Materiały wybuchowe

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Materiały wybuchowe i kwasy Adrian Pisarek

Slide 2

Materiały wybuchowe i kwasy Spis treści Anfo C4 Karbonit Nitrogliceryna Trotyl Kwas Kwas Kwas Kwas Kwas siarkowy IV siarkowy VI azotowy V węglowy solny

Slide 3

Anfo ANFO (Ammonium Nitrate Fuel Oil) materiał wybuchowy otrzymywany przez nasączanie porowatego azotanu amonu (NH4NO3) paliwami płynnymi (benzyna, olej napędowy, nafta, aceton itp.) w stosunku 94 NH4NO3 do 6 paliwa, a następnie granulowanie otrzymanej mieszaniny. Powstały materiał wybuchowy trudno detonuje. Zazwyczaj do wywołania wybuchu ANFO używa się detonatorów z kruszących materiałów wybuchowych takich jak heksogen i Miedziankit. W niektórych przypadkach możliwe jest zdetonowanie ANFO bezpośrednio od spłonki z materiału wybuchowego inicjującego, ale wymaga to specjalnej obróbki materiału i odpowiedniego ustawienia spłonek w ładunku. W celu zwiększenia wrażliwości ładunku dodaje się także wysokoenergetycznych paliw (pył aluminiowy) lub związków nitrowych (np. nitroksyleny, nitroglikol, nitrometan itp.). ANFO jest powszechnie stosowane jako w miarę bezpieczny i jednocześnie bardzo tani materiał strzałowy w kopalniach. Ze względu na to, że można go prosto wykonać z łatwo dostępnych materiałów (azotan amonu jest powszechnie stosowany jako nawóz sztuczny), był on powszechnie stosowany w USA przez zdesperowanych farmerów w latach 30. XX w. w czasie Wielkiego Kryzysu. Doprowadzeni do bankructwa farmerzy często decydowali się na wysadzenie swoich farm przy użyciu ANFO, aby nie weszły one w posiadanie znienawidzonych przez nich banków. Obecnie ANFO jest czasami stosowane przez terrorystów, choć jako materiał wybuchowy jest ono dla nich niezbyt wygodne w użyciu. W przeliczeniu na jednostę masy ANFO jest słabym środkiem wybuchowym, tak więc dużą siłę rażenia uzyskuje się dopiero przy użyciu znacznych jego ilości. Rekompensatę stanowi możliwość przygotowania dużych jego ilości po niskiej cenie i bez zwracania na siebie uwagi. ANFO było użyte w czasie ataku terorystycznego z 19 kwietnia 1995 w Oklahoma City. Użyty wtedy środek wybuchowy domowej roboty składał się z azotanu amonu nasączonego m.in. nitrometanem. Całkowita masa mieszanki wyniosła ok. 2300 kg. Spis treści

Slide 4

C4 C4 jest powszechnie stosowanym plastycznym materiałem wybuchowym. Składa się z właściwego materiału wybuchowego, spoiwa, masy plastycznej i (w ostatnich czasach) substancji znakujących. Materiałem wybuchowym w C4 jest RDX (heksahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazyna), który stanowi około 90 masy C4. Spoiwem jest poliizobutylen (ok. 5,5 masy), a plastyfikatorem jest sebacynian di(2etyloheksylu) (ok. 2). W USA substancją znakującą jest DMDNB (2,3-dimetylo-2,3-dinitrobutan). Czasem, jako spoiwo stosowany jest adypinian dioktylu (DOA). Dodaje się również niewielkie ilości (1,6) benzyny. C4 uzyskuje się z mieszaniny roztworu heksogenu (RDX) ze spoiwem rozpuszczonym w rozpuszczalniku. Rozpuszczalnik jest następnie usuwany, a mieszanina jest filtrowana i osuszana. Końcowy produkt to biaława substancja o konsystencji miękkiej glinki. C4 jest udoskonaleniem substancji wybuchowych z czasów II wojny światowej, w których heksogen był mieszany z olejami mineralnymi lub lecytyną w celu uzyskania charakterystyki plastycznych materiałów wybuchowych - mieszaniny takie miały jednak pewne wady, których nie ma C4. C4 jest obok C, C2 i C3 jednym z wielu materiałów wybuchowych wynalezionych w latach 60. XX wieku. Różnice między nimi polegają na różnej zawartości heksogenu. Litera C jest skrótem od angielskiego Composition, czyli mieszanina, od złożonego składu materiału wybuchowego. Stąd czasem spotykane oznaczenie Composition 4. Z kolei samo słowo composition jest używane do oznaczania także stałych materiałów wybuchowych np. Composition A czy Composition B, stąd dla odróżnienia od plastycznego C4 stosuje się oznaczenie Composition C-4 Spis treści

