3. Właściwości wybuchowe [2][5]

Jak zaznaczyłem na wstępie materiały wybuchowe to związki chemiczne lub mieszaniny mogące ulegać reakcji wybuchowej. Zostaje ona zapoczątkowana bodźcem zewnętrznym i postępuje samorzutnie z wielką szybkością. Podczas przebiegu reakcji wydzielają się zazwyczaj duże ilości produktów gazowych i energii. W zależności od rodzaju materiału wybuchowego reakcję wybuchową wywołują różne bodźce:

cieplny – ogrzewanie lub płomień,
mechaniczny – uderzenie, tarcie lub nakłucie,
elektryczny – wyładowanie elektryczne,
wybuchowy – za pomocą ładunku inicjującego, którego zdetonowanie następuje na drodze jednego z powyższych bodźców.

Co właściwie decyduje o tym czy substancja chemiczna będzie przy określonych warunkach ulegać jednej z powyższych reakcji nie do końca wiadomo. Bardzo wysoka energia towarzysząca reakcji wybuchowej i szybkość, z jaką zachodzi utrudniają badania nad materiałami wybuchowymi. Wiadomo jednak, że sprzyja temu obecność w cząsteczce, tzw. eksplozoforu. Jest nim np. grupa nitrowa – NO₂, czy azydkowa – N₃, która może być połączona z atomem węgla lub z heteroatomem.

Minimalna ilość energii niezbędna do inicjacji reakcji wybuchowej danego ładunku, jest miarą wrażliwości tego ładunku. Pod względem chemicznym przemiana wybuchowa większości organicznych materiałów wybuchowych ma charakter reakcji utleniania, podczas której atomy węgla, wodoru i heteroatomy zawarte w cząsteczce utleniają się tlenem tej samej cząsteczki (lub tlenem pochodzącym od utleniacza w przypadku np. paliw rakietowych). Ilość ciepła wydzielana podczas wybuchu 1 kg materiału wybuchowego wynosi ok. 3762 – 7524 kJ/kg (900 – 1800 kcal/kg), co stanowi znacznie mniejszą ilość od ciepła otrzymywanego w wyniku spalania paliw (np. węgla, benzyny). Jednak w odróżnieniu od paliw, materiał wybuchowy nie wymaga do przemiany chemicznej udziału tlenu atmosferycznego (pochodzącego z powietrza), co w połączeniu z krótkim czasem reakcji daje dużą koncentrację wydzielonej energii i ogromnej mocy wybuchu.

Duże ilości energii reakcji wybuchowej mają dwojakie źródło. Po pierwsze wiązania w cząsteczkach materiałów wybuchowych, które w dużej części są związkami heterocyklicznymi lub aromatycznymi, zastępowane są w wyniku reakcji wiązaniami o niższym poziomie energii. Drugą przyczyną są same produkty reakcji. Materiały wybuchowe są w większości ciałami stałymi, natomiast produkty reakcji wybuchowej: tlenki węgla, tlenki azotu i woda występują zawsze w fazie gazowej. Z jednego mola substratu powstaje zazwyczaj kilka do kilkunastu moli produktów, a ponieważ są to gazy, ciśnienie jakie wywierają jest ogromne. Przykładowo wybuch 1 kilograma nitrogliceryny daje 716 dm³ produktów gazowych.[2] Wzrost ciśnienia może dochodzić do 50-100 GPa, co w połączeniu ze wzrostem temperatury do 5000 K (ok. 47000C) daje ogromne ilości energii. Zatem motorem napędowym reakcji wybuchowej jest sama reakcja, a ponieważ do jej zajścia nie potrzebna atmosferycznego tlenu, jedynym ograniczeniem użycia materiału wybuchowego jest przekroczenie wartości energii początkującej reakcję (energii bodźca).

Reakcja wybuchowa może zachodzić wg różnych mechanizmów, od czego zależy prędkość reakcji. Przyjmuje się także, że prędkość reakcji wybuchowej związana jest ściśle z gęstością materiałów wybuchowych z uwagi na wewnatrzcząsteczkowe utlenianie tych substancji. Prędkość dla materiałów będących w użyciu o największej dotąd gęstości nie przekraczającej 2 g/cm³ nie przekracza 9500 m/s. (dokładnie dla oktogenu d=1,91 g/cm³, v_det=9140 m/s) ².

