Сонохимия. Самые невероятные химические реакции (гифки) Реакции идущие со звуком

Невероятные факты

Молекулярный материал в нашей повседневной жизни настолько предсказуем, что мы часто забываем, какие удивительные вещи могут твориться с основными элементами .

Даже внутри нашего тела происходит множество удивительных химических реакций.

Вот несколько увлекательных и впечатляющих химических и физических реакций в форме гифок, которые напомнят вам курс химии.

Химические реакции

1. "Фараонова змея" - распад тиоцианата ртути

Горение тиоцианата ртути приводит к его разложению на три других химических вещества. Эти три химических вещества в свою очередь разлагаются на еще три вещества, что приводит к развертыванию огромной "змеи".

2. Горящая спичка

Спичечная головка содержит красный фосфор, серу и бертолетову соль. Тепло, генерируемое фосфором, разлагает бертолетову соль и в процессе высвобождает кислород. Кислород в сочетании с серой производит кратковременное пламя, которое мы используем, чтобы зажечь, например, свечу.

3. Огонь + водород

Газообразный водород легче воздуха и его можно разжечь пламенем или искрой, что приведет к впечатляющему взрыву. Вот почему сейчас чаще используется гелий, а не водород для наполнения аэростатов.

4. Ртуть + алюминий

Ртуть проникает сквозь защитный слой окиси (ржавчину) алюминия, заставляя его ржаветь намного быстрее.

Примеры химических реакций

5. Змеиный яд + кровь

Одна капля яда гадюки, попавшая в чашку Петри с кровью, заставляет ее свернуться в толстый комок твердого вещества. Именно это происходит в нашем теле, когда нас кусает ядовитая змея.

6. Железо + раствор медного купороса

Железо заменяет медь в растворе, превращая медный купорос в железный купорос. Чистая медь собирается на железе.

7. Воспламенение емкости с газом

8. Хлорная таблетка + медицинский спирт в закрытой бутылке

Реакция приводит к увеличению давления и заканчивается разрывом контейнера.

9. Полимеризация п-нитроанилина

На гифке к половине чайной ложки п-нитроанилина или 4-нитроанилина добавляют несколько капель концентрированной серной кислоты.

10. Кровь в перекиси водорода

Фермент в крови, называемый каталаза, превращает перекись водорода в воду и газообразный кислород, создавая пену кислородных пузырей.

Химические опыты

11. Галлий в горячей воде

Галлий, который в основном используется в электронике, имеет температуру плавления составляющую 29,4 градуса по Цельсию, а значит будет плавиться в руках.

12. Медленный переход бета-олова в альфа-модификацию

При холодной температуре бета-аллотроп олова (серебристый, металлический) самопроизвольно переходит в альфа-аллотроп (серый, порошкообразный).

13. Полиакрилат натрия + вода

Полиакрилат натрия - тот же материла, который используется в детских подгузниках, действует как губка, впитывая влагу. При смешивании с водой, соединение превращается в твердый гель, а вода уже не является жидкостью и не может выливаться.

14. Газ Радон 220 впрыснут в туманную камеру

Следы в форме буквы V появляются благодаря двум альфа частицам (ядер гелия-4), которые выделяются, когда радон распадается на полоний, а затем свинец.

Домашние химические опыты

15. Шарики из гидрогеля и разноцветная вода

В данном случае действует диффузия. Гидрогель представляет собой гранулы полимера, которые очень хорошо впитывают воду.

16. Ацетон + пенопласт

Пенопласт состоит из пенополистирола, который, будучи растворенным в ацетоне, выпускает воздух в пену, что создает вид, будто вы растворяете большое количество материала в малом количестве жидкости.

17. Сухой лед + средство для мытья посуды

Сухой лед, помещенный в воду, создает облако, а средство для мытья посуды в воде удерживает углекислый газ и водяной пар в форме пузыря.

18. Капля моющего средства, добавленная к молоку с пищевым красителем

Молоко - это в основном вода, но оно также содержит витамины, минералы, белки и крошечные капли жира, находящиеся во взвешенном состоянии в растворе.

