化學性爆炸的特征
化學性爆炸物質不論是可燃物質與空氣的混合物還是爆炸性物質,它們都是**種相對不穩定體系,在外界**定強度和數量的能量作用下,能夠發生高速的放熱反應,此反應的自由焓變(δG <0)所取負值較大,所以它能作大量的有用功。這些就是化學性爆炸的熱力學本質。
當化學性爆炸物質由少量能量引爆發生爆炸時,爆炸物質瞬間化為**團火光,形成煙霧并產生轟隆巨響,附近形成強烈的爆炸風,建筑物或被破壞或受到強烈振動。
分析上述爆炸現象,**團火光表明爆炸物質的爆炸過程是放熱的,這樣使爆炸產物獲得高溫而發光;爆炸瞬間完成,表明爆炸過程的速度**快;僅用**種較小的能量即可將爆炸物質引爆,表明爆炸物中所產生的爆炸過程是能夠自動傳播的;煙霧表明爆炸過程形成大量氣體,而氣體的迅速膨脹則是建筑物和各種設施發生破壞或震動的本質原因。
綜上所述,爆炸性物質爆炸過程具有如下三個特征:即反應過程放熱,過程速度**快并能自動傳播,過程中生成大量氣體產物。這三個條件是任何化學反應能成為爆炸性反應所**須具備的,而且這三者互相關聯,缺**不可。下面對每個條件的重要性和意義進行概略的討論。
1. 反應過程的放熱性
這是化學反應能否成為爆炸反應的zui重要的基礎條件,也是爆炸過程的能量來源,沒有這個條件,爆炸過程就根本不能發生,當然反應也就不能自行延續,因此也就不可能出現爆炸過程的自動傳播。例如:
ZnC2O4→2CO2+Zn-20.5kJ (1)
PbC2O4→2CO2+Pb-69.9kJ (2)
HgC2O4→2CO2+Hg-72.4kJ (3)
Ag2C2O4→2CO2+2Ag-123.4kJ (4)
反應(1)、(2)草酸鋅和草酸鉛的分解是吸熱反應,它們需要外界提供熱量反應才能進行,所以它們不可能對外界做功,因而不能爆炸。反應(3)、(3)是放熱反應,能夠發生爆炸。又如硝酸銨的分解反應:
NH4NO3低溫加熱→NH3+HNO3-170.7kJ (5)
NH4NO3用雷管引爆→N2+2H2O+0.5O2+126.4kJ (6)
反應(5)是硝酸銨用作化肥在農田里發生的緩慢分解反應,反應過程吸熱,根本不能爆炸。當硝酸銨被雷管引爆,就按反應(5)發生放熱的分解反應,可以用作礦山炸藥。
爆炸反應過程所放出的熱量稱爆炸熱(或爆熱)。它是反應的定容熱效應,是爆炸破壞能力的標志,是炸藥類物質的重要危險特性。**般常用炸藥的爆熱約在3700~7500kJ/kg;對于混合爆炸物來說,它們的爆熱就是燃燒熱,有機可燃物的燃燒熱在48000kJ/kg左右。
2.反應過程的高速度
混合爆炸物質是事**充分混合、氧化劑和還原劑充分接近的體系,許多炸藥的氧化劑和還原劑共存于**個分子內,所以它們能夠發生快速的逐層傳遞的化學反應,使爆炸過程能以**快的速度進行,這是爆炸反應同**般化學反應的**個zui突出的不同點。**般化學反應也可以是放熱的,而且有許多化學反應放出的熱量甚至比爆炸物質爆炸時放出的熱量大得多,但它未能形成爆炸現象,其根本原因就在于它們的反應速度慢。例如1kg木材的燃燒熱為16700kJ,它完全燃燒需要10min;1kJ梯恩梯炸藥爆炸熱只有4200kJ,它的爆炸反應只需要幾十微秒;兩者所需的時間相差千萬倍。由于爆炸物質的反應速度**快,實際上可以近似認為,爆炸反應所放出的
能量來不及逸出,全部聚集在爆炸物質爆炸前所占據的體積內,從而造成了**般化學反應所無法達到的能量密度。**是由于這個原因,爆炸物質爆炸才具有巨大的功率和強烈的破壞作用。
例如每公斤煤塊和每公斤煤氣的燃燒熱都是29000kJ,**塊1kJ的整煤完全燃燒約需10min,而1kJ煤氣和空氣混合后,只需0.2s即可燒完,屬于爆炸過程;同樣這些煤氣和空氣的混合氣,在炸藥引爆的條件下只需0.7ms就能反應完畢。根據功率與作功時間成反比的關系,可算出它們的功率如下:1kJ發熱量為29000kJ的煤塊燃燒時發出的功率為48kW;1kJ發熱量為29000kJ的煤氣和空氣的混合氣爆炸時發出的功率為1.4×105 kW,
1kJ發熱量為29000kJ的煤氣和空氣的混合氣發生爆轟時發出的功率為4.1×107 kW。這個例子清楚地說明爆炸過程的高速度和相應的釋放反應熱的高速度是爆炸過程的主要特征。
3.反應過程**須形成氣體產物
氣體在通常大氣條件下密度比固體和液體物質要小得多,它具有可壓縮性,它比固體和液體有大得多的體積膨脹系數,是**種**良的工質。爆炸物質在爆炸瞬間生成大量氣體產物,由于爆炸反應速度**快,它們來不及擴散膨脹,都被壓縮在爆炸物質原來所占有的體積內,爆炸過程在生成氣體產物的同時釋放出大量的熱量,這些熱量也來不及逸出,都加熱了生成的氣體產物,這樣就導致在爆炸物質原來所占有的體積造成處于高溫高壓狀態的氣體。這種氣體作為工質,在瞬間膨脹就可以做功,由于功率巨大,就能對周圍物體、設備、房屋造成巨大的破壞作用。例如,1L炸藥在爆炸瞬間可以產生1000L左右的氣體產物,它們被強烈地壓縮在原有的體積內,再由于3000~5000℃的高溫,這樣就形成了數十萬個大氣壓的高溫高壓氣體源,它們瞬間膨脹,功率是巨大的,破壞力也是巨大的。由上述可見,爆炸過程**須有氣體產物生成是發生爆炸現象的**要條件。
爆炸過程**須生成氣態產物才能造成爆炸作用。這**結論也可以通過**些不生成氣體產物的強烈放熱反應不具備爆炸作用,來說明生成氣體產物是產生爆炸作用的**要條件。例如,鋁熱劑反應:
2Al+Fe2O3=Al2O3-2Fe+841kJ
此反應熱效應很大,足以使產物加熱到3000℃的高溫,而且反應速度也相當快,但終究由于不形成氣體產物而不具有爆炸能力。