Výbušniny

Jsou sloučeniny nebo směsi látek, které zahříváním, mechanickým působením (třením, nárazem) nebo jiným roznětem se náhle (ve zlomku sekundy) explozivně rozkládají ve velké množství horkých plynů (N₂, CO, CO₂, H₂O), které zaujímají větší objem než výchozí sloučeniny.

Reakce je obvykle projevem rychlého oxidačního pochodu, výbušniny tohoto typu musí obsahovat oxidační a hořlavou složku, okysličovadlo je obvykle obsaženo v organické molekule v podobě vázaného kyslíku ( -NO₂, - ONO₂).

Výbušný rozklad však může probíhat i u nekyslíkatých látek: jodovodík IN₃, azid olovnatý Pb(N₃)_2.

Rozklad doprovází uvolnění velkého množství tepla, dochází k tlakovému, zvukovému a světelnému efektu. Tato přeměna se nazývá výbuch.

Čím rychleji proběhne výbuch (detonace) trhaviny, tím větší vzniká přetlak plynů oproti okolnímu prostředí. Tato rychlost se označuje jako detonační rychlost (D).

Požadavky na výbušniny: výkonnost, přiměřená odolnost vůči vnějším vlivům (proti tření, rázu a působení tepla), dostatečně dlouhá skladovatelnost, dostupnost za přijatelnou cenu.

Vlastnosti výbušnin

Každá výbušnina je charakterizována řadou fyzikálně-chemických parametrů.

Mechanické účinky výbuchu se posuzují v uzavřeném prostoru a vyjadřují se jako brizance.

Citlivost určuje, jak velký impuls je nutné použít ke spolehlivé detonaci této výbušniny.

Detonační rychlost v bývá u používaných látek ve vojenství  v rozmezí 6000–8000 m/s; u průmyslových trhavin do 5000 m/s.

Detonační vlna vyjadřuje postupné šíření výbuchu v náloži výbušniny od místa, kde výbuch vznikl. Bezprostředně za čelem detonační vlny dochází k uvolnění energie a k přeměně výbušniny v plyny. Detonační vlna se ve výbušnině šíří rychlostí od 1 km/s do 9 km/s .

Výbuchové teplo Q je vyjádřeno uvolněnou energií při výbuchu, hodnoty jsou nad 3 780 kJ/kg.

Objem výbušných zplodin Vo je vyjádřen objemem plynů v dm³ vzniklých výbuchem 1kg výbušniny. Objem vzniklých plynů je v rozmezí 300-1100 dm³/kg, nejčastěji kolem 800 dm³/kg. Skutečný objem plynů je ale v důsledku rozpínání působením vysoké teploty  asi desetkrát větší.

Výbuchová teplota je teplota, jíž mohou dosáhnout plyny při výbuchu. Udává ve stupních Celsia nebo Kelvinech, hodnota se stanovuje výpočtem. Ze známé hodnoty výbuchové teploty se vypočítávají detonační tlaky a skutečný objem plynů. Důležitou vlastností je teplota výbuchu pro bezpečnostní trhaviny v dolech a v prostředí s uhelným prachem nebo methanem. Hodnoty dosahují 1500-7000°C, nejčastěji kolem 3500°C.

Iniciace je roznět výbušniny vnějším vlivem, rozklad výbušniny způsobený vnějším popudem nastává jen v malé části nálože, v tomto místě dojde k přehřátí a vzniku výbušného rozkladu (reakce). K takové přeměně může dojít silným zvýšením tlaku a teploty v některé části nálože. Když výbuch zachvátí určitou část nálože, šíří se samostatně dál, dokud celá nálož nevybuchne.

Historie používání výbušnin

Historicky nejvýznamnější a nejznámější výbušninou byl až do konce 80. let 19. století černý střelný prach. Byl používaný u starých Číňanů již v době před naším letopočtem. Přesné údaje o složení jsou z 12. století, složení bylo stejné prakticky jako dnes. Používal se ve vojenství a k trhacím účelům. Je tvořen jemnou směsí ledku draselného KNO₃, síry S a dřevného uhlí C.

V  70.- 80. letech 18. století francouzští chemici A. Lavoisier a K. Berthollet popsali výbušné vlastnosti směsí obsahující chlorečnan draselný KClO₃ (Bertholletova sůl) s organickými látkami. Další výzkum zbrzdila velká exploze továrny na výrobu těchto výbušnin. Ve stejném období byla objevena třaskavá rtuť Hg(ONC)₂  (fulminát rtuťnatý).

Rok 1771: P. Bulforn připravil kyselinu pikrovou (NO₂)₃C₆H₂OH, ale výbušné vlastnosti kyseliny pikrové byly objeveny až o sto let později G. Sprenglem.