Средство для мытья посуды ослабляет химические связи, которые удерживают белки и жиры в растворе. Молекулы жира сбиваются с толку по мере того, как молекулы мыла начинают метаться, чтобы соединиться с молекулами жира, пока раствор равномерно не перемешается.

19. "Слоновья зубная паста"

Дрожжи и теплую воду наливают в контейнер с моющим средством, перекисью водорода и пищевым красителем. Дрожжи служат катализатором выделения кислорода из перекиси водорода, создавая множество пузырей. В результате образуется экзотермическая реакция, с образованием пены и выделением тепла.

Химические опыты (видео)

20. Перегорание лампочки

Вольфрамовая нить ломается, вызывая короткое замыкание электрической цепи, которое заставляет нить светиться.

21. Ферромагнитная жидкость в стеклянной банке

Ферромагнитная жидкость – это жидкость, которая сильно намагничивается в присутствии магнитного поля. Она используется в жестких дисках и в машиностроении.

Еще ферромагнитной жидкости.

22. Йод + алюминий

Окисление тонкодисперсного алюминия происходит в воде, формируя темно-фиолетовые пары.

23. Рубидий + вода

Рубидий очень быстро реагирует с водой, формируя гидроокись рубидия и газообразный водород. Реакция настолько быстрая, что если бы ее проводить в стеклянном сосуде, он может разбиться.

Предисловие
Введение
§ 1. Предмет звукохимии
§ 2. Очерк о развитии звукохимии
§ 3. Экспериментальные методы звукохимии
Глава 1. Звуковое поле и ультразвуковая кавитация
§ 4. Акустическое поле и величины, характеризующие его (основные понятия)
§ 5. Акустическая кавитация в жидкостях
§ 6. Зародыши кавитации в жидкостях
§ 7. Пульсация и схлопываиие кавитациоиных пузырьков
§ 8. Динамика развития кавитациониой области
Глава 2. Экспериментальные и теоретические исследования звукохимических реакций и соиолюминесценции
§ 9. Влияние различных факторов иа протекание звукохимических реакций и соиолюминесценции
§ 10. Соиолюмниесценция в различных жидкостях
§ 11. Физические процессы, приводящие к возникновению звукохимических реакций и соиолюминесценции
§ 12. Спектральные исследования соиолюминесценции
§ 13. Первичные и вторичные элементарные процессы в кавитационном пузырьке
§ 14. Классификация ультразвуковых химических реакций
§ 15. О механизме влияния газов иа протекание звукохимических реакций
§ 16. Акустические поля при низких интенсивностях
§ 17. Низкочастотные акустические поля
Глава 3. Энергетика звукохимических реакций и физико-химических процессов, вызываемых кавитацией
§ 18. Основные пути преобразования энергии акустических колебаний
§ 19. Химико-акустический выход продуктов реакции (энергетический выход)
§ 20. Начальные химико-акустические выходы продуктов ультразвукового расщепления воды
§ 21. Энергетический выход соиолюминесценции
§ 22. Зависимость скорости звукохимических реакций от интенсивности ультразвуковых волн
§ 23. Зависимость скорости физико-химических процессов, вызываемых кавитацией, от иитеисивности ультразвуковых волн
§ 24. Общие количественные закономерности
§ 25. О соотношении между энергетическими выходами звукохимических реакций и сонолюминесценции
Глава 4. Кинетика ультразвуковых химических реакций
§ 26. Стационарное состояние для концентрации радикалов, усредненной по периоду колебаний и объему (первое приближение)
§ 27. Изменение концентрации радикалов, усредненной по объему (второе приближение)
§ 28. Кавитационно-диффузионная модель пространственно-временного распределения радикалов (третье приближение)
§ 29. Место энергии ультразвуковых волн среди других физических методов воздействия на вещество
§ 30. Особенности распространения теплоты от кавитационного пузырька
Глава 5. Звукохимия воды и водных растворов
§ 31. Основные особенности полученных экспериментальных, результатов
§ 32. Сонолиз растворов хлоруксусной кислоты. О возникновении гидратированных электронов в поле ультразвуковых волн
§ 33. Окисление сульфата железа (II) в поле ультразвуковых волн
§ 34. Восстановление сульфата церия (IV) в поле ультразвуковых волн
§ 35. Синтез пероксида водорода при сонолизе воды и водных растворов формиатов
§ 36. Расчет величин начальных химико-акустических выходов
§ 37. Звукохимические реакции в воде и водных растворах в атмосфере азота
§ 38. Инициирование ультразвуковыми волнами цепной реакции стереоизомеризации этилен-1,2-дикарбоновой кислоты и ее эфиров
Заключение. Перспективы применения ультразвуковых волн в науке, технике и медицине
Литература
Предметный указатель

