Chemia Organiczna OnLine

5.2. Materiały kruszące

Trotyl

Trotyl (TNT) to nazwa potoczna 2,4,6-trinitrotrotoluenu (a‑trinitrotoluenu) otrzymanego po raz pierwszy w 1863 roku przez Wilbranda. Do techniki wojskowej TNT został wprowadzony na początku XX wieku. Podczas I i II wojny światowej zastąpił kwas pikrynowy stosowany dotychczas do napełniania torped bomb i pocisków artyleryjskich. Jest podstawowym materiałem stosowanym w mieszaninach wybuchowych do produkcji plastycznych i odlewanych materiałów wybuchowych do użytku cywilnego i wojskowego. Wykazuje małą wrażliwość na bodźce mechaniczne i dużą trwałość chemiczną. Jest to żółta substancja krystaliczna o gęstości 1,7 g/cm³ i t_top=80,6^oC. Po ogrzaniu powyżej 290^oC detonuje z ogromną siłą (energia wybuchu E=3,9 MJ/kg), z prędkością 6900 m/s. Temperatura detonacji wzrasta do 470^oC i wydziela się przy tym 700 dm³/kg, wydzielone produkty gazowe mają temperaturę 3300^oC. TNT podczas próby Trauzla powoduje wydęcie w bloku ołowianym 300 cm³. Trotyl nie rozpuszcza się w wodzie, natomiast jest dobrze rozpuszczalny w benzenie, toluenie, acetonie i st. kwasie azotowym. Jest to najbezpieczniejszy w produkcji materiał wybuchowy. Otrzymuje się go w wyniku trójetapowego nitrowania toluenu:

Powstały trinitrotoluen należy jeszcze oczyścić, ponieważ zawiera on olej trotylowy, co robi się za pomocą krystalizacji, lub przez działanie roztworem siarczynu sodowego.

Kwas pikrynowy

2,4,6-trinitrofenol w połowie XIX wieku był stosowany jako żółty barwnik do jedwabiu i bawełny. Otrzymał go w 1771 roku Henry Wolf działając kwasem azotowym na indygo. Ma postać żółtych kryształów o gęstości 1,76 g/cm³ i t_top=122,5^oC. Jego nazwa związana jest z gorzkim smakiem, z gr. pikros. Kiedy odkryto jego właściwości wybuchowe stosowano go jako wypełnienie bomb i pocisków. Jako materiały wybuchowe stosuje się także jego sole potasowe i amonowe. Podstawowym powodem zastąpienia go trotylem było stosunkowo łatwe tworzenie soli kwasu pikrynowego z metalami wchodzącymi w skład płaszcza pocisków. Sole te są o wiele bardziej wrażliwe na bodźce niż sam was pikrynowy, co skutkowało samodetonacją pocisków.

Jest niehigroskopijny, rozpuszcza się w gorącej wodzie, etanolu, benzynie i st. kwasie siarkowym Prędkość detonacji kw. pikrynowego wynosi 7350 m/s, a temperatura wybuchu sięga 3230^oC. Przechowuje się go przy zawartości 10% wody, gdyż w takim stanie nie wykazuje właściwości wybuchowych. Otrzymuje się go w reakcji nitrowania kwasu fenolosulfonowego lub hydrolizy 1-chloro-2,4-dinitrobenzenu i nitrowanie powstałego dinitrofenolu.

Heksogen i oktogen

Heksogen, RDX (z ang. Reserch Department eXplosive – środek wybuchowy ośrodka badawczego), Hx, cyklonit to nazwy 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazocykloheksanu. Po raz pierwszy otrzymany przez Lanzego w 1897 roku, a właściwości wybuchowe odkryte przez Hertza w 120 roku Ta cyklotrimetylenotrinitroamina występuje w postaci białych, drobnych kryształów o d=1,82g/cm³ i t_top=204-205^oC (z rozkładem), detonuje po 5 sekundach w 280^oC. Jest niehigroskopijny, słabo rozpuszczalny w etanolu, benzynie, lepiej w acetonie i st. kwasie azotowym. Detonuje z prędkością 8850 m/s, wydziela się przy tym 910 dm³/kg gazów o t=3380^oC i5,4 MJ/kg energii.

Otrzymuje się go min. przez bezpośrednie nitrowanie heksaminy:

Oktogen,

HMX (z ang. His Majesty’s eXplosive – środek wybuchowy Jego Wysokości) czyli 1,3,5,7-tetranitro-1,3,57-tetraazocyklooktan. Występuje w postaci kryształów o d=1,84 g/cm³ i t_top=278-280^oC (z rozkładem). Detonuje po 5 sekundach w temp. 330^oC. Prędkość detonacji wynosi 9100 m/s, z wydzieleniem 905 dm³/kg gazów i energii 5,3 MJ/kg. Otrzymuje się go w wyniku nitrowania oktaminy:

Zarówno heksogen jak i oktogen są najsilniejszymi materiałami wybuchowymi znajdującymi się w użyciu. Wynik próby Trauzla dla obu wynosi 480 cm³, co daje im drugą pozycje po pentrycie (C(CH₂ONO₂)₄) i nitroglicerynie, dla których K=520 cm³, są jednak bezpieczniejsze w produkcji i uzyciu. Wykazują umiarkowaną czułość na bodźce pobudzające.

Stosuje się je do produkcji plastycznych materiałów wybuchowych – tzw. plastików, które otrzymuje się przez dodanie odpowiednich plastfikatorów i substancji podwyższających (sensybilizatorów) i obniżających (stabilizatorów) czułość materiału wybuchowego. Jako substancje wiążące stosuje się oleje, tłuszcze, smary i kauczuk.

HMX i RDX stosowane są także w różnego rodzaju mieszaninach wybuchowych do napełniania bomb, pocisków, głowic rakiet, torped i min.

Nitroceluloza

Nitroceluloza, bawełna strzelnicza, czyli azotan celulozy jest podstawowym składnikiem prochów bezdymnych. Jest substancją wielkocząsteczkową, nie występującą jako określony związek chemiczny. Jest mieszaniną estrów kwasu azotowego i celulozy o różnych właściwościach fizykochemicznych. Różnorodność właściwości jest wynikiem różnego stopnia polimeryzacji cząsteczek celulozy istopnia estryfikacji grup wodorotlenowych celulozy oznaczanego jako procent zawartości azotu. Maksymalna zawartość azotu wynosi 14,4%. Nitroceluloza zachowuje włóknistą budowę celulozy z której powstaje, ma barwę białą lub żółtawą. Po raz pierwszy otrzymał ją w 1833 roku Braconnot nazywając ją ksyloidyną.

Gęstość nitrocelulozy waha się między 1,2-1,7 g/cm³. Dla nitrocelulozy o %N=13,3% id=1,2g/cm³ detonacja następuje po 5 sekundach w temperaturze 230^oC, prędkość detonacji wynosi 7300 m/s, wydziela się 765 dm³/kg gazów o temp. 3100^oC oraz 4 MJ/kg energii.

Nitroceluloza jest rozpuszczalna w acetonie, estrach, etanolu, nitroglicerynie, nitrozwiązkach (dinitrotoluen, kamfora, ftalan). Wykorzystuje się ją do produkcji dynamitów, prochów, przemysłowych materiałów wybuchowych, farb i lakierów oraz tworzyw sztucznych.

Nitrocelulozę otrzymuje się wyniku nitrowania celulozy, a stopień estryfikacji grup wodorotlenowych zależy od składu mieszaniny nitrującej: