Автор: J. B. Calvert
Источник: оргинальную статью можно скачать здесь: http://www.du.edu/~jcalvert/phys/physhom.htm

Вспышка! Взрыв! Свист! (перевод: Тарасова Е.С.)

Эта статья предусматривает возможность технологического использования экзотермических химических реакций, которые высвобождают свою энергию в течение короткого промежутка времени. Есть три первичных области применения этих эффектов: ракетное топливо, взрывоопасные вещества и пиротехника. Ракетное топливо создает высокое газовое давление для ведущих снарядов или ракет аналогичного использования. Взрывоопасные вещества создают разрушение твердых или жидких тел. Пиротехника имеет эффекты, которыми, главным образом, являются звук и свет, но включают многие другие разнообразные свойства. Фейерверки является применением, которое - это зрелищный показ света, шума и движения. "Фейерверки" является почти точным переводом греческого слова "пиротехника." Возможно "пиротехника" должна быть зарезервирована для серьезного использования, а "фейерверки" использоваться для зрелища. Химические реакции, которые мы должны рассматривать, -это реакции между окислителем, который поставляет кислород или получает электроны, и топливо, которые объединяются с кислородом или испускают электроны, и являются замедляющим агентом. Эти две функции могут находиться в той же молекуле, или в разных молекулах. Некоторые избирательные вещества, как например, сера, могут послужить в качестве или топливо или окислителя. В любом случае, эти две функции присутствуют в каждом взрывоопасном веществе ( общий срок для всех трех типов применения), так и кислород атмосферы не играет роли как окислитель, что наблюдается при горении или дыхании, два других химических источника энергии. Для быстрой реакции, окислитель и топливо должны быть смешаны прежде, чем реакция произойдет. В некоторых случаях, атмосферное окисление может сыграть незначительную роль.
Реакции, которые мы используем, должно несомненно быть спонтанными, не должны начинаться до соответствующего момента, даже если все необходимые компоненты находятся в тесном контакте. Это означает, что должен быть некоторый энергетический барьер для инициации реакции, которая не произойдет, пока эта энергия не будет поставлена. Это только определено в общем значении; никакой такой уникальный барьер не может быть определен. Агенты показывают дипазон чувствительности от сверхчувствительного, который будет установлен малейшим потрясением, как например, декомпозиция NCl3, в почти полную нечувствительность, подобно тому же самому TNT. В большинстве случаев, мы ищем степень чувствительности, которая не среагирует на обычные потрясения обработки и перемещения, но будет взрывать надежно когда приложено определенное усилие.
Энергия, необходимая для начала реакции может быть поставлено вмешательством, трением, теплом, пламенем, искрой, излучением, ударной волной или деформацией. Каждый взрывной агент имеет собственный набор чувствительности в различных стимулах, так что нет единственной энергии детонации, которая может быть поставлена многочисленными средствами. Устройство, позволяющее начинать реакции названо детонатор, инициатор. Реакция в этом устройстве затем приводит к основному процессу. Спичка является простым примером. Головка спички является первым огнем, зажигающимся трением. Тепло затем зажигает дерево спички, которая представляет основную плату. Часто "огонь первого" не является инициатором, но он зажжен ним и усиливает свой эффект.
Ядерные взрывы не рассмотрены в этой статье, но они - абсолютно аналогичные химические взрывы, в них энергия высвобождается в течение того же короткого интервала времени, как и в экзотермических реакциях. Есть также механические "взрывы" где энергетические передачи происходят в небольших интервалах. Они, также, не будут рассмотрены.