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Химическими реакция называют превращения веществ, в которых происходит изменение их состава и (или) строения.

Наиболее часто под химическими реакциями понимают процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).

Химические реакции записываются с помощью химических уравнений, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. Согласно закону сохранения массы, число атомов каждого элемента в левой и правой частях химического уравнения одинаково. Обычно формулы исходных веществ записывают в левой части уравнения, а формулы продуктов – в правой. Равенство числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения достигается расстановкой перед формулами веществ целочисленных стехиометрических коэффициентов.

Химические уравнения могут содержать дополнительные сведения об особенностях протекания реакции: температура, давление, излучение и т.д., что указывается соответствующим символом над (или «под») знаком равенства.

Все химические реакции могут быть сгруппированы в несколько классов, которым присущи определенные признаки.

Классификация химических реакций по числу и составу исходных и образующихся веществ

Согласно этой классификации, химические реакции подразделяются на реакции соединения, разложения, замещения, обмена.

В результате реакций соединения из двух или более (сложных или простых) веществ образуется одно новое вещество. В общем виде уравнение такой химической реакции будет выглядеть следующим образом:

Например:

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

2Mg + O 2 = 2MgO.

2FеСl 2 + Сl 2 = 2FеСl 3

Реакции соединения в большинстве случаев экзотермические, т.е. протекают с выделением тепла. Если в реакции участвуют простые вещества, то такие реакции чаще всего являются окислительно-восстановительными (ОВР), т.е. протекают с изменением степеней окисления элементов. Однозначно сказать будет ли реакция соединения между сложными веществами относиться к ОВР нельзя.

Реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько других новых веществ (сложных или простых) относят к реакциям разложения . В общем виде уравнение химической реакции разложения будет выглядеть следующим образом:

Например:

CaCO 3 CaO + CO 2 (1)

2H 2 O =2H 2 + O 2 (2)

CuSO 4 × 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O (3)

Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O (4)

H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O (5)

2SO 3 =2SO 2 + O 2 (6)

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 +4H 2 O (7)

Большинство реакций разложения протекает при нагревании (1,4,5). Возможно разложение под действием электрического тока (2). Разложение кристаллогидратов, кислот, оснований и солей кислородсодержащих кислот (1, 3, 4, 5, 7) протекает без изменения степеней окисления элементов, т.е. эти реакции не относятся к ОВР. К ОВР реакциям разложения относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления (6).

Реакции разложения встречаются и в органической химии, но под другими названиями — крекинг (8), дегидрирование (9):

С 18 H 38 = С 9 H 18 + С 9 H 20 (8)

C 4 H 10 = C 4 H 6 + 2H 2 (9)

При реакциях замещения простое вещество взаимодействует со сложным, образуя новое простое и новое сложное вещество. В общем виде уравнение химической реакции замещения будет выглядеть следующим образом:

Например:

2Аl + Fe 2 O 3 = 2Fе + Аl 2 О 3 (1)

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (2)

2КВr + Сl 2 = 2КСl + Вr 2 (3)

2КСlO 3 + l 2 = 2KlO 3 + Сl 2 (4)

СаСО 3 + SiO 2 = СаSiO 3 + СО 2 (5)

Са 3 (РО 4) 2 + ЗSiO 2 = ЗСаSiO 3 + Р 2 О 5 (6)

СН 4 + Сl 2 = СН 3 Сl + НСl (7)

Реакции замещения в своем большинстве являются окислительно-восстановительными (1 – 4, 7). Примеры реакций разложения, в которых не происходит изменения степеней окисления немногочисленны (5, 6).

