炸藥的氧平衡

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007
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炸藥的氧平衡

007
我們在學習炸藥技術時知道,炸藥簡單來説,可以視爲一种非常快速的燃燒過程,這種表達不準確,但不妨礙我們理解它的反應過程。燃燒需要有氧化劑和還原劑,還原劑就是燃料,氧化劑就是使燃料燃燒,放出能量的物質。從微觀角度上來說,還原劑在燃燒時失去電子,它的外層電子躍遷到低層軌道上,與氧化劑的原子牢固結合,這樣會使電子能級降低,必然要放出能量,這能量以熱量的形式釋放出去。聼到這裡有的同學聼不懂沒關係,只要記住,燃燒過程必然要有還原劑和氧化劑參與就可以了。氧氣是常見的一种氧化劑,然而氧化劑並不一定只限於氧氣,可以由很多种其它物質來充當。

爆炸屬於自帶氧化劑和還原劑的反應過程,因爲爆炸物在分解的過程中,氧化劑和還原劑都帶齊了,就不需要外界的氧化劑,所以爆炸物質是比較牛。

那麽炸藥的氧平衡是什麽意思呢,就是指炸藥自帶的氧化劑過剩或不足的質量,佔炸藥縂質量的比值,若是氧化劑過剩則氧平衡爲正值,若是氧化劑不足則氧平衡爲負值。它能夠判斷炸藥是否完全反應了,是我們選擇炸藥時的一個重要參數。可想而知,如果氧平衡是0,説明炸藥的氧化劑和還原劑剛剛好,完全反應了,在這種情況下炸藥釋放出的能量最大。如果氧平衡是負值,説明炸藥自帶的氧化劑不夠,也就是說爆炸后有一部分燃料沒參加反應,浪費了。如果氧平衡是正值,説明炸藥帶的氧化劑太多了,這部分氧化劑因爲缺燃料,沒有參加反應,也屬於一种浪費。

下面我們通過具體實例,來計算幾種爆炸物的氧平衡

一,黑火藥
黑火藥是一种古老的炸藥,它是低級炸藥,爆速很低,只有400m/s,黑火藥配方很多,一般的配方是,硝酸鉀75,木炭15,硫磺10,以質量計算。爲什麽會配出這樣的質量比例?是考慮到它的氧平衡。黑火藥最簡單的反應方程式是:

2KNO3+3C+S → K2S+N2+3CO2

方程經過了配平,説明這時反應是完全的,即2摩爾的硝酸鉀,3摩爾的木炭,1摩爾的硫磺,反應后得到方程式右邊的物質,同樣以摩爾份數來算。
硝酸鉀的分子量是101,碳是12,硫是32,這樣反應物的縂分子量是101x2+12x3+32=270,硝酸鉀佔的質量比=101x2/270=74.81%,木炭佔的質量比=12x3/270=13.33%,硫磺佔的質量比=32/270=11.85%,這個比例大致是75:15:10

也就是說,如果我們在製作黑火藥時遵循了上述質量配比,反應物是基本完全反應的,這時黑火藥的氧平衡為零。
注:黑火藥在實際爆炸時的反應比上述複雜,上述生成物還會繼續反應生成其它物質,但剛開始學習時不考慮這些問題不大。


在計算單質爆炸物氧平衡時,我們提供兩种方法來計算。

方法A:將反應方程式配平,觀察方程式右邊的生成物質,如果含有C,CO,H2,等還原劑(燃料),則説明氧氣不足,氧平衡為負值,這時算出將這些燃料全部反應掉需要的氧原子質量,佔全部物質的百分比,就是氧平衡係數。如果反應物還有O2, NO,NO2等气体,説明氧氣過量,計算這些氧氣佔全部物質的百分比,就是氧平衡係數。

