что такое бертолетова соль укажите применения

Какие ассоциации приходят вам на ум от словосочетания «хлорат калия»? Если вы не химик, то, скорее всего – никаких. А словосочетание «бертолетова соль»? Уже ближе? Не знаю как для вас, а для меня бертолетка или же бертолетова соль была одним из самых любимых веществ, несмотря на предупреждения:

Что приводило детей в химию в мое время? Ну конечно же – внешняя сторона химических дисциплин – фейерверки, взрывчатые вещества, химические системы, стоящие в космических кораблях, бороздящих просторы космоса. Уже позже мы осознавали, что химия это не так зрелищно, и взрывам стоит не столько радоваться, сколько опасаться, хотя были и люди, которые проводили пиротехнические эксперименты у себя на кухне. Не всегда удачно. Иногда ценой пальцев и глаз…

Так что, на самом-то деле я не советовал бы никому заниматься подобными вещами самостоятельно, без наставников. Вряд ли найдется человек, которому не были дороги собственные пальцы, так что учтите, что бертолетова соль и другие взрывчатые составы отнюдь не игрушки.

Головки спичек также содержат небольшие количества бертолетовой соли, которая опять же применяется как окислитель. В составе спичечных головок также присутствует и топливо – сера (или сульфид сурьмы) и костяной клей, а также стеклянный порошок. На боках спичечного коробка опять же содержится стекло и красный фосфор. Когда мы чиркаем спичкой по коробку, по сути, повторяется процесс, описанный выше для химии пистона – первоначальный поджог фосфора из-за трения активирует распад бертолетовой соли, кислород ускоряет горение топлива в спичечной головке, после чего огонь перекидывается уже на дерево, из которого изготовлена спичка.

В течение определенного времени способность бертолетовой соли (или ее аналога – хлората лития LiClO₃, который, хоть и стоит дороже, но из-за меньшей атомной массы лития может выделять больший объем кислорода на один килограмм препарата) высвобождать кислород позволяла применять это соединение в качестве химического «аккумулятора» кислорода. Для получения кислорода, там, где он был необходим – в больницах, на космических кораблях, подводных лодках или самолетах иногда применяли нагревание хлоратов. Такой подход позволял экономить массу и объемы – контейнер с хлоратом занимает меньше места и меньше весит, чем баллон со сжатым кислородом (да, кстати, несмотря на реакционную способность бертолетовой соли, и безопаснее баллона с кислородом).

Источник

Бертолетка

Открытие бертолетовой соли

Впервые (в 1786 году) хлорат калия получил французский химик Клод Бертолле. Он пропускал хлор через концентрированный горячий раствор гидроокиси калия. Уравнение реакции, по которому была получена соль, выглядит следующим образом: 3Cl₂ + 6KOH 5KCl + KClO₃ + 3H₂O. В результате этой реакции хлорат калия выпадает в виде белого осадка. Так как он слабо растворяется в холодной воде, то легко отделяется от остальных солей при охлаждении раствора. С момента своего открытия бертолетова соль являлся наиболее распространенным и полезным продуктом из всех хлоратов. В настоящее время KClO₃ выпускается в промышленных масштабах.

Бертолетова соль — сильный окислитель. При взаимодействии ее с концентрированной соляной кислотой (HCl) выделяется свободный хлор. Этот процесс описывается уравнением химической реакции: 6HCl + KClO₃ 3Cl + KCl + 3 H₂O. Как и все хлораты, это вещество сильно ядовито. В расплавленном виде KClO3 энергично поддерживает горение. В смеси с легко окисляющимися веществами (восстановителями), такими как сера, фосфор, сахар и другие органические вещества хлорат калия взрывается от удара или трения. Чувствительность к этим воздействиям усиливается в присутствии солей аммония и броматов. При осторожном (нагревание до 60 С) окислении калия хлората с кислотой щавелевой получают двуокись хлора, процесс протекает по уравнению реакции: 2KClO₃ + H₂C₂O₄ K₂CO₃ + CO₂ + H₂O + 2ClO₂. Окись хлора находит применение при отбеливании и стерилизации различных материалов (бумажной массы, муки и прочее), а также может быть использована для обесфеноливания сточных вод химических заводов.