Реакциями обмена называют реакции, протекающие между сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями. Обычно этот термин применяют для реакций с участием ионов, находящихся в водном растворе. В общем виде уравнение химической реакции обмена будет выглядеть следующим образом:

АВ + СD = АD + СВ

Например:

CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O (1)

NaOH + HCl = NaCl + H 2 O (2)

NаНСО 3 + НСl = NаСl + Н 2 О + СО 2 (3)

AgNО 3 + КВr = АgВr ↓ + КNО 3 (4)

СrСl 3 + ЗNаОН = Сr(ОН) 3 ↓+ ЗNаСl (5)

Реакции обмена не являются окислительно-восстановительными. Частный случай этих реакций обмена -реакции нейтрализации (реакции взаимодействия кислот со щелочами) (2). Реакции обмена протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного вещества (3), осадка (4, 5) или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды (1, 2).

Классификация химических реакций по изменениям степеней окисления

В зависимости от изменения степеней окисления элементов, входящих в состав реагентов и продуктов реакции все химические реакции подразделяются на окислительно-восстановительные (1, 2) и, протекающие без изменения степени окисления (3, 4).

2Mg + CO 2 = 2MgO + C (1)

Mg 0 – 2e = Mg 2+ (восстановитель)

С 4+ + 4e = C 0 (окислитель)

FeS 2 + 8HNO 3 (конц) = Fe(NO 3) 3 + 5NO + 2H 2 SO 4 + 2H 2 O (2)

Fe 2+ -e = Fe 3+ (восстановитель)

N 5+ +3e = N 2+ (окислитель)

AgNO 3 +HCl = AgCl ↓ + HNO 3 (3)

Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 ↓ + H 2 O (4)

Классификация химических реакций по тепловому эффекту

В зависимости от того, выделяется ли или поглощается тепло (энергия) в ходе реакции, все химические реакции условно разделяют на экзо – (1, 2) и эндотермические (3), соответственно. Количество тепла (энергии), выделившееся или поглотившееся в ходе реакции называют тепловым эффектом реакции. Если в уравнении указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, то такие уравнения называются термохимическими.

N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +46,2 кДж (1)

2Mg + O 2 = 2MgO + 602, 5 кДж (2)

N 2 + O 2 = 2NO – 90,4 кДж (3)

Классификация химических реакций по направлению протекания реакции

По направлению протекания реакции различают обратимые (химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ) и необратимые (химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ).

Для обратимых реакций уравнение в общем виде принято записывать следующим образом:

А + В ↔ АВ

Например:

СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН↔ Н 3 СООС 2 Н 5 + Н 2 О

Примерами необратимых реакций может служить следующие реакции:

2КСlО 3 → 2КСl + ЗО 2

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О

Свидетельством необратимости реакции может служить выделение в качестве продуктов реакции газообразного вещества, осадка или малодиссоциирующего соединения, чаще всего воды.

Классификация химических реакций по наличию катализатора

С этой точи зрения выделяют каталитические и некаталитические реакции.

Катализатором называют вещество, ускоряющее ход химической реакции. Реакции, протекающие с участием катализаторов, называются каталитическими. Протекание некоторых реакций вообще невозможно без присутствия катализатора:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (катализатор MnO 2)

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию (автокаталитические реакции):

MeO+ 2HF = MeF 2 + H 2 O, где Ме – металл.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Во время химических реакций из одних веществ получаются другие (не путать с ядерными реакциями, в которых один химический элемент превращается в другой).

Любая химическая реакция описывается химическим уравнением :

Реагенты → Продукты реакции

Стрелка указывает направление протекания реакции.

Например:

В данной реакции метан (СН 4) реагирует с кислородом (О 2), в результате чего образуется диоксид углерода (СО 2) и вода (Н 2 О), а точнее - водяной пар. Именно такая реакция происходит на вашей кухне, когда вы поджигаете газовую конфорку. Читать уравнение следует так: одна молекула газообразного метана вступает в реакцию с двумя молекулами газообразного кислорода, в результате получается одна молекула диоксида углерода и две молекулы воды (водяного пара).

Числа, расположенные перед компонентами химической реакции, называются коэффициентами реакции .

Химические реакции бывают эндотермическими (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Горение метана - типичный пример экзотермической реакции.

Существует несколько видов химических реакций. Самые распространенные:

реакции соединения;
реакции разложения;
реакции одинарного замещения;
реакции двойного замещения;
реакции окисления;
окислительно-восстановительные реакции.

Реакции соединения

В реакциях соединения хотя бы два элемента образуют один продукт:

2Na (т) + Cl 2 (г) → 2NaCl (т) - образование поваренной соли.

Следует обратить внимание на существенный нюанс реакций соединения: в зависимости от условий протекания реакции или пропорций реагентов, вступающих в реакцию, - ее результатом могут быть разные продукты. Например, при нормальных условиях сгорания каменного угля получается углекислый газ:
C (т) + O 2 (г) → CO 2 (г)

Если же количество кислорода недостаточно, то образуется смертельно опасный угарный газ:
2C (т) + O 2 (г) → 2CO (г)

Реакции разложения

Эти реакции являются, как бы, противоположными по сути, реакциям соединения. В результате реакции разложения вещество распадается на два (3, 4...) более простых элемента (соединения):

2H 2 O (ж) → 2H 2 (г) + O 2 (г) - разложение воды
2H 2 O 2 (ж) → 2H 2 (г) O + O 2 (г) - разложение перекиси водорда

Реакции одинарного замещения

В результате реакций одинарного замещения, более активный элемент замещает в соединении менее активный:

Zn (т) + CuSO 4 (р-р) → ZnSO 4 (р-р) + Cu (т)

Цинк в растворе сульфата меди вытесняет менее активную медь, в результате чего образуется раствор сульфата цинка.

Степень активности металлов по возрастанию активности:

Наиболее активными являются щелочные и щелочноземельные металлы

Ионное уравнение вышеприведенной реакции будет иметь вид:

Zn (т) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (т)

Ионная связь CuSO 4 при растворении в воде распадается на катион меди (заряд 2+) и анион сульфата (заряд 2-). В результате реакции замещения образуется катион цинка (который имеет такой же заряд, как и катион меди: 2-). Обратите внимание, что анион сульфата присутствует в обеих частях уравнения, т.е., по всем правилам математики его можно сократить. В итоге получится ионно-молекулярное уравнение:

Zn (т) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (т)

Реакции двойного замещения

В реакциях двойного замещения происходит замещение уже двух электронов. Такие реакции еще называют реакциями обмена . Такие реакции проходят в растворе с образованием:

нерастворимого твердого вещества (реакции осаждения);
воды (реакции нейтрализации).

Реакции осаждения

При смешивании раствора нитрата серебра (соль) с раствором хлорида натрия образуется хлорид серебра:

Молекулярное уравнение: KCl (р-р) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (т) + KNO 3 (p-p)

Ионное уравнение: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (т) + K + + NO 3 -

Молекулярно-ионное уравнение: Cl - + Ag + → AgCl (т)

Если соединение растворимое, оно будет находиться в растворе в ионном виде. Если соединение нерастворимое, оно будет осаждаться, образовывая твердое вещество.

Реакции нейтрализации

Это реакции взаимодействия кислот и оснований, в результате которых образуются молекулы воды.

Например, реакция смешивания раствора серной кислоты и раствора гидроксида натрия (щелока):

Молекулярное уравнение: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (ж)

Ионное уравнение: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (ж)

Молекулярно-ионное уравнение:2H + + 2OH - → 2H 2 O (ж) или H + + OH - → H 2 O (ж)

Реакции окисления

Это реакции взаимодействия веществ с газообразным кислородом, находящимся в воздухе, при которых, как правило, выделяется большое количество энергии в виде тепла и света. Типичная реакция окисления - это горение. В самом начале данной страницы приведена реакция взаимодействия метана с кислородом:

CH 4 (г) + 2O 2 (г) → CO 2 (г) + 2H 2 O (г)

Метан относится к углеводородам (соединения из углерода и водорода). При реакции углеводорода с кислородом выделяется много тепловой энергии.

