Zastosowanie związków organicznych jako materiałów wybuchowych

1. Historia materiałów wybuchowych

Chemia jako nauka u boku matematyki i fizyki pomaga człowiekowi zrozumieć budowę wszechświata, oraz mechanizmy nim rządzące. Każdego dnia setki tysięcy związków chemicznych towarzyszą nam ułatwiając działanie urządzeń, wzbogacając smak przyrządzanych przez nas potraw, pomagając dbać o higienę i zdrowie, a częstokroć ratują życie. Nie sposób zapomnieć o wielu substancjach niestety zatruwających nasze środowisko. Są to najczęściej związki będące produktami ubocznymi różnych procesów, których nauka nie potrafi wykorzystać, albo też wykorzystanie ich niesie za sobą koszty znacznie przekraczające potencjalny zysk z przetworzenia tych związków. Każdy związek może być śmiercionośny przy przekroczeniu pewnej dawki zabójczej dla organizmu żywego. Istnieją jednak związki, mogące nieść śmierć w każdej użytej ilości. Wspomnieć tu należy Bojowe Środki Trujące (BST) i materiały wybuchowe lub posiadające właściwości wybuchowe. Podobnie jak broń atomowa znajdujące się w rękach ludzi chcących je wykorzystać do złych celów lub nie zdających sobie sprawy z ich niszczycielskiej natury stanowią niewyobrażalne wręcz zagrożenie. Czy jednak człowiek potrafiłby żyć bez tych niebezpiecznych związków? Odpowiedź na to pytanie jest skomplikowana i zależy od bardzo wielu czynników. Nie można zapomnieć, że materiały wybuchowe stosowane są poza aspektem militarnym w wielu dziedzinach, zwłaszcza w przypadku, gdy siła rąk ludzkich i maszyny nie pozwalałyby wykonać określonych zadań.

Materiał wybuchowy to związek chemiczny, bądź mieszanina związków, która zdolna jest do chemicznej reakcji wybuchowej. Właściwość taką ludzkość wykorzystywała już w starożytności. W roku 424 p.n.e. Spartanie w Delium, podczas oblężenia greckiego fortu użyli urządzenia stanowiącego pierwowzór miotacza ognia. Stanowiło je naczynie wypełnione płonącą smołą, węglem i siarką, rozdmuchiwanymi za pomocą miechów przez wydrążony pień. Podobne urządzenia wykorzystywano w wojnie trojańskiej ok. 360 r p.n.e. Wiek późnej Rzymianie używali katapult miotających płonące kule. W roku 668 przed Chrystusem Kallinikos z Hellipolis stworzył Ognie Greckie stanowiące mieszaninę między innymi siarki, węgla, nafty, żywicy i wapna, która wybuchała po kontakcie z wodą. Ognie Greckie wykorzystane zostały wówczas do rozbicia floty Kalifa, a używane były w Bizancjum aż do upadku Konstantynopola.

W dziedzinie środków pirotechnicznych, dających w wyniku reakcji duże ilości światła, dymu i wytwarzających huk niewątpliwymi pionierami byli Chińczycy. Pierwsze takie środki powstały za panowania Haiao Tsung z Nan Subng w drugiej połowie XII wieku. W użyciu cywilnym w Europie pojawiły się one dopiero na przełomie XVII i XVIII wieku. Chińczykom (obok Arabów i Hindusów) przypisuje się także najczęściej wynalezienie prochu czarnego, znali prawdopodobnie już w XI wieku. W roku 1249 roku Roger Becon, mnich angielski podał pierwszy przepis na proch czarny jako mieszaninę 7 części saletry potasowej, 4 części węgla drzewnego i 4 części siarki. Przepis ten uzyskał od Arabów, a ci od Chińczyków około roku 1225. 9 czerwca 1241 pod Legnicą Mongołowie użyli po raz pierwszy w Europie materiałów wybuchowych i środków bojowych. Od XIII wieku w Europie uczeni podawali różne przepisy prowadzące do otrzymania prochu czarnego. Wykorzystany został do broni miotających. Dzięki spaleniu prochu w komorze prochowej wydziela się duża ilość gazów, które dzięki wywieranemu ciśnieniu wykorzystane zostały do wyrzucenia pocisku z lufy. Duże natężenie prac nad prochem przypada właśnie na okres, kiedy to do powszechnego użycia w armiach europejskich weszła broń palna. Wtedy też prochu zaczęto używać do wysadzania skał. Ostatecznie w XVIII wieku stosunek saletry, węgla drzewnego i siarki ustalono jako 75:15:10.[1]