Slide 5

Karbonit Karbonit - materiał wybuchowy amonowo saletrzany, stosowany w kopalniach węglowych, w których występuje pył węglowy. Skład Karbonitu : Azotan amonu NH4NO3 Nitrogliceryna (C3H5(ONO2)3) lub Nitroglikol Trotyl (CH3-C6H2-(NO2)3) i Dinitrotoulen (2,4 (O2N)2C6H3-CH3), Chlorek sodu - NaCl Mączka drzewna Spis treści Produkcja Jest wiele sposobów na produkcję karbonitu, oto jeden z nich: Na początek zaczynamy od odważenia 72 gramów, wysuszenia i dokładnego rozdrobnienia azotanu amonu. Następnie dodajemy do niego 6 gram trotylu i dinitrotoulenu, wcześniej razem ze sobą zmieszanych. Teraz do powstałej mieszanki dodajemy 15 gram chlorku sodowego. Powstałą mieszaninę odstawiamy. Odmierzamy 3 gram drobnej przesianej przez drobne sito mączki drzewnej, wsypujemy do osobnego pojemnika i dodajemy do niej bardzo ostrożnie 4 gram nitrogliceryny (można użyć nitroglikolu). Całość bardzo delikatnie i dokładnie mieszamy bagietką. Po zmieszaniu całość nie jest już zbyt czuła na bodźce mechaniczne jak nitrogliceryna w czystej postaci, ale i tak należy się z nią ostrożnie obchodzić. Następuje ostatni efekt, czyli zmieszania mączki drzewnej połączonej z nitrogliceryną z mieszarnią azotan amonu, trotylu, dinitrotoulenu i chlorku sodu. Robimy to oczywiście, ostrożnie. Wszystko dokładnie mieszamy i formujemy w laski o żądanej długości i średnicy. Laski obwijamy w papier.

Slide 6

Nitrogliceryna Nitrogliceryna, C3H5(ONO2)3 organiczny związek chemiczny, ester kwasu azotowego i glicerolu, stosowany jako bardzo wrażliwy na uderzenia i inne bodźce materiał wybuchowy oraz lek z grupy nitratów, rozszerzający naczynia krwionośne (głównie żylne) podawany w ostrych napadach choroby niedokrwiennej serca w celu przerwania bólu wieńcowego[1]. Wbrew nazwie potocznej nie jest związkiem nitrowym. ATC: C 01 DA 02. Nitrogliceryna rozkłada się z wytworzeniem produktów gazowych: 4C3H5(ONO2)3 6N2 10H2O 12CO2 O2 Właściwości Detonuje z prędkością 8000-8500 ms w rurach stalowych o średnicy 25 mm Może detonować z małą prędkością 1500-2000 ms Duża wrażliwość na bodźce mechaniczne: detonacja przy uderzeniu ciężarka 2 kg z wysokości 4 cm; niektórzy badacze donoszą o detonacji przy uderzeniu ciężarka 1 kg z wysokości 2 cm Nie ulega reakcji łańcuchowej podczas normalnej detonacji, przez co ma ograniczone zastosowanie Po raz pierwszy została otrzymana przez włoskiego chemika Ascanio Sobrero w 1847 r. Wybuchowość tego związku spowodowała, że szybko zakazano jego wytwarzania[potrzebne źródło]. Popularność zdobyła dopiero dzięki wynalazkom dynamitu i żelatyny wybuchowej dokonanym przez Alfreda Nobla w latach sześćdziesiątych XIX wieku. Otrzymywana jest przez estryfikację gliceryny mieszaniną nitrującą. Uproszczony zapis reakcji: C3H5(OH)3 3 HNO3 C3H5(ONO2)3 3 H2O Składnik materiałów wybuchowych np. dynamitu i prochów bezdymnych, a także żelatyny wybuchowej. Ponieważ ma właściwości rozpuszczalnika organicznego, dodatni bilans tlenowy (wybuchając wytwarza pewne ilości tlenu) oraz przy tych właściwościach jest materiałem wybuchowym, stosuje się ją jako rozpuszczalnik lub dodatek do innych materiałów wybuchowych. Nitrogliceryna i pochodne środki są powszechnie stosowane jako leki ( nitraty) w chorobach układu krążenia, w niedokrwiennej chorobie serca, gdyż powoduje gwałtowny rozkurcz mięśni gładkich, z których zbudowane są naczynia krwionośne, co powoduje obniżenie wysiłku serca, a także obniża powrót krwi żylnej do serca. Stosowana jest w formie 1 roztworu w etanolu - w większych stężeniach może być toksyczna. Spis treści

