Занимательная пиротехника

Не имея точного рецепта, не каждая хозяйка рискнёт приготовить новое кулинарное блюдо. А что тогда говорить о пиротехнике. Прежде всего, для определения соотношения компонентов Вам необходимо знать уравнения протекающих процессов. Если Вы успели подзабыть химию, облегчить составление суммарной реакции помогут немудрёные правила:

а)       написать реакцию взрывного разложения окислителя,

б)       представить реакцию горения восстановителя в кислороде,

в)       уравнять коэффициенты у атомов кислорода,

г)       просуммировать полученные равенства.

К примеру, составление бинарной смеси из бертолетовой соли и свекловичного сахара, больше известной в кругах террористов как «запал Кибальчича», будет выглядеть так;

М=123      М=342

Как Вы уже догадались, нужное нам уравнение получилось на букву «г», но пользоваться им можно.

Зная молекулярные массы реагирующих веществ и стехиометрические коэффициенты реакции их взаимодействия, несложно рассчитать необходимые соотношения ингредиентов:

Глава 1, Позвольте представиться

II

В пиротехнике чаще встречаются многокомпонентные составы, например, тройная пороховая смесь из калийной селитры, серы и древесного угля. Любой хороший химик знает, что спорость определяющей стадией сложной реакции является наиболее медленная. Пиротехнические же составы на первый взгляд ведут себя аномально. Скорость сгорания смеси селитра-уголь 2-5 мм/с, а состав селитра-сера в обыкновенных условиях совсем не воспламеняется и лишь слабо горит в нагретом до 100°С состоявши. Тройная же пороховая смесь быстро сгорает в открытом виде со скоростью 10- 15мм/с или взрывается в замкнутом пространстве.

Это явление объясняется с о пряжей костью реакций, когда выделяющееся в ходе бинарного взаимодействия тепло ускоряет протекание параллельного процесса горения, примерно так же, как пальцам в рукавицах теплее, чем в перчатках.

Известное даже школьнику уравнение горения пороховой смеси лишь приблизительно описывает процесс:

Поджечь такую смесь можно каплей концентрированной серной кислоты.

В действительности реакция в баллистическом режиме протечет по более сложному пути с образованием ещё некоторых твёрдых продуктов, поэтому в газ превращается около 43% пороха, а не 59% как следует из уравнения.

Ещё французский химик Марселей Бертло (1827-1907) установил, что разложение дымного пороха сопровождается комбинацией дополнительных реакций, на направление которых огромное значение оказывает давление реагирующей массы:

12

Часть 1. Опасное знакомство

где: V0 - выделяемый объём газа, t - температура реакции,

Q - теплота процесса, f- расчётная сила взрыва.

Одно из предлагаемых суммарных уравнений (Сарро) протекающего процесса имеет вид:

10KNO3+4S+12C —> 8СО2+ЗСО +5N2 +К2С03 +2K2S04+2K2S (V0 = 279,5 л/Кг, t = 2660 °С, f = 3100 Кг/см2)

То есть, молярное соотношение реагирующих компонентов равно 2,5КClз : S : ЗС. Расчёт показывает, что в этом случае вес выделяющихся газообразных продуктов составляет 53%, а из каждого килограмма пороха образуется 280 л газа.

Уравнение Дебу соответствует разложению английских военных дымных порохов, сгорающих при повышенном давлении с образовавшем полисульфидов:

При этом твёрдый остаток составляет 57,8%. Его количество увеличивается при сжигании пороха на открытом пространстве.

В своё время Альфред Берхард Нобель (1833-1896) и Фридрих Абель, установив, что в продуктах горения английского минного пороха отсутствует сульфат калия, предложили следующее уравнение его разложения:

Глава 1. Позвольте представиться

13

что вполне соответствует составу: селитра 66%, сера 14%, древесный уголь 20%.

Как правило, в большинстве подобных уравнений не учитываются углеводы, входящие в состав древесного угля, а ведь содержание углерода в нём составляет всего 72-96%.

Разложение тройной смеси, рассчитанной на полное горение (Бертло), соответствует составу 84: 8: 8 и подходит под уравнение:

IOKNO3 + 3S + 8С —> 6С02 + 5N2+2K2C03+ 3K2S04

(V0 = 204 л/Кг, t = 3354°С, f = 2804)

Такой порох при сгорании даёт небольшой объём газов, но очень высокую температуру взрыва вследствие полного сжигания углерода. На открытом пространстве количество планов от этого пороха также увеличивается.

В пиротехнике применяются большей частью смеси, имеющие недостаток окислителя, то есть, с отрицательным Кислородным балансом, поэтому расчёт компонентов по первому традиционному уравнению (2KN03+ S + ЗС) для нас всё же более предпочтителен.

Объём выделяемого газа в пороховой смеси можно увеличить, сместив направление реакции на выделение описи углерода:

2KN03 + S + 6С —> 6СО + N2_+ K2S

Как видно из уравнения, для этого надо вдвое увеличить содержание в составе древесного угля, то есть, на 13% от общей массы. Температура реакции, правда, при этом снизится, да и такая смесь будет вести себя поспокойнее, но именно она лежит в основе большинства реактивных составов фейерверков.

1.4. Что бы это значило?