Особенности химического взрыва

Существуют два основных типа взрывов: взрыв конденсированного ВВ и объемный взрыв (взрыв паров пылегазовых смесей). Взрывы конденсированных ВВ вызываются всеми твердыми ВВ и относительно незначительным числом жидких ВВ, включая нитроглицерин. Такие ВВ обычно имеют плотность 1300-1800 кг/м³, однако первичные ВВ содержащие свинец или ртуть, имеют намного большие плотности.

Реакции разложения:

Самый простой случай взрыва - процесс разложения с образованием газообразных продуктов. Например, разложение пероксида водорода с большим тепловым эффектом и образованием водяного пара и кислорода:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂ + 106 кДж/моль

Пероксид водорода опасен, начиная с концентрации 60%.

Разложение при трении или ударе азида свинца:

Pb(N3)₂ → Pb + 3N₂ + 474 кДж/моль.

Тринитротолуол (ТНТ) является веществом с «дефицитом кислорода» и поэтому одним из основных продуктов его распада является углерод, что способствует образованию дыма при взрывах ТНТ.

Вещества, склонные к взрывчатому разложению, почти всегда содержат одну или несколько характерных химических структур, ответственных за внезапное развитие процесса с выделением большого количества энергии. Эти структуры включают следующие группы:

- NO₂ и NО₃ - в органических и неорганических веществах;

- N=N-N - в органических и неорганических азидах;

- NX₃, где X - галоид,

- N=C в фульминатах.

На основании законов термохимии представляется возможным выявить соединения, процесс разложения которых может оказаться взрывоопасным. Одним из решающих факторов, определяющих потенциальную опасность системы, является превалирование ее внутренней энергии в начальном состоянии по сравнению с конечным состоянием. Такое условие выполняется при поглощении тепла (эндотермическая реакция) в процессе образования вещества. Примером соответствующего процесса является образование ацетилена из элементов:

2С + Н₂ → СН=СН - 242 кДж/моль.

К веществам не взрывоопасным, которые теряют тепло в процессе образования (экзотермическая реакция), относятся, например, диоксид углерода

С + О₂ → СО₂ + 394 кДж/моль.

Следует учитывать, что применение законов термохимии позволяет лишь выявить возможность взрывного процесса. Осуществление его зависит от скорости реакции и образования летучих продуктов. Так, например, реакция парафина свечи с кислородом, несмотря на высокую экзотермичность, не приводит к взрыву из-за ее низкой скорости.

Реакция 2Аl+ Fe₂О₃ → Аl₂О₃ + 2Fе сама по себе, несмотря на высокую экзотермичность, также не приводит к взрыву, так как не образуются газообразные продукты.

Окислительно-восстановительные реакции, составляющие основу реакций горения, по указанной причине могут приводить к взрыву только в условиях благоприятствующих достижению высоких скоростей реакции и росту давления. Сгорание сильно диспергированных твердых веществ и жидкостей может привести в условиях закрытого объема к росту избыточного давления вплоть до 8 бар Сравнительно редко, например в системах жидкого воздуха, где аэрозоль представляет собой туман из масляных капель.

При реакциях полимеризации, сопровождаемых экзотермическим эффектом и наличием летучего мономера, часто достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления. Для некоторых веществ таких как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию. Этиленоксид может также изомеризоваться в ацетальдегид экзотермическим путем:

СН₂СН₂О → СН₃НС=О + 113,46 кДж/моль

Реакции конденсации широко применяются в производстве красок, лаков и смол и вследствие экзотермичности процесса и наличия летучих компонентов приводят подчас к взрывам

Для выяснения общих условий, благоприятствующих возникновению горения и его переходу во взрыв, рассмотри график (рисунок 1) зависимости температуры, развиваемой в горючей системе, от времени при наличии с ней объемного тепловыделения за счет химической реакции и теплопотерь.

Если представить температуру Т1 на графике как критическою точку, при которой возникает горение в системе, становится очевидным, что в условиях, когда имеет место превышение теплопотерь над теплоприходом, такое горение возникнуть не может. Этот процесс начинается лишь при достижении равенства между скоростями тепловыделения и теплопотерь (в точке касания соответствующих кривых) и дальше способен ускоряться с повышением температуры и. тем самым, давления до взрыва.

Таким образом, при наличии условий, благоприятствующих теплоизоляции, протекание экзотермической реакции в горючей системе может привести не только к горению, но и к взрыву.

Возникающие неконтролируемые реакции, благоприятствующие взрыву, обусловлены тем, что скорость переноса тепла, например, и сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость экзотермической реакции и, тем самым, приток тепла от нее растет по степенному, закону с увеличением начальных концентраций реагентов и быстро возрастает при повышении температуры в результате экспоненциальной зависимости скорости химической реакции от температуры (закон Аррениуса). Эти закономерности обуславливают наименьшие скорости горения смеси и температуру на нижнем концентрационном пределе воспламенения. По мере приближения концентрации горючего и окислителя к стехиометрическим скорость горения и температура возрастают до максимальных знамений.

Концентрация газа стехиометрического состава - концентрация горючего газа в смеси с окислительной средой, при которой обеспечивается полное без остатка химическое взаимодействие горючего и окислителя смеси.