Химическая реакция может быть описана сбалансированным химическим уравнением, как например, C + O2 > CO2. Это означает, что один атом углерода реагирует с одной двухатомной молекулой кислорода, чтобы производить одну молекулу углекислого газа. В массах, 12 г углерода взаимодействует с 32 г кислорода, и получается 44 г углекислого газа. Конечно, здесь мы берем вес фиксированного количества атомов или молекул, 6.02 x 1023 . Коэффициент 12 г углерода к 32 г кислорода назван стехиометрическим, означая, все вещества находятся не в недостатке или избытке для реакции согласно этому уравнению.
Написание уравнения не обязательно означает, что реакция произойдет в этом направлении. Например, углерод мог бы прореагировать как 2C + O2 > 2CO, производя угарный газ. Здесь, 24 г углерода реагируют с 32 г кислорода, чтобы произвести 56 г угарного газа. Также, уравнение не может показывать механизм реакции, или промежуточные состояния. Реакции могут не протекать доконца, но достигать состояния равновесия с наличием всех реагентов и продуктов. Кроме того, только потому что реакция не пойдет означает, это пойдет быстро. Фактически, она может не протекать без катализатора, или если не установлено некоторое другое необходимое условие .
В первой реакции, 94 ккал тепла высвобождается для каждого г/моль углерода (12 г), который реагирует. Это - тепло реакции. В этом случае, CO2 формируется из своих элементов, так что это - также тепло образования углекислого газа. Мы предполагаем, что углерод, кислород и углекислый газ - все в некотором стандартном состоянии когда мы определяем тепло. Если они - горячие или более холодные, или в некоторой другой форме, должно быть скорректировано тепло реакции. Реакция, в результате которой выделяется тепло, назван экзотермической. Во взрывоопасных веществах и пиротехнике, мы имеем дело главным образом с экзотермическими реакциями.
Тепло реакции Q является уменьшением энтальпии H системы, если реакция происходит при постоянном давлении, или Q = -H. Изменения энтальпии даны в справочниках, так что они - негативы тепла реакции. Для образования CO2, следовательно, H = -94 ккал/моль. Экзотермическая реакция означает отрицательную энтальпию H, а эндотермическая реакция имеет положительную энтальпию H. Некоторые сложные вещества, потенциально неустойчивые , имеют отрицательное тепло образования, или положительные энтальпию изменения.
Тепло образования угарного газа, во втором уравнении, - 26 ккал/моль. Теперь полагаем, что мы будем сжигать угарный газ и хотим найти тепло реакции. Уравнение - 2CO + O2 > 2CO2. Еслт реакция пойдет в прямом направлении, мы получаем 26 ккал/моль, как только что установлено, или 52 ккал. Если реакция пойдет в обратном направлении, мы получаем 94 ккал/моль, или 188 ккал. Сохранением энергии, мы получим разницу, 188 - 52 = 136 ккал, когда мы сжигаем два моля, 56 г, угарного газа. Мы можем сказать, что горение моля угарного газа в двуокись дает нам 68 ккал. Это может быть установлено из любого уравнения, если мы знаем тепло образования каждой вовлеченной молекулы.
Давайте возьмем другую общую реакцию, 2H2 + O2 > 2H2O. Каждая молекула воды, тепло образования - 58 ккал/моль если вода остается в парообразном состоянии. Если мы конденсируем воду в жидкость, мы восстанавливаем тепло конденсации также, так что тепло образования 68 ккал/моль.
Теперь давайте рассмотрим пиротехническую реакцию использованную, чтобы производить тепло и "вспышку," KClO3 + 2Al > KCl + Al2O3. KClO3 - мощный окисляющий агент, и Al алюминий. Это - сравнительно опасное смешивание, которое может быть установлено теплом или потрясением. Тепло образования калия хлората - 94 ккал/моль, и тепло образования хлористого калия, KCl, - 104 ккал/моль. Тепло образования алюминиевой окиси - 385 ккал/моль. Следовательно, тепло этой реакции - 385 + 104 - 94 = 395 ккал/моль. Формальная степень окисления хлора идет от +5, до -1, тогда как в алюминии идет от 0 до +3, для двух атомов. Говорят, что хлор будет уменьшен, тогда как алюминий окислен, на основе направления изменения формальной степениокисления.
То, что реакция при протекании высвобождает тепло, не означает, что оно спонтанное. Химические реакции не управлялись простой энергией, но также энтропией, и поиск свободной энергии U + PV - TS, не только минимум энергии U . Фактически, тепло реакций является изменениями в количествах H = U + PV, уменьшение H ( энтальпии) при протекании реакции. Мы видим это если энтропия S уменьшается в реакции, тогда свободная энергия увеличивается и реакция менее благоприятная.

Виель обнаруживал как делать ракетное топливо из целлюлозного нитрата в 1886 году. Он начал с пирокоттона с низким содержанием азота, с 11%-12% азота, и придавал пластичность этому с эфиром и спиртом. Пирокоттон растворится полностью в этом растворителе. Гель был скручен в листы, листы растирались в порошок, и порошок формировался в зерна. Эти зерна, с различными добавками, чтобы управлять показателем горения, химических свойств и устойчивости в хранении, сделан как ракетное топливо и был назван бездымным порохом, который мог бы заменить порох, и был более мощным. Поскольку никакие твердые вещества не произведены в реакции, нет дыма, что является большой пользой. Бездымный порох, сделанный полностью из пирокотона, назван единственно-базовым порохом.
Нобель смешивал пирокотон с нитроглицерином, чтобы сделать бездымный порох другой конституции, получившей название двойного-базового пороха. Бездымный порошок полностью заменил черный порох в баллистике из-за своей высшей мощности и недостатка дыма.

[Вверх]