Применение калия хлората

Из всех хлоратов бертолетова соль находит самое широкое применение. Она используется в производстве красителей, спичек (делают горючее вещество спичечной головки, сырьем является увлажненный хлорат калия по ТУ 6-18-24-84), фейерверков, дезинфицирующих средств, диоксида хлора. Из-за высокой опасности составов с хлоратом калия они практически не применяются в производстве взрывчатых веществ для промышленных и военных целей. Очень редко хлорат калия применяется в качестве инициирующего взрывчатого вещества. Иногда используется в пиротехнике, в результате получают цветнопламенные составы. Раньше соль применяли в медицине: слабые растворы этого вещества (KClO₃) некоторое время применялись как антисептик для наружного полоскания горла. Соль в начале 20 века использовали для получения кислорода в лабораторных условиях, но из-за опасности экспериментов они были прекращены.

Получение калия хлората

Одним из следующих способов: хлорированием гидроокиси калия, в результате обменной реакции хлоратов с другими солями, электрохимическим окислением в водных растворах хлоридов металлов — может быть получена бертолетова соль. Получение ее в промышленных масштабах чаще осуществляют по реакции диспропорционирования гипохлоритов (солей хлорноватистой кислоты). Технологически процесс оформляют по-разному. Чаще в его основе лежит реакция между хлоратом кальция и хлоридом калия: Ca(ClO3)₂ + 2KCl 2KClO₃ + CaCl₂. Затем образовавшаяся бертолетова соль из маточного раствора выделяется методом кристаллизации. Также хлорат калия получают по модифицированному методу Бертолле при электролизе хлорида калия: образующийся при электролизе хлор взаимодействует с калия гидроксидом, образовавшийся гипохлорит калия KClO диспропорционирует затем на калия хлорат KClO₃ и исходный калия хлорид KCl.

Разложение хлората калия

При температуре примерно 400 С происходит разложение бертолетовой соли. В результате выделяется кислород и перхлорат калия: 4KClO3 KCl + 3KClO₄. Следующая стадия разложения протекает при температуре от 550 до 620 С: KClO4 2O₂ + KCl. На катализаторах (ими могут быть оксид меди CuO, оксид железа (III) Fe₂O₃ или оксид марганца (IV) MnO₂) разложение протекает при более низкой температуре (от 150 до 300 С) и в одну стадию: 2KClO₃ 2KCl + 3O₂.

Бертолетова соль является неустойчивым взрывоопасным химическим веществом, которое может взорваться при перемешивании, хранении (например, рядом с восстановителями на одной полке в лаборатории или в одном складском помещении), измельчении или других операциях. В результате взрыва может наступить увечье или даже последовать летальный исход. Поэтому при получении, использовании, хранении или транспортировке хлората калия должны соблюдаться требования ФЗ 116. Объекты, на которых организованы эти процессы, относятся к опасным производственным объектам.

P.S. Вы спросите, а зачем оно вам нужно, ведь этот реагент в школе не применяется. Отвечаю: для общего развития, чтобы не окуклиться внутри школьной программы окончательно.

Юрий Никулин, «Почти серьёзно»,

www.modernlib.ru/books/nikulin_yuriy/pochti_serezno/read

Прокомментируйте!