Окислительно-восстановительные реакции

Это реакции при которых происходит обмен электронами между атомами реагентов. Рассмотренные выше реакции, также являются окислительно-восстановительными реакциями:

2Na + Cl 2 → 2NaCl - реакция соединения
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - реакция окисления
Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - реакция одинарного замещения

Максимально подробно окислительно-восстановительные реакции с большим количеством примеров решения уравнений методом электронного баланса и методом полуреакций описаны в разделе

Конечный итог реакций взрывного превращения выражают обычно уравнением, связывающим химическую формулу исходного ВВ или состав его (в случае взрывчатой смеси) с составом конечных продуктов взрыва.

Знание уравнения химического превращения при взрыве существенно в двух отношениях. С одной стороны, по этому уравнению можно рассчитать теплоту и объем газообразных продуктов взрыва, а следовательно, и температуру, давление и другие его параметры. С другой стороны, состав продуктов взрыва получает особое значение, если речь идет о ВВ, предназначенных для взрывных работ в подземных выработках (отсюда – расчет рудничной вентиляции, чтобы количество окиси углерода и окислов азота не превосходило определенного объема).

Однако при взрыве не всегда устанавливается химическое равновесие. В тех многочисленных случаях, когда расчет не позволяет надежно установить итоговое равновесие взрывного превращения, – обращаются к эксперименту. Но экспериментальное определение состава продуктов в момент взрыва также встречает серьезные трудности, так как в продуктах взрыва при высокой температуре могут содержаться атомы и свободные радикалы (активные частицы), обнаружить которые после охлаждения не удается.

Органические ВВ, как правило, состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Следовательно, в продуктах взрыва могут содержаться следующие газообразные и твердые вещества: СО 2 , Н 2 О, N 2 , CO, O 2 , H 2 , CH 4 и другие углеводороды: NH 3 , C 2 N 2 , HCN, NO, N 2 O, C. Если в состав ВВ входят сера или хлор, то в продуктах взрыва могут содержаться соответственно SO 2 , H 2 S, HCl и Cl 2 . В случае содержания в составе ВВ металлов, например, алюминия или некоторых солей (например, нитрата аммония NH 4 NO 3 , нитрата бария Ba(NO 3) 2 ; хлора-тов – хлората бария Ba(ClO 3) 2 , хлората калия КСlO 3 ; перхлоратов – аммония NHClO 4 и др.) в составе продуктов взрыва встречаются оксиды, например Al 2 O 3 , карбонаты, например, карбонат бария ВаСО 3 , карбонат калия К 2 СО 3 , бикарбонаты (КНСО 3), цианиды (KCN), сульфаты (BaSO 4 , K 2 SO 4), сульфиды (NS, K 2 S), сульфиты (K 2 S 2 O 3), хлориды (AlCl 3 , BaCl 2 , KCl) и другие соединения.

Наличие и количество тех или иных продуктов взрыва в первую очередь зависит от кислородного баланса состава ВВ.

Кислородный баланс характеризует соотношение между содержанием во взрывчатом веществе горючих элементов и кислорода .

Вычисляют кислородный баланс обычно как разность между весовым количеством кислорода, содержащегося во ВВ, и количеством кислорода, потребным для полного окисления горючих элементов, входящих в его состав. Расчет ведут на 100 г ВВ, в соответствии, с чем кислородный баланс выражают в процентах. Обеспеченность состава кислородом характеризуется кислородным балансом (КБ) или кислородным коэффициентом a к, которые в относительных величинах выражают избыток или недостаток кислорода для полного окисления горючих элементов до высших оксидов, например, СО 2 и Н 2 О.

Если ВВ содержит как раз столько кислорода, сколько нужно для полного окисления входящих в его состав горючих элементов, то кислородный баланс его равен нулю. Если избыток – КБ положителен, при недостатке кислорода – КБ отрицателен. Сбалансированность ВВ по кислороду соответствует КБ – 0; a к = 1.