Reakcja wybuchowa może mieć więc postać:

spalania (deflargacji),
spalania wybuchowego,
wyfuknięcia,
detonacji
wybuchu o nieustalonej prędkości (eksplozja).

Deflargacja, czyli spalanie połączone ze słyszalnym sykiem i szmerem. Przekazywanie energii cieplnej ze strefy reakcji do warstwy materiałów wybuchowych nie objętej reakcją odbywa się na drodze przewodnictwa i promieniowania cieplnego. Prędkość liniowa procesu zależy od ciśnienia zewnętrznego i waha się w granicach od mm/s do kilkunastu m/s. Deflagracja nie daje żadnej pracy mechanicznej. Charakteryzuje się powolnym, egzotermicznym rozkładem materiałów wybuchowych bez konieczności doprowadzania tlenu do środowiska reakcji. Podczas deflagracji następuje szybkie spalanie, nie tworzy się fala detonacyjna w obrębie materiału wybuchowego. Powoduje natomiast obfite wydzielanie się gazów. W warunkach znacznego wzrostu ciśnienia i temperatury (w zamkniętej objętości) może przebiegać z nieustaloną prędkością i po przekroczeniu krytycznych wartości może przejść w detonację.

Spalanie wybuchowe to reakcja stosunkowo wolna, z szybkością mierzoną w cm/s. Spalanie wybuchowe jest typową przemianą wybuchową prochów, której szybkość zależy od warunków zewnętrznych - rośnie np. szybko ze wzrostem ciśnienia. Podczas spalania na wolnym powietrzu nie występują efekty dźwiękowe. W przestrzeni zamkniętej proces przebiega bardziej energicznie, charakteryzuje się większym lub mniejszym wzrostem ciśnienia, a w odniesieniu do gazowych produktów spalania - zdolnością wykonania pracy, co wykorzystano w pociskach do broni palnej. Spalanie następuje w wyniku miejscowego nagrzania materiału wybuchowego (podpalania, rozgrzewania, tarcia itp.) powyżej temperatury jego zapłonu.

Wyfuknięcie to rozkład materiału wybuchowego połączony ze słyszalnym sykiem i gwizdem. Nie daje żadnej pracy mechanicznej. Zazwyczaj powoduje je użycie zepsutych (przeterminowanych) środków wybuchowych, słaby impuls pobudzenia lub zły dobór materiału inicjującego. Wyfuknięcie jest niebezpieczne w każdych pracach z użyciem materiałów wybuchowych - może spowodować opóźnienie wybuchu lub pożar.

Detonacja jest chemiczną reakcją wybuchową, wywołaną przejściem w określonym materiale wybuchowym fali detonacyjnej ze stałą i największą w określonych warunkach prędkością (1000-9000 m/s), znacznie przewyższającą prędkość fali akustycznej. Towarzyszy jej bardzo silny huk oraz działanie kruszące i burzące, skierowane we wszystkich kierunkach. Prędkość wybuchu detonacyjnego zależy od energii, pobudzenia, średnicy ładunku i gęstości materiału wybuchowego, nie zależy natomiast od temperatury i ciśnienia zewnętrznego.

Wybuch to zespół zjawisk związanych ze skokowym wzrostem ciśnienia gazowych produktów reakcji wybuchowej, powodującego pracę mechaniczną, w wyniku której następuje przemieszczenie lub zniszczenie otoczenia miejsca wybuchu. Po dostarczeniu energii (inicjowanie procesu wybuchu) do zewnętrznej warstwy materiału wybuchowego rozpoczyna się proces rozkładu wybuchowego. Gazy naciskają na sąsiednią warstwę, przekazują jej energię i wprowadzają cząsteczki na wyższy poziom energetyczny, co prowadzi do samorzutnego procesu rozkładu wybuchowego w całej objętości materiału wybuchowego.