Выскажите Ваше мнение:

Вакансии для учителей

Источник

Хлорат калия

400 °C

Хлорат калия
Общие
Систематическое наименование	Хлорат калия
Химическая формула	KClO3
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	Бесцветные кристаллы
Отн. молек. масса	122.55 а. е. м.
Молярная масса	122.55 г/моль
Плотность	2,32 г/см³
Термические свойства
Температура плавления	356 °C
Температура разложения
Энтальпия образования (ст. усл.)	-391,204 кДж/моль
Химические свойства
Растворимость в воде при 0°C	3,25 г/100 мл
Растворимость в воде при 20°C	7,3 г/100 мл
Растворимость в воде при 100°C	56,2 г/100 мл
Растворимость в воде при 104,2°C	61,5 г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	[3811-04-9]

Содержание

История

Впервые получен Клодом Бертолле в 1786 году при пропускании хлора через горячий концентрированный раствор гидроксида калия:

Получение

Промышленное получение хлоратов вообще (и хлората калия в частности) основано на реакции диспропорционирования гипохлоритов, в свою очередь получаемых взаимодействием хлора с растворами щелочей:

Технологическое оформление процесса может быть различно: поскольку наиболее многотоннажным продуктом является гипохлорит кальция (входящий в состав хлорной извести), то наиболее распространённым процессом является проведение реакции обмена между хлоратом кальция (получающимся из гипохлорита кальция при нагреве) и хлоридом калия, который, в силу относительно низкой растворимости, кристаллизуется из маточного раствора.

Также хлорат калия получают модифицированным методом Бертолле при бездиафрагменном электролизе хлорида калия, образующиеся при электролизе хлор вступает во взаимодействие in situ (в момент выделения, «на месте») с гидроксидом калия с образованием гипохлорита калия, диспропорционирующего далее на хлорат калия и исходный хлорид калия.

Химические свойства

400 °C разлагается с выделением кислорода с промежуточным образованием перхлората калия:

(400 °C); (550—620 °C)

В присутствии катализаторов (MnO₂, Fe₂O₃, CuO и др.) температура разложения значительно снижается (до

(150—300 °C, кат. MnO₂)

Применение

Взрывчатые вещества

Смеси хлората калия с восстановителями (фосфором, серой, органическими соединениями) взрывчаты и чувствительны к трению и ударам, чувствительность повышается в присутствии броматов и солей аммония.

Из-за высокой чувствительности составов с бертолетовой солью, они практически не применяются для производства промышленных и военных взрывчатых веществ.

В медицине

Некоторое время растворы хлората калия применялись в качестве слабого антисептика, наружного лекарственного средства для полоскания горла.

Для получения кислорода

В начале XX века использовалась для лабораторных экспериментов — получения кислорода, но из-за высокой опасности её перестали применять.

Для получения диоксида хлора

Реакция восстановления хлората калия щавелевой кислотой при добавлении серной кислоты используется для получения диоксида хлора в лабораторных условиях:

Полезное

Смотреть что такое «Хлорат калия» в других словарях:

хлорат калия — карбонат калия, хлорноватокислый калий … Cловарь химических синонимов I

Хлорат кальция — Общие Эмпирическая формула Ca(ClO3)2 Физические свойства Молярная масса 206.98 г/моль Плотность 2.71 г/см³ … Википедия

Хлорат меди(II) — Общие Систематическое наименование Хлорат меди(II) Традиционные названия Хлорноватокислая медь Химическая формула Cu(ClO3)2 Физические свойства … Википедия

Хлорат бария — Общие Систематическое наименование Хлорат бария Химическая формула Ba(ClO3)2 Физические свойства Состояние (ст. усл.) твердый … Википедия

Хлорат серебра — Общие Систематическое наименование Хлорат серебра Традиционные названия Хлорноватокислое серебро Химическая формула AgClO3 Физические свойства … Википедия

Хлорат аммония — Общие Систематическое наименование Хлорат аммония Традиционные названия Хлорноватокислый аммоний Химическая формула NH4ClO3 Физические свойства … Википедия

КАЛИЯ ХЛОРАТ — (бертоллетова соль) KClO3, бесцветные кристаллы. Растворим в воде. Сильный окислитель. Применяют в спичечном производстве и пиротехнике. Ядовит … Большой Энциклопедический словарь

