приготовления 1000 г смеси с нулевым кислородным балансомнужновзятьтчастейвеществаА ипчастей веществаВ.

Основные условия при этом следующие:

та – пb = 0 и т + п = 1000.

Отсюда m = 1000 – п и тогда (1000 – п)а – пb = 0. После не-

или m =1000 −1000a . a + b

Следовательно, для смеси нужно взять 1000b частей ве- a + b

щества А и 1000a частей вещества В. В процентах для смеси a + b

нужно взять компонента А 100b , а компонента В a + b

152

с заданным отрицательным или положительным кислородным балансом. Для этой цели можно пользоваться следующей формулой:

где с есть заранее заданный кислородный баланс смеси, выраженный в процентах.

Пример 1. Составить смесь с нулевым кислородным балансом из тринитронафталина и аммиачной селитры.

Решение. Сначала вычислим кислородный баланс компонентов. Для тринитронафталина

С10Н5(NО2)3 →10СО2 + 2,5Н2О +1,5N2.

Отсюда видим, что имеется шесть атомов кислорода, а необходимо для сгорания горючих элементов 10·2 + 2,5 = 22,5 атомов. Следовательно, в тринитронафталине не хватает 6 – 22,5 = = 16,1 атомов кислорода, что в процентах будет

недостатка кислорода). Здесь 263 – молекулярный вес тринитронафталина.

Для аммиачной селитры

NH4NО3 → 2H2О + N2 + 0,5О2.

В процентах избыток кислорода будет равняться:

(80 – молекулярный вес аммиачной селитры). Следовательно, аммиачнуюселитрунужновзятьвколичестве

153

а тринитронафталина 100 – 83,39 = 16,61 % или в весовых единицах соответственно 833,9 г и 166,1 г.

Теперь проверим правильность составления смеси. Для этого вначале определим молекулярные соотношения компонентов для одного килограмма смеси:

833,9 : 80 = 10,5 молей и 166,1 : 263 = 0,63 моля.

Следовательно, данному соотношению компонентов смеси соответствует уравнение сгорания

0,63С10Н5(NО2)3 + 10,5 NH4NО3 → 6,3CО2 +

+22,58H2О + 11,45N2.

Всмеси имеется 0,63·6 + 10,5·3 = 35,2 атомов кислорода,

аушло на сгорание 6,3·2 + 22,58 = 35,18 атомов кислорода. Следовательно, смесь составлена правильно. Разница в 0,02

получилась за счет округления при расчетах.

Пример 2. Составить смесь из аммиачной селитры и динитронафталина с тем, чтобы кислородный баланс ее был равен –

10 %.

Решение.

Кислородный баланс компонентов смеси:

для аммиачной селитры – а =20 % (см. пример 1); для динитронафталина

C10H6N2О4 → 10CО2 + 3H2О + N2;

– (10·2 + 3) + 4 = –19.

b % = −16 19 100 = −139,45% . 218

Для нахождения процентного состава компонентов смеси воспользуемся формулой

т.е. нужно взять 18,81 % динитронафталина и 100–18,81 % = = 81,19 % аммиачной селитры.

154

Теперь проверим, правильно ли мы составили смесь. Для этого согласно полученному процентному составу найдем молекулярные соотношения компонентов, напишем уравнение полного сгорания смеси и вычислим ее кислородный баланс:

188218,1 = 0,863 и 81180,9 =10,15 .

Отсюда

0,863 C10H6N2О4 + 10,15МН4NО3 = 8,63СО2 +

+ 22,89Н2O + 11,013N2.

Согласно полученному уравнению сгорания смеси находим, что в смеси имеется 0,863·4 + 10,15·3 = 33,9 атомов кислорода, а для полного сгорания необходимо 8,63·2 + 22,89 = 40,15 атомов кислорода; следовательно, 40,15 – 33,9 = 6,25 атомов кислорода недостает.

Таким образом, кислородный баланс смеси будет

−16 6,25 100 = −10 % , 1000

т.е. смесь составлена правильно.