Rok 1846: Bedřich Schonlein poprvé vyrobil střelnou bavlnu (nitrocelulóza), o 6 měsíců později objevil italský chemik Ascagre Sobrero nitroglycerin, což je trinitrát glycerolu O₂NOCH₂CH(ONO₂)CH₂ONO₂.

Rok 1854: Rusové Zinin a Petračeský přišli s nápadem použít nitroglycerin k trhacím pracím, používal se v čisté podobě jako kapalný nebo ve směsi s černým prachem. Švéd Alfréd Nobel roku 1864 patentoval výrobní postup nitroglycerinu a založil několik továren na jeho výrobu. Jeho zásadním objevem v r. 1867  byl způsob, jak snížit citlivost nitroglycerinu. Smísil ho  s pórovitou infuzoriovou hlinkou (diatomit, křemelina). Hlinka pohlcuje až trojnásobné množství nitroglycerinu. Vznikl tak první dynamit; zachovává si  vlastnosti nitroglycerinu,  ale je daleko méně citlivý na úder, a tedy bezpečnější při manipulaci, dopravě i skladování.  2 roky předtím vynalezl Nobel při svých pokusech rozbušku s náplní třaskavé rtuti (do té doby se nitroglycerin rozněcoval náloží černého prachu). Objevil vlastnosti želatinovaného nitroglycerinu a  vyrobil tak  trhací želatinu (92 % nitroglycerinu, 8 % nitrocelulózy). Nobelova cena

Rok 1863: I. Bilbrant poprvé připravil trinitrotoluen C₆H₂(NO₂)₃CH₃, roku 1887 získal K. Martens tetryl (2,4,6-trinitro-N-methylnitramin;  N-methyl-N,2,4,6-tetranitroanilin).

Následovaly další objevy: azidu olovnatého Pb(N₃)₂, hexogenu (CH₂-N-NO₂)₃, pentritu C(CH₂ONO₂), oxylikvitů (směs kapalného kyslíku a organických látek).

Významné bylo využití amonledkových trhavin (první byl ruský Hromobij tvořený dusičnanem amonným NH₄NO₃ a pikrátem amonným) v nejrůznějších směsích.

Nejčastěji využívanou vojenskou trhavinou se stal trinitrotoluen – tritol.         

            

            Obr. 1: Výbuch

 

 

 

Dílčí lekce

Zdroje

• KAMENÍČEK, Jiří. UCITELCHEMIE.UPOL.CZ. Výbušniny [online]. [cit. 7.11. 2014]. Dostupné z: http://ucitelchemie.upol.cz/materialy.html
• KŘÍŽ, Jan. Výbušniny - výukový materiál pro studenty: Bakalářská práce [online]. [cit.10.8. 2014]. Dostupné z: http://theses.cz/id/hpe3tw/downloadPraceContent_adipIdno_16464
• 21.STOLETÍ.CZ. Věda na stopě zločinu [online]. [cit. 10.8. 2014]. Dostupné z: http://21stoleti.cz/blog/2006/08/18/veda-na-stope-zlocinu-pyrotechnikum-pomaha-2500-robotu/
• URBAŃSKI, T. Chemie a technologie výbušnin: díl I- III . SNTL Praha 1958
• WIKIPEDIA.ORG. Výbušnina [online]. [cit. 10.8. 2014]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/V%C3%BDbu%C5%A1nina

Obrázky

• Obr. 1: 21.STOLETÍ.CZ. Výbuch [online]. [cit. 10.8. 2014]. Dostupné z: http://21stoleti.cz/wp-content/images/1161273631.jpg
• Obr. 2: NAVRÁTIL, Lukáš. INDIANI.CZ. Černý prach [online]. [cit. 24.11. 2014]. Dostupné z: http://www.indiani.cz/clanky/index.php?a=cerny-prach
• Obr. 3: AUTOR NEZNÁMÝ.WIKIMEDIA.ORG. Semtex H1 [online]. [cit. 2014-11-09]. Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b8/Semtex_H_1.jpg
• Obr. 4: AUTOR NEZNÁMÝ.COMMONS.WIKIMEDIA.ORG. Halifax Explosion blast cloud restored [online]. [cit. 14.11. 2014]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Halifax_Explosion_blast_cloud_restored.jpg
• Obr. 5: E-CHEMBOOK - MULTIMEDIÁLNÍ UČEBNICE CHEMIE. Střelný prach [online]. [cit. 13.12. 2014]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=FSxP9jfQviQ&list=UUdvdI-UAjKNMaLRIFGAyLPQ&index=7