Slide 7

Trotyl Trotyl (2,4,6-trinitrotoluen, TNT, (NO)CHCH) organiczny związek chemiczny, nitrozwiązek, stosowany masowo jako kruszący materiał wybuchowy. W temperaturze pokojowej trotyl jest żółtawym, krystalicznym ciałem stałym o gęstości 1,654 gcm. Topi się w temp. 80 C. Ulega rozkładowi powyżej 295 C. W temperaturze 333 C wybucha. Temperatura wrzenia: 245 C pod ciśnieniem 50 mm Hg. Nie jest rozpuszczalny w wodzie. Rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych. W tonach trotylu (kilotonach, megatonach) wyraża się siłę wybuchów jądrowych, ekwiwalentną dla wybuchu odpowiedniej ilości trotylu (1 t TNT ok. 4,6 GJ). Spis treści Otrzymywanie Otrzymuje się go poprzez nitrowanie toluenu, czyli reakcję toluenu z mieszaniną kwasu siarkowego i azotowego. Po raz pierwszy został otrzymany w 1863 przez Josepha Wilbranda. Zastosowanie Jako materiał wybuchowy, jest trwały, mało wrażliwy na uderzenie, tarcie i ma wysoką temperaturę wymaganą do zainicjowania wybuchu. Dzięki temu jest stosunkowo bezpieczny w użytkowaniu i przechowywaniu, jednak musi być odpalany za pomocą silnych detonatorów. Trotyl lany, w przeciwieństwie do prasowanego, pali się pod wpływem płomienia nie detonuje. Trotyl można także zdetonować bezpośrednio lontem detonującym owijając co najmniej 2 razy ładunek albo jedną z jego kostek. W celu obniżenia temperatury detonacji TNT do 295 C można do niego dodać 10 siarki lub 2 tlenku żelaza(III). Do napełniania pocisków i min używany jest w postaci lanej lub prasowanej. Luzem przeważnie występuje w prasowanych kostkach 200 i 400 g oraz jako walcowy 75 g nabój strzelniczy. Bywa również w postaci kostek o masie 1 kg oraz ładunków cylindrycznych o wadze 5 lub 8 kg. Jest składnikiem m.in. oktolu, torpeksu, H-6, HTA. Spis treści