Пример 3. Составить смесь с нулевым кислородным балансом из нитроглицерина и двенадцатиазотного пироксилина

Для нитроглицерина

С3Н5 (ОNО2)3 = 3СО2 + 2,5Н2О + 1,5N2 + 0,25O3.

a % = 16 0,5 100 = 3,52 % 227

Для пироксилина

С24Н28O8(ОNО2)12 → 24СO2 + 14Н2O + 6N2

b % = 16 18 100 = 24,236% . 1188,3

Нитроглицерина нужно взять

155

и пироксилина 100–87,3=12,7%.

Проверим правильность расчета смеси, для чего найдем молекулярные соотношения компонентов и напишем уравнение сгорания

873 : 227 = 3,84; 127 : 1188,3 = 0,107.

3,84С3Н5 (ОNО2)3 + 0,107С24Н28O8(ОNО2)12 = 14,088СО2 +

+ 11,1H2O+6,4N2.

Имеем кислорода 39,208 атомов, а необходимо – 39,266. Следовательно, смесь составлена правильно.

Пример 4. Составить один килограмм смеси из гексогена, аммиачной селитры и порошка алюминия с тем, чтобы кислородный баланс ее был равен –10 %, а порошка алюминия содержалось в смеси 5,4 %.

Решение. Так же, как и в предыдущем примере, найдем кислородный баланс компонентов смеси.

аммиачная селитра – a =20 % (см. пример 1); гексоген

С3Н6N6O6 →3СО2 + ЗН2О + 3N2.

–[(З·2)+3] + 6 = –3. −16 3 100 = −21,62 % .

222

порошок алюминия 2Аl + 1,5O2 = Аl2O3

−16 3 100 = −88,89 % . 2 27

В случае трехкомпонентной смеси мы должны составить две двойные смеси, в нашем случае – отдельно порошка алюминия с аммиачной селитрой, а затем гексогена с аммиачной селитрой с учетом условия задачи.

смеси алюминий – аммиачная селитра:

156

т.е. нужно взять 27,55 % порошка алюминия и 100–27,55 = 72,45 % аммиачной селитры.

Так как в смеси должно содержаться 54 г порошка алюминия, то согласно условию задачи нам необходимо будет взять аммиачной селитры:

27,55 . . . 72,45

54 . . . Х;

Х = 72,45 54 = 142 г 27,55

Таким образом, для окисления 54 г порошка алюминия нам нужно взять 142 г аммиачной селитры, а на гексоген с аммиачной селитрой остается 1000–142–54 = 804 г.

Теперь найдем процентный состав смеси гексогена с аммиачной селитрой при заданном кислородном балансе:

т.е. на 100 г смеси гексогена и аммиачной селитры нужно взять

72,08 % гексогена, а на 804 г – Хг. Или Х = 72,08 804 = 579,5 г 100

гексогена, т. е. один килограмм смеси должен содержать 579,5 г гексогена, 54 г алюминия и 366,5 г аммиачной селитры.

Следовательно, заданная смесь должна состоять из 57,95 % гексогена, 5,40 % порошка алюминия и 36,66 % аммиачной селитры.

Теперь проверим, правильно ли мы составили смесь, для чего вычислим ее кислородный баланс.

Согласно полученным данным, выразим состав его в молекулярных соотношениях:

157

2,61С3Н6N6O6 + 2Аl + 4,58NH4NO3 → Al2O3 + 7,83СО2 +

+ 17H2O + 12,41N2.

Количество атомов кислорода в этой смеси будет 2,61·6 + + 4,58·3 = 29,41, а нужно 3 + 7,83·2 + l 7 = 35,66. Следовательно,

недостает35,66 – 29,41 = 6,26 атомовкислородаиливпроцентах

16 6,25 100 = 10 % . 1000

Смесь составлена правильно.

3.1.3. Задачи для самостоятельного решения

1. Вычислить кислородный баланс нитрогликоля

[С2Н4 (ОNО2)2].

Ответ: 0%.

2.Вычислить кислородный баланс амматола 80/20 (80 % аммиачной селитры и 20 % тротила).

Ответ: +1,2 %.

3.Вычислить кислородный баланс гремучего студня состава: 88 % нитроглицерина и 12 % пироксилина.

