ГЛАВА II
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПИРОТЕХНИКИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВАХ И ИХ КОМПОНЕНТАХ
Пиротехнический эффект достигается в результате химической реакции горения. Горение представляет собой реакцию соединения горючего вещества с кислородом. При этой реакции обычно происходит значительное повышение температуры и образование пламени или выделение дыма.
Горючие вещества отличаются друг от друга способностью с той или иной активностью соединяться с кислородом; от их активности зависят сила света пламени и количество выделяемого тепла. Количество газообразных и твердых продуктов, получающихся в результате реакции, зависит от свойств реагирующих веществ. Для горения необходим кислород. Следовательно, для получения требуемого эффекта пиротехнические изделия следует сжигать на открытом воздухе или вводить в смесь с горючим вещество, богатое кислородом и способное легко его отдавать. Кислорода воздуха обычно бывает недостаточно для получения требуемого эффекта, поэтому в составы для пиротехнических изделий вводят вещества, богатые кислородом – окислители.
В качестве горючих веществ применяются некоторые металлы, сернистые соединения, органические соединения и др. В качестве окислителей применяются соли хлорноватой, азотной и других кислот, некоторые окислы металлов и пр. При взаимодействии горючего и окислителя, применяя различные компоненты, т.е. составленные части смеси, и меняя их количественные соотношения, можно изменять течение реакции в соответствии с теми требованиями, которые предъявляются к изделию.
Смесь из окислителя и горючего называется о с н о в н о й д в о й н о й с м е с ь ю. Для получения различных по действию составов к основной смеси добавляются различные компоненты или смешиваются различные основные смеси.
Таким образом можно получить очень много разнообразных по свойствам смесей, или так называемых п и р о т е х н и ч е с к и х с о с т а в о в.
§ 2. РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ
Для начала горения необходимо нагреть часть горючего вещества, а затем выделяющееся в процессе горения тепло будет поддерживать температуру, необходимую для продолжения горения. Реакции горения сопровождаются, как было сказано, выделением тепловой и световой энергии. Пиротехника использует реакции горения специальных составов для получения тепловых и световых эффектов.
Если при реакции горения пиротехнических составов получаются горящие и накаленные от горения пары и газы или происходит свечение накаленных твердых или жидких частиц, то такие пиротехнические составы дают пламенное горение.
Для пиротехники наиболее интересны реакции соединения и реакции обмена, особенно экзотермических реакции, в которых участвуют твердые вещества. Если реакция происходит в смеси веществ без участия воздуха, она называется реакцией внутреннего горения. Действие пиротехнических составов в большинстве случаев основывается именно на внутренней реакции обмена кислородом между окислителем и горючим, находящимися в порошкообразной смеси. Применяя окислители в качестве основных компонентов реакции горения, необходимо учитывать следующие их характеристики, влияющие на горение: а) температуру разложения окислителя; б) теплоту образования; в) стойкость по отношению к воздействию атмосферы.
Применяя горючие вещества в качестве основных компонентов, следует учитывать: а) температуру их воспламенения; б) тепловой эффект соединения с кислородом; в) стойкость.
Реакция горения характеризуется: а) скоростью горения; б) тепловым эффектом реакции; в) агрегатным состояние и свойствами продуктов реакции; г) величиной начального импульса, требуемого для возникновения реакции горения.
§ 3. СОСТАВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ
Основа каждого пиротехнического состава – смесь из окислителя и горючего – обладает способностью сгорать за счет кислорода, выделяемого при разложении окислителя. Активность такой смеси объясняется химическим взаимодействием между окислителем и горючим. Поэтому для определения количественных соотношений между компонентами смеси нужно знать ход химической реакции между ними.
Для составления уравнения реакции горения нужно: 1) написать реакцию разложения окислителя; 2) написать реакцию горения взятого горючего в чистом кислороде; 3) уравнять коэффициенты у атомов кислорода; 4) сложить написанные уравнения.
Пример 1. Нужно составить двойную основную смесь из азотнокислого бария и крахмала
Ba(NO3)2 + C6H10O5.