Slide 8

Kwas siarkowy IV Kwas siarkowy(IV), (kwas siarkawy, H2SO3) - nieorganiczny związek chemiczny, słaby, nietrwały kwas powstający przez reakcję tlenku siarki(IV) z wodą. Z metalami tworzy trwałe sole siarczany(IV) (siarczyny). Powstawanie kwasu siarkowego(IV) przedstawia reakcja: SO2 H2O H2SO3 Można go także otrzymać działając roztworem mocnego kwasu na siarczany(IV). Powstały wówczas kwas siarkowy(IV) ulega rozpadowi, wg równania: SO32- 2H [H2SO3] SO2() H2O Właściwości kwasu siarkowego(IV): nietrwały - rozkłada się podczas ogrzewania bakteriobójczy grzybobójczy ma właściwości bielące niszczy rośliny trujący silnie drażniący jest elektrolitem W przeciwieństwie do swoich soli, siarczynów, zastosowanie wolnego kwasu siarkawego jest znikome. W syntezie laboratoryjnej wykorzystuje się go jako środek redukujący. Stosuje się go do bielenia wełny oraz w przemyśle papierniczym. Kwaśny deszcz to silnie rozcieńczony kwas siarkowy(IV), który powstaje w wyniku rozpuszczania się w kroplach deszczu tlenku siarki(IV), pochodzącego głównie ze spalania zasiarczonych paliw kopalnianych: węgla, gazu ziemnego oraz paliw ropopochodnych. W warunkach laboratoryjnych kwas siarkowy(IV) można otrzymać poprzez spalanie siarki i absorpcji powstających par w wodzie, w wyniku czego powstaje niezbyt stężony roztwór tego kwasu Spis treści

Slide 9

Kwas siarkowy VI Kwas siarkowy(VI) (zwycz. kwas siarkowy), H2SO4 - nieorganiczny związek chemiczny, jeden z najmocniejszych kwasów - wszystkie układy o mocy większej od kwasu siarkowego 100 nazywa się superkwasami. Bywa zwany krwią przemysłu chemicznego, ze względu na to, że używa się go w bardzo wielu kluczowych syntezach. Sole kwasu siarkowego to siarczany. Właściwości Bezbarwna, oleista ciecz, cięższa od wody. Silnie higroskopijny Ma właściwości żrące Niszczy białko Reaguje z metalami półszlachetnymi np. miedzią (na gorąco temp. roztworu ok. 100 C) Czernieje zostawiony na powietrzu (zwęglanie glukozy i aeroplanktonu) Z wodą tworzy azeotrop przy stężeniu 98,3 o gęstości 1,84 gcm i temperaturze wrzenia 330 C Kwas siarkowy jest silnym środkiem pochłaniającym wodę. Ma szerokie zastosowanie w syntezie laboratoryjnej, produkcji papieru, do akumulatorów samochodowych, jako zakwaszacz. Otrzymywanie kwasu siarkowego [ Współcześnie kwas siarkowy otrzymuje się w przemyśle głównie metodą kontaktową. W metodzie tej można wyróżnić trzy podstawowe etapy: spalanie siarki do SO2 utlenianie SO2 do SO3 (na katalizatorze wanadowym) absorpcja SO3 w oleum oraz stężonym kwasie siarkowym Spalanie siarki [ Reakcję spalania siarki przedstawia równanie: S8 8O2 8SO2 Z podanego równania reakcji wynika, że z 1 mola zużytego tlenu otrzymuje się 1 mol SO2. Spalanie siarki odbywa się bez zmiany objętości gazów. Gdyby siarkę spalać nie w powietrzu, lecz w tlenie, to otrzymywałoby się czysty SO2. W przypadku spalania w powietrzu sumaryczne stężenie wytworzonego ditlenku siarki i nie spalonego tlenu będzie zawsze równe 21, czyli początkowemu stężeniu tlenu w powietrzu. Stężenie ditlenku siarki w gazach spalinowych wynosić może zatem maksymalnie 21. Przy produkcji kwasu siarkowego nie uzyskuje się podczas spalania siarki tak dużych stężeń SO2. Po pierwsze dlatego, że im mniej tlenu pozostaje w gazach, tym reakcja spalania zachodzi wolniej. Do jej przeprowadzenia potrzebne byłyby więc piece o dużej objętości. Po drugie dlatego, że tlen potrzebny jest w gazach po to, aby w dalszej części instalacji przeprowadzić utlenianie ditlenku siarki do tritlenku. Spalając siarkę w omówionych niżej piecach otrzymuje się gaz zawierający 10 12 ditlenku siarki. Resztę stanowi azot i tlen. Spis treści

