Взрыв и взрывчатые вещества

Андреев Константин Константинович

Однако только очень немногие те известных взрывчатых веществ применяются на практике — в военном деле или для взрывных работ в промышленности. Дело в том, что для каждого назначения взрывчатое вещество должно удовлетворять ряду требований и не всякое взрывчатое вещество отвечает этому условию.

Мы уже видели, что у многих взрывчатых веществ повышенная чувствительность к толчкам и ударам исключает или ограничивает возможность их применения в боеприпасах и в горных взрывных работах.

Большое значение имеет также химическая стойкость взрывчатых веществ. Дело в том, что все взрывчатые вещества способны не только к взрыву, но и разлагаются — медленно даже при обычных температурах хранения. Некоторые взрывчатые вещества в чистом виде разлагаются однако крайне медленно. Говорят, что они обладают большой химической стойкостью. Это означает, что такие взрывчатые вещества и снаряженные ими боеприпасы могут храниться десятилетиями, практически не изменяясь. Примером таких взрывчатых веществ может служить тротил — нитросоединение одного из углеводородов — толуола.

Напротив, такие взрывчатые вещества, как нитроглицерин или пироксилин, в отличие от тротила разлагаются сравнительно быстро, особенно, если они недостаточно тщательно приготовлены и содержат примеси кислот, которые ускоряют их разложение. Такое разложение нежелательно не только потому, что оно ведет к ухудшению взрывчатых свойств, но и потому, что, медленное вначале, оно идет со временем все быстрее и быстрее и может привести даже ко взрыву.

В начале текущего столетия в военную технику вводились современные бездымные пороха на основе нитроклетчатки. В то время еще не знали об опасности самопроизвольного разложения их при обычных температурах и не умели его предупреждать. Из-за этого не раз на военных кораблях происходили большие взрывы пороховых запасов, хранившихся при повышенных температурах. Так погибли французские броненосцы «Иена» в 1907 г. и «Либерте» в 1911 г. На «Иене» пороховые заряды хранились над машинным отделением, где температура была очень высокой; кроме того, на корабле находился также долго хранившийся порох сомнительной стойкости. При сходных обстоятельствах произошел взрыв на «Либерте», при котором было убито более двухсот матросов и офицеров. Подобные взрывы имели место во флотах и других стран.

После этих случаев в состав порохов стали вводить специальные добавки, замедляющие их разложение, а также не допускать хранения порохов при повышенных температурах.

Для снаряжения некоторых боеприпасов имеет значение соотношение между температурой плавления взрывчатого вещества и температурой, при нагреве до которой оно самопроизвольно вспыхивает.

Если температура плавления низка, а температура вспышки высока, то взрывчатое вещество можно расплавить и заливать в жидком виде в корпус снаряда, где оно при охлаждении затвердевает. Так можно снаряжать снаряды тротилом, который плавится при 80°, а вспыхивает при гораздо более высокой температуре — 300°.

Снаряжать таким способом взрывчатыми веществами, плавящимися при значительно более высоких температурах, неудобно и даже опасно. Так ксилил имеет температуру плавления около 180°, а температура вспышки его та же, что и у тротила. Поэтому для снаряжения заливкой ксилил не применяют. Еще ближе температуры плавления и вспышки у гексогена (200 и 230°). Снаряжать гексогеном способом заливки поэтому практически невозможно, и приходится применять другие способы снаряжения, например прессование.

Благоприятное сочетание взрывчатых и физических свойств само по себе не всегда еще является достаточным для того, чтобы взрывчатое вещество получило широкое практическое применение.

Необходимо, чтобы был найден и разработан пригодный для производства способ изготовления взрывчатого вещества. Это иногда является нелегкой задачей.

Многие взрывчатые вещества получают обработкой соответствующих органических материалов азотной кислотой. При этом наряду со взрывчатым веществом образуется вода, которая замедляет реакцию и может привести к другим нарушениям процесса. Поэтому обычно азотную кислоту применяют в смеси с крепкой серной кислотой, которая связывает воду. Кроме того, серная кислота взаимодействует с азотной кислотой, переводя ее в такое состояние, при котором скорость образования взрывчатого вещества больше.

Скорость реакции между исходным органическим продуктом и азотной кислотой, как и скорость любой реакции, увеличивается с повышением температуры. Однако этот путь интенсификации производства при изготовлении взрывчатых веществ следует применять с большой осторожностью. При повышении температуры увеличивается не только скорость нужной реакции, ведущей к образованию взрывчатого вещества, но также и реакций окисления органического продукта азотной кислотой, которая является сильным окислителем. Эти реакции очень нежелательны не только потому, что приводят к снижению выхода взрывчатого вещества, но и потому, что они идут с выделением тепла и могут привести к такому быстрому и сильному разогреву, что процесс закончится взрывом. Такие взрывы не раз бывали на заводах взрывчатых веществ; нередко они приводили к полному разрушению мастерской, а иногда и всего завода. Чтобы предотвратить возможность взрыва, получение взрывчатого вещества обычно проводят при относительно низких температурах, хотя это и снижает производительность аппаратуры.

