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化学性爆炸的特征

文章作者:化工厂防爆空调厂
添加时间:2019-03-27

  化学性爆炸物质不论是可燃物质与空气的混合物还是爆炸性物质,它们都是一种相对不稳定体系,在外界一定强度和数量的能量作用下,能够发生高速的放热反应,此反应的自由焓变(δG <0)所取负值较大,所以它能作大量的有用功。这些就是化学性爆炸的热力学本质。

  当化学性爆炸物质由少量能量引爆发生爆炸时,爆炸物质瞬间化为一团火光,形成烟雾并产生轰隆巨响,附近形成强烈的爆炸风,建筑物或被破坏或受到强烈振动。

  分析上述爆炸现象,一团火光表明爆炸物质的爆炸过程是放热的,这样使爆炸产物获得高温而发光;爆炸瞬间完成,表明爆炸过程的速度极快;仅用一种较小的能量即可将爆炸物质引爆,表明爆炸物中所产生的爆炸过程是能够自动传播的;烟雾表明爆炸过程形成大量气体,而气体的迅速膨胀则是建筑物和各种设施发生破坏或震动的本质原因。

  综上所述,爆炸性物质爆炸过程具有如下三个特征:即反应过程放热,过程速度极快并能自动传播,过程中生成大量气体产物。这三个条件是任何化学反应能成为爆炸性反应所必须具备的,而且这三者互相关联,缺一不可。下面对每个条件的重要性和意义进行概略的讨论。

  1. 反应过程的放热性

  这是化学反应能否成为爆炸反应的最重要的基础条件,也是爆炸过程的能量来源,没有这个条件,爆炸过程就根本不能发生,当然反应也就不能自行延续,因此也就不可能出现爆炸过程的自动传播。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)

  反应(1)、(2)草酸锌和草酸铅的分解是吸热反应,它们需要外界提供热量反应才能进行,所以它们不可能对外界做功,因而不能爆炸。反应(3)、(3)是放热反应,能够发生爆炸。又如硝酸铵的分解反应:

  NH4NO3低温加热→NH3+HNO3-170.7kJ (5)

  NH4NO3用雷管引爆→N2+2H2O+0.5O2+126.4kJ (6)

  反应(5)是硝酸铵用作化肥在农田里发生的缓慢分解反应,反应过程吸热,根本不能爆炸。当硝酸铵被雷管引爆,就按反应(5)发生放热的分解反应,可以用作矿山炸药。

  爆炸反应过程所放出的热量称爆炸热(或爆热)。它是反应的定容热效应,是爆炸破坏能力的标志,是炸药类物质的重要危险特性。一般常用炸药的爆热约在3700~7500kJ/kg;对于混合爆炸物来说,它们的爆热就是燃烧热,有机可燃物的燃烧热在48000kJ/kg左右。

  2.反应过程的高速度

  混合爆炸物质是事先充分混合、氧化剂和还原剂充分接近的体系,许多炸药的氧化剂和还原剂共存于一个分子内,所以它们能够发生快速的逐层传递的化学反应,使爆炸过程能以极快的速度进行,这是爆炸反应同一般化学反应的一个最突出的不同点。一般化学反应也可以是放热的,而且有许多化学反应放出的热量甚至比爆炸物质爆炸时放出的热量大得多,但它未能形成爆炸现象,其根本原因就在于它们的反应速度慢。例如1kg木材的燃烧热为16700kJ,它完全燃烧需要10min;1kJ梯恩梯炸药爆炸热只有4200kJ,它的爆炸反应只需要几十微秒;两者所需的时间相差千万倍。由于爆炸物质的反应速度极快,实际上可以近似认为,爆炸反应所放出的

  能量来不及逸出,全部聚集在爆炸物质爆炸前所占据的体积内,从而造成了一般化学反应所无法达到的能量密度。正是由于这个原因,爆炸物质爆炸才具有巨大的功率和强烈的破坏作用。

  例如每公斤煤块和每公斤煤气的燃烧热都是29000kJ,一块1kJ的整煤完全燃烧约需10min,而1kJ煤气和空气混合后,只需0.2s即可烧完,属于爆炸过程;同样这些煤气和空气的混合气,在炸药引爆的条件下只需0.7ms就能反应完毕。根据功率与作功时间成反比的关系,可算出它们的功率如下:1kJ发热量为29000kJ的煤块燃烧时发出的功率为48kW;1kJ发热量为29000kJ的煤气和空气的混合气爆炸时发出的功率为1.4×105 kW,

  1kJ发热量为29000kJ的煤气和空气的混合气发生爆轰时发出的功率为4.1×107 kW。这个例子清楚地说明爆炸过程的高速度和相应的释放反应热的高速度是爆炸过程的主要特征。

  3.反应过程必须形成气体产物

  气体在通常大气条件下密度比固体和液体物质要小得多,它具有可压缩性,它比固体和液体有大得多的体积膨胀系数,是一种优良的工质。爆炸物质在爆炸瞬间生成大量气体产物,由于爆炸反应速度极快,它们来不及扩散膨胀,都被压缩在爆炸物质原来所占有的体积内,爆炸过程在生成气体产物的同时释放出大量的热量,这些热量也来不及逸出,都加热了生成的气体产物,这样就导致在爆炸物质原来所占有的体积造成处于高温高压状态的气体。这种气体作为工质,在瞬间膨胀就可以做功,由于功率巨大,就能对周围物体、设备、房屋造成巨大的破坏作用。例如,1L炸药在爆炸瞬间可以产生1000L左右的气体产物,它们被强烈地压缩在原有的体积内,再由于3000~5000℃的高温,这样就形成了数十万个大气压的高温高压气体源,它们瞬间膨胀,功率是巨大的,破坏力也是巨大的。由上述可见,爆炸过程必须有气体产物生成是发生爆炸现象的必要条件。

  爆炸过程必须生成气态产物才能造成爆炸作用。这一结论也可以通过一些不生成气体产物的强烈放热反应不具备爆炸作用,来说明生成气体产物是产生爆炸作用的必要条件。例如,铝热剂反应:

  2Al+Fe2O3=Al2O3-2Fe+841kJ

  此反应热效应很大,足以使产物加热到3000℃的高温,而且反应速度也相当快,但终究由于不形成气体产物而不具有爆炸能力。


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