Slide 10

Kwas azotowy V Kwas azotowy(V) HNO3 nieorganiczny związek chemiczny, jest jednym z kwasów tlenowych. Otrzymywanie Kwas azotowy(V) można otrzymać, łącząc tlenek kwasowy z wodą: N2O5 H2O 2HNO3 Jest to jednak tylko teoretyczny proces, nie mający praktycznego sensu. Na skalę przemysłową kwas azotowy otrzymuje się w reakcji katalitycznego utleniania amoniaku (w temperaturze 900 C w obecności platyny i rodu) według równania: 4NH3 5O2 4NO 6H2O Tak uzyskany tlenek azotu(II) utlenia się do tlenku azotu(IV): 2NO O2 2NO2 Następnie tlenek azotu(IV) rozpuszczony w wodzie ulega dysproporcjowaniu wg równania: 2NO2 H2O HNO3 HNO2 W reakcji powstaje kwas azotowy(V) i kwas azotowy(III). Ten ostatni jest nietrwały i ulega dalszemu dysproporcjowaniu według równania: 3HNO2 HNO3 2NO H2O Powstały tlenek azotu(II) jest ponownie utleniany i wykorzystywany w procesie. Tę metodę otrzymywania kwasu azotowego z tlenku azotu opracował Ignacy Mościcki. Właściwości Stężony kwas azotowy dymi można zaobserwować wydzielanie brunatnego tlenku azotu(IV) rozkłada się zgodnie z równaniem: 4HNO3 4NO2 O2 2H2O; Gęstość stężonego 65 kwasu azotowego wynosi 1,40 gcm, temperatura wrzenia ok. 120 C, a temperatura topnienia ok. -32 C. Jest mocnym kwasem ulega całkowitej dysocjacji po dodaniu minimalnej ilości wody. Kwas azotowy(V) i jego sole są bardzo silnymi utleniaczami dlatego gwałtownie reaguje nawet z metalami nie wypierającymi wodoru (np. miedź lub srebro). Utlenia także pewne niemetale: S 2HNO3 H2SO4 2NO 3C 4HNO3 3CO2 4NO 2H2O P4 20HNO3 4H3PO4 20NO2 4H2O Zaś niektóre, jak np. glin, chrom i żelazo ulegają pasywacji po zetknięciu z tym kwasem. Przebieg reakcji miedzi z kwasem azotowym (V) przedstawiają równania : (przy kwasie stężonym) Cu 4HNO3 Cu(NO3)2 2NO2 2H2O (przy kwasie rozcieńczonym) 3Cu 8HNO3 3Cu(NO3)2 2NO 4H2O Powstający w reakcji ze stężonym kwasem tlenek azotu(IV) jest silnie trującym gazem, o bardzo intensywnym, nieprzyjemnym zapachu i brunatnym zabarwieniu. W mieszaninie z kwasem chlorowodorowym (w stosunku 1:3 kwas azotowy(V) do chlorowodorowego) tworzy wodę królewską, roztwarzającą prawie wszystkie metale. Spis treści