В большинстве случаев требования безопасности удается совместить с достаточной экономичностью производства. Но это бывает не всегда. Примером в этом отношении является тринитробензол [С₆Н₃(NO₂)₃], который по своим взрывчатым свойствам не уступает тротилу и даже несколько превосходит его. Тем не менее на практике тринитробензол нигде не применяется, так как производство его гораздо менее экономично и более опасно, чем производство тротила.

Большое значение при выборе взрывчатого вещества для производства имеют источники сырья для его изготовления. Самое лучшее, если это сырье готовится промышленностью для мирных целей или же получается в больших количествах попутно при других производствах. Тогда в военное время эта продукция переключается на изготовление взрывчатых веществ для фронта. Именно так обстоит дело с аммиачной селитрой, которая является основным азотистым удобрением, используемым сельским хозяйством, и производится поэтому промышленностью в огромных количествах. В военное время аммиачная селитра в виде смесей с тротилом (так называемые аммотолы) является главным взрывчатым веществом, применяемым для снаряжения различных боеприпасов. Точно так же толуол (С₆Н₅СН₃), из которого готовится тротил, не является в основной своей части продуктом самостоятельного производства; он получается в больших количествах как побочный продукт при переработке каменного угля на кокс для металлургической промышленности и на светильный газ. При этом процессе образуются разнообразные углеводороды — соединения, состоящие из углерода и водорода в различных соотношениях. Из одной тонны угля получается около 5 килограммов бензола, 0,05 килограмма фенола и до 1,5 килограмма толуола. Поскольку для выплавки железа из руды в странах с высоко развитой промышленностью требуются огромные количества кокса, то количество получаемого толуола также велико.

Коксохимическое производство еще во время первой мировой войны было единственным источником толуола. В дальнейшем его стали получать в небольших количествах также разгонкой некоторых сортов нефти, а главное — путем химической переработки нефти действием высоких температур, при которых входящие в ее состав углеводороды перестраиваются, образуя толуол.

Для получения нитросоединений можно использовать не только один толуол, но и другие углеводороды, получающиеся при сухой перегонке угля, — фенол, ксилол, нафталин. Так из фенола (С₆Н₅ОН) может быть получен тринитрофенол (пикриновая кислота). Он представляет собой, как и тротил, светложелтый порошок, который также плавится при нагревании (хотя и при несколько более высокой температуре, чем тротил). Поэтому им так же, как тротилом, можно снаряжать снаряды путем заливки в них расплавленного вещества. По силе взрыва пикриновая кислота даже несколько превосходит тротил, но у нее есть несколько серьезных недостатков. Один из них заключается в том, что пикриновая кислота более чувствительна к ударам и толчкам, чем тротил. Поэтому снаряды с пикриновой кислотой более склонны к преждевременным разрывам, чем снаряды с зарядом из тротила. Другой недостаток пикриновой кислоты состоит в том, что, будучи по своей природе кислотой, она может образовывать соли, а эти соли — пикраты — очень чувствительны к удару и к трению и при поджигании дают не горение, а взрыв. Это обстоятельство требует принятия специальных мер, чтобы предотвратить образование пикратов как при производстве, так и в снарядах, снаряженных пикриновой кислотой. Наконец, вследствие кислотного ее характера пикриновую кислоту нельзя применять в смеси с аммиачной селитрой. Все эти недостатки привели в свое время к вытеснению пикриновой кислоты тротилом, и во время второй мировой войны она почти не применялась.

Подобно толуолу и фенолу, во взрывчатые вещества могут быть превращены и другие углеводороды так называемого ароматического ряда.

Все эти взрывчатые вещества — тринитротолуол, тринитрофенол и другие — имеют тот недостаток, что число атомов кислорода в их молекулах гораздо меньше того, которое нужно, чтобы окислить горючие элементы — углерод и водород. Такая нехватка имеется даже в молекуле тринитробензола. На каждый атом углерода для образования углекислоты (СО₂) нужно два атома кислорода, на каждый атом водорода для образования воды (Н₂О) нужно пол-атома кислорода. На молекулу тринитробензола нужно, таким образом, всего 13¹/₂ атомов кислорода, а содержится в ней всего 6. Казалось бы, что этому легко помочь, вводя в молекулу углеводорода не три, а более нитрогрупп. Однако в действительности ввести четвертую нитрогруппу в молекулы бензола или толуола очень трудно. Действием смеси азотной и серной кислот это не удается сделать и приходится использовать иные, обходные пути. Кроме того, оказалось, что четвертая нитрогруппа очень непрочно держится в молекуле и легко, особенно в присутствии влаги, отщепляется. Поэтому такие взрывчатые вещества не получили практического применения.

Правда, был найден обходный путь к увеличению содержания кислорода в нитросоединениях. Оказалось, что четвертая нитрогруппа может быть введена и достаточно прочно держится в молекуле, если она не прямо соединена с углеродным атомом тринитробензола, а через промежуточный атом, например, через атом азота. Так было получено соединение с длинным химическим названием тринитрофенилметилнитрамин, в технике кратко именуемое тетрилом.

По числу атомов тетрил отличается от тротила лишней группой NO₂ и атомом азота. Нехватка кислорода в нем меньше, чем в тротиле, и сила взрыва соответственно больше. При испытании в свинцовом цилиндре, например, он дает эффект на 20 проц. больше, чем тротил.