Во-первых, напишем реакцию разложения окислителя, т.е. азотнокислого бария:
Ba(NO3)2 BaO + N2 + 5 O2. (1)
Реакция окисления крахмала в чистом кислороде до сгорания крахмала в СО (неполное сгорание) будет иметь вид:
C6H10O5 +6 O 6 CO2 +3 H2O (2)
Для уравнения коэффициентов у кислорода нужно увеличить в 6 раз коэффициенты уравнения (1) и в 5 раз коэффициенты уравнения (2). Получим:
6 Ba(NO3)2 6 BaO + 6 N2 + 30 O; (1)
5 C6H10O5 + 80 O 30 CO + 25 H2O. (2)
сложив оба уравнения по частям и сократив кислород, получим общее уравнение реакции:
6 Ba(NO3)2 + 5 C6H10O5 6 BaO + 6 N2 + 30 CO + 25 H2O.
Исходя из этого уравнения, можно подсчитать рецепт смеси. Беря эти вещества в количествах, соответствующих граммолекулам, получим:
6 * 261 = 1566 г.
где 261 – молекулярный вес Ba(NO3)2 ;
для C6H10O5
5 * 162 = 810 г.
где 162 – молекулярный вес крахмала.
Всего смеси 2376 г.
Или, переводя в проценты:
Для Ba(NO3)2
для C6H10O5
(точность подсчета до целых чисел).
Как видно из этого примера, при разложении окислителя – азотнокислого бария Ba(NO3)2 – выделяется кислород; 1 молекула его содержит 6 атомов кислорода, а в свободном виде выделяется лишь 5 атомов; 1 атом кислорода остается в соединении с барием в виде окиси бария BaO и окисляющего действия не обнаруживает.
Так же, как нитрат бария, действуют и другие соли азотной кислоты, давая при своем разложении свободный кислород и окислы металлов. Кроме нитратов другие окислители также не всегда выделяют весь свой запас кислорода в свободное состояние. Но существуют окислители, выделяющие весь свой кислород в виде свободного, например, бертолетова соль, или хлорат калия KCIO3 , который разлагается по схеме:
KCIO3 KCI + 3 О.
Кислород, выделяющийся в свободном состоянии при разложении вещества, называется активным, а все количество кислорода, содержащееся в веществе, называется общим с о д е р ж а н и е м к и с л о р о д а.
Пример 2. Составить двойную смесь из хлората калия (окислитель) и сахара (горючее):
KCIO3 + C12H22O11.
Аналогично предыдущему примеру реакция разложения хлората калия:
KCIO3 KCI + 3 О. (1)
Реакция полного сгорания сахара в кислороде до образования СО2:
C12H22O11 + 24 О 12 СО2 + 11 Н2О. (2)
Для уравнения коэффициентов кислорода умножаем уравнение (1) на 8. Получим;
8 KCIO3 8 KCI + 24 О.
Складываем уравнения (1) и (2):
8 KCIO3 8 KCI + 24 О
+ C12H22O11 + 24 О 12 СО2 + 11 Н2О
____________________________________
8 KCIO3 + C12H22O11 12 СО2 + 11 Н2О + 8 KCI
взяв граммолекулярные соотношения веществ, получим:
для хлората калия 8*122,56=980,5 г., где 122,56 – молекулярный вес KCIO3; для сахара 342 г., где 342 – молекулярный вес сахара. Итого смеси 1322,5 г.
Переводя в проценты, получим:
для хлората калия
для сахара
Кроме основных смесей из двух компонентов (двойных) могут применяться тройные смеси. Они состоят из двух двойных смесей, имеющих одинаковые окислители, но разные горючие, т.е. состоят из трех веществ: одного окислителя и двух горючих. Тройные смеси могут состоять также из двух различных окислителей и одного горючего.
Мы разобрали в первом примере случай составления пиротехнической смеси, в которой активного кислорода окислителя не хватает для полного сгорания углерода, содержащегося в горючем. Углерод в этом случае сгорает только до образования СО.
Пиротехнические смеси, в которых кислорода, получаемого при разложении окислителя, не хватает для полного сгорания горючего, имеют так называемый о т р и ц а т е л ь н ы й к и с л о р о д н ы й б а л а н с. Смеси с избытком активного кислорода обладают п о л о ж и т е л ь н ы м к и с л о р о д н ы м б а л а н с о м.
§ 4. ОБРАЗОВАНИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ
На базе основной двойной смеси из окислителя и горючего строится более сложный пиротехнический состав.
В зависимости от требований, предъявляемых к составу, к основной смеси примешиваются различные компоненты. Например, для получения пламени, окрашенного в определенный цвет, в состав вводится соль соответствующего металла: для получения зеленого цвета – соли бария, красного – соли стронция, желтого – соли натрия.