Slide 11

Kwas węglowy Kwas węglowy (H2CO3, poprawniej H2OCO2) tlenowy kwas nieorganiczny. Występuje jedynie w wodnych roztworach dwutlenku węgla. Jest to kwas o małej mocy (pKa1 6,35). Otrzymywanie Kwas węglowy otrzymać można rozpuszczając dwutlenek węgla w wodzie: H2O CO2 H2CO3 165,96 kcal W praktyce jednak rozpuszczenie nawet znacznej ilości dwutlenku węgla w wodzie prowadzi do otrzymania niewielkiego stężenia tego kwasu ze względu na to, że równowaga powyższej reakcji jest silnie przesunięta w stronę substratów. Właśnie to zjawisko jest odpowiedzialne za lekko kwaśny smak tzw. wody sodowej. Wodę nasyconą CO2 można uzyskać także poprzez rozkład wodorowęglanu sodu w zakwaszonej wodzie ( napoje musujące w proszku). Właściwości i zastosowanie Kwas ten jest kwasem bardzo nietrwałym, już w temperaturze pokojowej ulega reakcji rozkładu. W efekcie nie można otrzymać stężonego roztworu tego kwasu. Kwas węglowy służy do produkcji napojów gazowanych przykładem może być woda sodowa. Oranż metylowy w jego roztworze zmienia barwę na czerwoną. Dysocjacja W roztworach dysocjuje dwustopniowo może stracić jeden lub dwa protony. Po stracie jednego protonu powstaje jon wodorowęglanowy (HCO3-), po stracie dwóch jon węglanowy (CO32-): H2CO3 HCO3- H (pKa1 6,35) HCO3- CO32- H (pKa2 10,33) Podana powyżej wartość pierwszej stałej dysocjacji liczona jest względem sumy stężeń CO2 oraz H2CO3 w roztworze. Wartość liczona względem samej formy kwasowej H2CO3 wynosi pKa1 3,76. Spis treści

Slide 12

Kwas solny Kwas solny, kwas chlorowodorowy (HCl) (pot. zalzajer, zajzajer od niem. Salzsäure ) - kwas beztlenowy, będący roztworem chlorowodoru w wodzie. Jest to nieorganiczny związek chemiczny. Czasami kwasem solnym nazywa się też roztwór chlorowodoru w innych rozpuszczalnikach polarnych np: w acetonie. Rozcieńczony kwas solny znajduje się w żołądku człowieka i ssaków - umożliwia trawienie białek. Nazwa kwas solny pochodzi od dawnej metody jego otrzymywania ze stężonego kwasu siarkowego(VI) i chlorku sodu (kwas z soli). Otrzymywanie Przemysłowa synteza kwasu solnego jest zawsze zintegrowana z innymi procesami chemicznymi. Znaczne ilości kwasu solnego otrzymuje się jako produkt uboczny, poprzez absorpcję chlorowodoru powstającego przy okazji licznych procesów chemicznych. Głównym źródłem kwasu solnego jest jednak elektroliza wodnego roztworu chlorku sodu, w wyniku której powstaje wodorotlenek sodu i przy okazji chlor i wodór. Chlor po oczyszczeniu jest mieszany w kontrolowanych warunkach z gazowym wodorem i spontanicznie z nim reaguje z wydzieleniem znacznych ilości ciepła, wg schematu: H2 Cl2 2HCl Otrzymany gazowy chlorowodór jest absorbowany na specjalnych kolumnach w wodzie, w wyniku czego powstaje ok. 15-20 kwas solny, który zatęża się do 36,7. Właściwości Jest jednym z najmocniejszych (w sensie dużego ujemnego pKa) kwasów nieorganicznych - znacznie mocniejszym od kwasu siarkowego czy azotowego, nie ma on jednak własności utleniających i dlatego jego działanie żrące wydaje się słabsze od kwasów tlenowych. Mocniejsze są tylko kwas chlorowy(VII), kwas bromowodorowy i kwas jodowodorowy, oraz superkwasy. Działaniu stężonego kwasu solnego ulegają m.in. tkaniny, papier oraz skóra. Rozpuszczalność chlorowodoru w wodzie (w temperaturze 20 C) wynosi 36,7, nie można więc uzyskać kwasu solnego o większym stężeniu. Ze wzrostem temperatury spada ona dość szybko i dlatego stężony kwas solny wykazuje silną tendencję do uwalniania gazowego chlorowodoru, który z kolei reaguje z wilgocią w powietrzu, tworząc mgłę - mówi się, że kwas dymi. Kwas solny o stężeniu poniżej 30 nie wykazuje już tendencji do dymienia. Kwas solny jest bezbarwny. Roztwór chlorowodoru w acetonie i eterach ma jaskrawe, żółte zabarwienie. Gęstość kwasu solnego w temperaturze pokojowej: 10 1,050 10 kgm 20 1,075 10 kgm 30 1,155 10 kgm. Spis treści