Если ВВ содержит углерод, водород, азот и кислород и описывается уравнением С а H b N c O d , то величины кислородного баланса и кислородного коэффициента могут определяться по формулам

(2)

где а, b, c и d – число атомов соответственно С, H, N и О в химической формуле ВВ; 12, 1, 14, 16 – округленные до целого числа атомные массы соответственно углерода, водорода, азота и кислорода; знаменатель дроби в уравнении (1) определяет молекулярную массу ВВ: М = 12а + в + 14с + 16d.

С точки зрения безопасности производства и эксплуатации (хранения, транспортирования, применения) ВВ большинство их рецептур имеют отрицательный кислородный баланс.

По кислородному балансу все ВВ подразделяются на следующие три группы:

I. ВВ с положительным кислородным балансом: углерод окисляется до СО 2 , водород до Н 2 О, азот и избыток кислорода выделяются в элементарном виде.

II. ВВ с отрицательным кислородным балансом, когда кислорода недостаточно для полного окисления компонентов до высших оксидов и углерод частично окисляется до СО (но все ВВ превращаются в газы).

III. ВВ с отрицательным кислородным балансом, но кислорода недостаточно для превращения всех горючих компонентов в газы (в продуктах взрыва имеется элементарный углерод).

4.4.1. Расчет состава продуктов взрывчатого разложения ВВ

с положительным кислородным балансом (I группа ВВ)

При составлении уравнений реакций взрыва ВВ с положительным кислородным балансом руководствуются следующими положениями: углерод окисляется до углекислоты СО 2 , водород до воды Н 2 О, азот и избыток кислорода выделяются в элементарном виде (N 2 , O 2).

Например.

1. Составить уравнение реакции (определить состав продуктов взрыва) взрывчатого разложения индивидуального ВВ.

Нитроглицерин: С 3 Н 5 (ONO 2) 3 , М = 227.

Определяем величину кислородного баланса для нитроглицерина:

КБ > 0, запишем уравнение реакции:

С 3 Н 5 (ONO 2) 3 = 3СО 2 + 2,5Н 2 О + 0,25О 2 + 1,5N 2.

Кроме основной реакции протекают реакции диссоциации:

2СО 2 2СО + О 2 ;

О 2 + N 2 2NO;

2H 2 O 2H 2 + O 2 ;

H 2 O + CO CO 2 + H 2 .

Но так как КБ = 3,5 (намного больше нуля) – рекакции смещены в сторону образования СО 2 , Н 2 О, N 2 , следовательно доля газов СО, Н 2 и NО в продуктах взрывчатого разложения незначительна и ими можно пренебречь.

2. Составить уравнение реакции взрывчатого разложения смесевого ВВ: аммонала, состоящего из 80% аммиачной селитры NH 4 NO 3 (M = 80), 15% тротила C 7 H 5 N 3 O 6 (М = 227) и 5% алюминия Al(а.м. М = 27).

Расчет кислородного баланса и коэффициента α к смесевых ВВ ведут следующим образом: вычисляют количество каждого из химических элементов, содержащихся в 1 кг смеси и выражают его в молях. Затем составляют условную химическую формулу для 1 кг, смесевого ВВ, аналогичную по виду химической формуле для индивидуального ВВ и далее ведут расчет аналогично выше приведенному примеру.

Если в смесевом ВВ содержится алюминий, то уравнения для определения величин КБ и α к имеют следующий вид:

где е – число атомов алюминия в условной формуле.

Решение.

1. Рассчитываем элементарный состав 1 кг аммонала и записываем его условную химическую формулу

2. Записываем уравнение реакции разложения аммонала:

С 4,6 Н 43,3 N 20 O 34 Al 1,85 = 4,6CO 2 + 21,65H 2 O + 0,925Al 2 O 3 + 10N 2 + 0,2O 2 .

4.4.2. Расчет состава продуктов взрывчатого разложения ВВ

с отрицательным кислородным балансом (II группа ВВ)

Как было отмечено ранее при составлении уравнений реакций взрывчатого разложения ВВ второй группы необходимо учитывать следующие особенности: водород окисляется до Н 2 О, углерод окисляется до СО, оставшийся кислород окисляет часть СО до СО 2 и азот выделяется в виде N 2 .

Пример: Составить уравнение реакции взрывчатого разложения пентаэритриттетранитрата (тэна) С(СН 2 ОNO 2) 4 Мтэна = 316. Кислородный баланс рав-ный –10,1%.