Koniec wieku XVIII to także okres prac nad syntezą nowych, silniejszych materiałów wybuchowych niż dotychczas stosowane mieszaniny prochu. W 1771 roku Pierre Woulfe, chemik francuski wynalazł kwas pikrynowy (2,4,6-trójnitrofenol), wykorzystywany jako żółty barwnik do jedwabiu i środek bakteriobójczy, od 1885 roku po odkryciu jego właściwości wybuchowych, stosowany do napełniania pocisków aż do początku XX wieku. W roku 1799 chemik angielski Edward Howard otrzymał piorunian rtęci oraz azydek ołowiu stosowane do spłonek inicjujących i zapalających w pociskach i zapalnikach bomb. W roku 1829 otrzymano po raz pierwszy anilinę, której nitrowanie miało przynieść w następnych latach bardzo silne materiały wybuchowe. W latach 30-stych XIX wieku trwały prace nad otrzymaniem silnych i bezpiecznych w transporcie i przechowywaniu materiałów wybuchowych. W 1835 roku Francuz Henri Braconnot podał przepis na otrzymywanie nitrocelulozy, a w 1847 Włoch Asconio Sorbero otrzymał nitroglicerynę. W roku 1854 chemik rosyjski Wasilij Pietruszewki skonstruował specjalna spłonkę do detonacji nitrogliceryny, która umożliwiła używanie jej jako dynamitu w mieszaninie 75% nitrogliceryny i 25% węglanu magnezu. Dowództwo carskiej armii nie doceniło jednak tego wynalazku. Jednocześnie z Pietruszewskim w Szwecji nad nitrogliceryną pracował chemik Alfred Bernard Nobel. W roku 1862 założył on w Hellenborgu pod Sztokholmem pierwszą fabrykę nitrogliceryny, w 1867 r. odkrył dynamit okrzemkowy oraz spłonkę detonującą, w 1875 otrzymał przez rozpuszczenie bawełny koloidowej w nitroglicerynie żelatynę wybuchową, w 1888 r. wykorzystał zdolność rozpuszczania nitrocelulozy w nitroglicerynie i otrzymał proch nitroglicerynowy. Dokonania Alfreda Nobla w dziedzinie materiałów wybuchowych sprawiły, że nazwano go ojcem przemysłu materiałów wybuchowych. Ciekawostką jest, że jako człowiek o pacyfistycznym nastawieniu zgłosił w urzędzie patentowym około 350 wniosków w zakresie produkcji organicznych materiałów wybuchowych. Zbudował swoje fabryki w Niemczech, Wielkiej Brytanii, Francji i we Włoszech. W ciągu pięciu lat od roku 1867 produkcja dynamitu wzrosła z 11 do 1350 ton rocznie. Z olbrzymiej fortuny, jaką przyniosła mu działalność naukowca i przemysłowca ufundował nagrodę przyznawaną uczonym w dziedzinach: chemii, fizyki, medycyny, literatury oraz nagrodę za działalność na rzecz zbliżenia między narodami (nagroda pokojowa). Zmarł przeżywszy 63 lata 10 grudnia 1896 roku. W rocznicę śmierci fundacja jego imienia corocznie przyznaje w Oslo i Sztokholmie pięć równych, co do wartości nagród.[2]

Reakcja gliceryny z kwasem azotowym (V) dająca triazotan gliceryny

Koniec XIX wieku przyniósł wiele nowych rodzajów dynamitu i prochu, ale i nowych środków wybuchowych, większość z nich została jednak zbadana i spopularyzowana dopiero po I wojnie światowej ( np.: Pentryt i heksogen). Jednak po tragedii, która wydarzyła się w Birmingham w Anglii w 1875 roku, gdzie w wybuchu zginęły 53 osoby, rządy zaczęły nadzorować produkcję i składowanie materiałów wybuchowych. Nasilenie prac nad materiałami wybuchowymi przypada na okres I wojny światowej i dwudziestolecia międzywojennego.

II wojna światowa to okres, w którym główny nacisk położono na zwiększenie wydajności produkcji i opracowanie nowych rodzajów pocisków, bomb i torped, które mogłyby zawierać wyjątkowo wrażliwe na bodźce środki wybuchowe. Jest to także okres pierwszych dużych prób z pociskami rakietowymi, które krótko po wojnie za sprawą wyścigu zbrojeń staną się nośnikami silnych materiałów wybuchowych umieszczanych w ich głowicach, a niedługo później przeobrażą się w rakiety balistyczne do przenoszenia ładunków nuklearnych. Okres powojenny i lata współczesne to także okres wprowadzenia materiałów wybuchowych do powszechnego użycia w przemyśle i budownictwie cywilnym.