Ответ: +0,2 %.

4.Вычислить кислородный баланс амматола состава 50/50.

Ответ: –27%.

5.Бездымный порох, предложенный Ноблем (баллистит), имел следующий состав: 49,5 % пироксилина, 49,5 % нитроглицерина и 1 % дифениламина. Вычислить кислородный баланс

этого пороха, приняв формулу пироксилина С24Н29О9(ОNО2)11. Ответ: Недостает кислорода 15,25 %

6.Составить смесь с нулевым кислородным балансом из аммиачной селитры и гексогена.

Ответ: 48,09 % гексогена и 51,99 % аммиачной селитры.

7.Составить смесь с нулевым кислородным балансом из динитротолуола и тетранитрометана.

158

Ответ: 30,0 % динитротолуола и 70 % тетранитрометана.

8.Составить смесь с нулевым кислородным балансом из аммиачной селитры и нитрогуанидина.

Ответ: 39,39 % нитрогуанидина и 60,61 % аммиачной селитры.

9.Составить смесь с нулевым кислородным балансом из аммиачной селитры и порошка алюминия.

Ответ: 18,37 % алюминия и 81,63 % аммиачной селитры.

10.Составить смесь с нулевым кислородным балансом из угля и аммиачной селитры.

Ответ: 6,98 % угля и 93,02 % аммиачной селитры.

11.Составитьамматолскислороднымбалансом, равным–8 %. Ответ: 29,79 % тротила и 70,21 % аммиачной селитры.

12.Зафлегматизировать гексоген парафином [C71H148] так, чтобы кислородный баланс его был равен –25 %.Вычислить содержание парафина и гексогена.

Ответ: 99 % гексогена и 1 % парафина.

13.Сколько парафина нужно ввести в тэн, чтобы кислородный баланс последнего был равен –15 %.

Ответ: 1,45 % парафина.

14.Составить из тетранитрометана и нитробензола смесь, чтобы кислородный баланс ее был равен –16 %.

Ответ: 69,3 % тетранитрометана и 30,7 % нитробензола.

15.Составить смесь из аммиачной селитры и гексогена, чтобыонаимелаположительныйкислородныйбаланс, равный+5 %.

Ответ: 36 % гексогена и 64 % аммиачной селитры.

в количестве 10 %, а кислородный баланс равнялся бы –12 %. Ответ: 10,8 % порошка алюминия, 40,6 % аммиачной се-

литры и 48,6 % гексогена.

159

3.2.Теплота взрыва

3.2.1.Методы определения теплоты взрыва

Теплота взрыва является одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества, знание которой необходимо при решении многих задач. Так, например, знание теплоты взрыва необходимо при вычислении температуры взрыва, потенциала ВВ, при составлении уравнений взрывчатых превращений.

Теплотой взрыва называют то количество тепла, которое выделяется при взрыве одного моля взрывчатого вещества.

Для целей практического сравнения различных взрывчатых веществ и, тем более, взрывчатых смесей эту величину обычно относят не к молю ВВ, а к одному килограмму.

Теплота взрыва некоторых ВВ может быть определена опытным путем с помощью калориметрической бомбы Бертло, но только таких, которые способны детонировать от теплового импульса в небольших количествах (например, инициирующие ВВ). Большинство же взрывчатых веществ от теплового импульса в небольших количествах не детонируют, а поэтому определение их теплоты взрыва с помощью калориметрической бомбы невозможно. Вследствие этого теплоту взрывчатого превращения таких ВВ приходится вычислять, исходя из их теплот образования.

Теплотой образования вещества называют то количество тепла, которое выделяется или поглощается при образовании одного моля вещества из составляющих его элементов, взятых

ввиде простых веществ.

Втабл. 22 приведены теплоты образования ряда индивидуальных ВВ, компонентов ВВ и продуктов взрыва по данным Г.А. Авакяна и Л. Медара.

Еще в середине прошлого века русский академик Г.И. Гесс, основываясь на первом законе термодинамики, предложил метод расчета теплового эффекта химических реакций. Согласно Гессу, суммарный тепловой эффект некоторой последователь-

160