方法B:直接從爆炸物質着手,先把碳原子、氫原子完全反應需要的氧原子扣除,然後看氧原子是否多出來或是否缺少,這額外的氧原子的質量佔爆炸物的百分比,就是氧平衡係數


二,硝酸銨
硝酸銨是一种農業化肥,也可以作爲高爆炸葯使用,爆炸時爆速2700m/s,爆炸反應方程式:

2NH4NO3 → 2N2 + 4H2O + O2

方法A:觀察方程式右邊,發現爆炸后有氧氣生成,顯然氧化劑過量,2摩爾的硝胺爆炸后生成1摩爾氧氣,則1摩爾硝銨爆炸后可生成0.5摩爾氧氣,1摩爾硝酸銨的質量 =
14+1x4+14+16x3=80g,0.5摩爾氧氣質量=0.5x32=16g,因此,氧化劑過量,氧平衡=16/80=20%

方法B:硝酸銨裏還原劑只有氫原子,一個硝酸銨分子含有4個氫原子,每個H原子需要0.5個O原子結合生成一個水分子。4個H原子需要2個O原子,而一個硝酸銨分子含有3個O原子,這樣氧原子多出來一個,氧原子的原子量是16,即硝酸銨的氧平衡為16/80=20%


三,TNT(三硝基甲苯)
TNT炸藥的爆速高達6800m/s,是高爆炸葯的標準,其它爆炸物質通常以它來做參照,其爆炸反應方程式:

2C7H5N3O6 → 3N2 + 5H2O + 7CO + 7C

方法A:觀察方程式右邊,發現爆炸后有CO氣體,碳生成,這些都是燃料即還原劑,因此TNT肯定缺氧,氧平衡為負值。

7個CO分子燃燒需要7/2個O2,即7個氧原子,7個C原子燃燒需要7個氧分子,即14個氧原子,所缺的縂氧原子質量=7x16+14x16=336g,而反應物是2摩爾TNT,質量 =
2x(12x7+5+14x3+ 16x6)=454g,TNT的氧平衡為 -336/454= -74%

方法B:一個TNT分子含有7個碳原子,5個氫分子,完全燃燒掉需要的氧原子數量為7x2+5/2=16.5個,而一個TNT分子只能提供6個氧原子,這樣氧原子缺10.5個,氧平衡為負,大小為 -10.5x16/227= -74%

TNT在爆炸時,因爲缺氧,而且缺的很厲害,會生成大量的碳,碳是黑色的,所以TNT爆炸時會冒出黑煙,有經驗的人一看到爆炸產生一片黑云,就能猜到爆炸物是TNT。硝酸銨不含碳,氧平衡又是正值,爆炸時是一片白煙。


四,PETN
PETN(太恩)炸藥的爆速高達8100m/s,爆炸反應方程式:

C5H8N4O12 → 3CO2 + 2CO + 4H2O + 2N2

方法A:觀察方程式右邊,發現爆炸后有CO生成,顯然氧化劑不足,多出來的2個一氧化碳分子CO,需要1個氧分子來燃燒掉。這樣缺少一個氧分子,PETN的分子量是316,這樣它的氧平衡 =
-32/316= -10.13%

方法B:一個PETN分子含有5個C,8個H,分別需要5x2=10,和8/2=4個氧原子,總共需要14個氧原子,而一個PETN分子只能提供12個氧原子,因此缺少兩個氧原子,氧平衡 =
-2x16/316= -10.13%

一般説來,一种單質炸藥氧平衡是零值的很少見,一般的高爆炸藥氧平衡是負值的居多,所以各種炸藥要混合搭配,配成氧平衡接近于零,這樣爆炸效率最高。而像硝銨這種氧平衡是正值的炸藥,就要加一些燃料,消耗掉它過量的氧化劑,可以加入少量柴油,配成銨油炸藥,爆速則有所提高。


自我練習:
RDX(旋風炸藥)是一种性能優良的高爆炸葯,爆速高達8750m/s,爆炸反應方程式:

C3H6N6O6 → 3CO + 3H2O + 3N2

它的氧平衡是正還是負?試計算之