Из химической формулы тэна видно, что кислорода до полного окисления водорода и углерода недостаточно (для 8 водородов необходимо 4 ат. кислорода, чтобы превратить в Н 2 О = 4Н 2 О) (для 5 ат. углерода необходимо 10 ат. кислорода, чтобы превратить в СО 2 = 5СО 2) итого требуется 4 + 10 = 14 ат. кислорода, а их всего 12 атомов.

1. Составляем уравнение реакции разложения тэна:

С(СН 2 ОNO 2) 4 = 5CO + 4H 2 O + 1,5O 2 + 2N 2 = 4H 2 O + 2CO + 3CO 2 + 2N 2 .

Для определения величины коэффициентов СО и СО 2:

5СО + 1,5О 2 = хСО + уСО 2 ,

х + у = n – сумма атомов углерода,

х + 2у = m – сумма атомов кислорода,

Х + у = 5 х = 5 – у

х + 2у = 8 или х = 8 – 2у

или 5 – у = 8 – 2у; у = 8 – 5 = 3; х = 5 – 3 = 2.

Т.о. коэффициент при СО х = 2; при СО 2 у = 3, т.е.

5СО + 1,5 О 2 = 2СО + 3СО 2 .

Вторичные реакции (диссоциации):

Водяного пара: Н 2 О + СО СО 2 + Н 2 ;

2Н 2 О 2Н 2 + О 2 ;

Диссоциация: 2СО 2 2СО + О 2 ;

2. Для оценки погрешности рассчитаем состав продуктов реакции взрывчатого разложения с учетом наиболее существенной из вторичных реакций – реакции водяного пара (Н 2 О + СО СО 2 + Н 2).

Уравнение реакции взрывчатого разложения тэна представим в виде:

С(СН 2 ОNO 2) 4 = uH 2 O + xCO + yCO 2 + zH 2 + 2N 2 .

Температура взрывчатого разлива тэна примерно 4000 0 К.

Соответственно константа равновесия водяного пара :

Записываем и решаем систему уравнений:

х + у = 5 (см. выше) – число атомов углерода;

2z + 2у = 8 – число атомов водорода;

х + 2у + u = 12 – число атомов кислорода.

Преобразование системы уравнений сводится к получению квадратного уравнения:

7,15у 2 – 12,45у – 35 = 0.

(Уравнение типа ау 2 + ву + с = 0).

Решение его имеет вид:

у = 3,248, тогда х = 1,752; z = 0,242; u = 3,758.

Таким образом, уравнение реакции принимает вид:

C(CH 2 ONO 2) 4 = 1,752CO + 3,248CO 2 + 3,758H 2 O + 0,242H 2 + 2N 2 .

Из полученного уравнения видно, что погрешность в определении состава и количества продуктов взрывчатого разложения приближенным способом незначительна.

4.4.3. Составление уравнений реакций взрывчатого разложения ВВ

с отрицательным КБ (III группа)

При написании уравнений реакции взрывчатого разложения для третьей группы ВВ необходимо придерживаться следующей последовательности:

1. определить по химической формуле ВВ его КБ;

2. водород окислить до Н 2 О;

3. углерод окислить остатками кислорода до СО;

4. написать остальные продукты реакции, в частности С, N и т.д.;

5. проверить коэффициенты.

Пример: Составить уравнение реакции взрывчатого разложения тринитротолуола (тротила, тола) C 6 H 2 (NO 2) 3 CH 3 .

Молярная масса М = 227; КБ = –74,0%.

Решение: Из химической формулы видим, что кислорода недостаточно для окисления углерода и водорода: для полного окисления водорода необходимо 2,5 атома кислорода, неполного окисления углерода – 7 атомов (всего 9,5 по сравнению с имеющимися 6-тью атомами). В этом случае уравнение реакции разложения тротила имеет вид:

C 6 H 2 (NO 2) 3 CН 3 = 2,5Н 2 O + 3,5СО + 3,5 С + 1,5N 2 .

Вторичные реакции:

Н 2 О + СО СО 2 + Н 2 ;