калия хлорат — (бертолетова соль), KClO3, бесцветные кристаллы. Растворим в воде. Сильный окислитель. Применяют в спичечном производстве и пиротехнике. Ядовит. * * * КАЛИЯ ХЛОРАТ КАЛИЯ ХЛОРАТ (бертолетова соль), KClO3, бесцветные кристаллы. Растворим в воде.… … Энциклопедический словарь

калия хлорат — kalio chloratas statusas T sritis chemija formulė KClO₃ atitikmenys: angl. potassium chlorate rus. бертолетовая соль; калий хлорноватокислый; калия хлорат ryšiai: sinonimas – kalio trioksochloratas sinonimas – Bertoleto druska … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

КАЛИЯ ХЛОРАТ — (Kalii chloras), бертолетова соль, бесцветные блестящие кристаллы. Растворим в воде. Разлагаясь в водных р рах с образованием хлорида калия, действует подобно перекиси водорода, но значительно слабее. В комбинации с тальком (1 : 10) применяют… … Ветеринарный энциклопедический словарь

Источник

Соль техническая гост 2713 74

Хлорат калия либо бертолетовая соль – это неорганическое вещество. Такое название оно получило на честь своего первооткрывателя. Данная продукция имеет кристалловидную форму прозрачного цвета, иногда цвет бертолетовой соли может отличаться при наличии каких-либо примесей. Хлорат калия имеет горький, соленый привкус. В спирте данный вид соли технической практически не растворяется. При нагревании до 360 градусов продукт плавится, однако, не разлагаясь при этом. Бертолетовая соль при разложении начинает пениться и выделять теплоту. Этот процесс свидетельствует о том, что хлорат калия – взрывоопасное вещество.

В отличие от других видов технической соли бертолетовая соль считается токсичной. При взаимодействии с углем, фосфором и серой этот вид соли считается более опасным. При сильном ударе либо трении она может вспыхнуть. При симбиозе с органическими горючими веществами бертолетовая соль так же воспламеняется.

Соль техническая гост 271374 является одной фаворитом по легкости окисления. При вдыхании и заглатывании большого количества этого продукта можно получить сильнейшее острое отравление. Основной областью применения хлората калия считается пиротехника. Часто его используют для создания антисептических препаратов и для других медикаментов. При поставке этого неорганического вещества необходимо провести определенные обследования, которые дадут разрешение на использование. Для этого специалисты берут пробу 5% единиц материала и проводят экспертизу.

Как же добывается хлорат калия (бертолетовая соль)

В основном хлорат калия (бертолетовую соль) добывают в промышленных условиях. Для этого проводится реакция, основанная на взаимодействии хлора с различной щелочью. Так же существует еще один способ, который когда-то использовал первооткрыватель данного вида технической соли – Клод Бертолле. Модифицированный метод заключается в том, чтобы электролизе хлорида калия. Хлор и гидроксид калия взаимодействуют между собой в мощном симбиозе, тем самым создавая бертолетовую соль. При температуре свыше 400 градусов бертолетовая соль начинает разлагаться. Кроме того, существует реакция, при которой хлорат калия взаимодействует с сульфатом аммония. В результате этого взаимодействия образовывается хлорат аммония.

Бертолетовая соль практически не используется в производстве военных взрывчастых веществ. Это связано с тем, что этот продукт крайне чувствительный к ударам, к трению и т.д.

Где же используют хлорат калия (бертолетовая соль)

Хлорат калия (бертолетовая соль) может быть как опасной, так и полезной для человечества, если использовать ее правильно и соблюдать правил безопасности. Эту техническую соль гост 271374 используют в таких сферах:

— как антисептический препарат

— как лекарственный препарат для полоскания горла при ангине и других заболеваниях

Таким образом, можем сделать вывод, что хлорат калия либо бертолетовая соль является крайне опасным неорганическим продуктом. При пренебрежении правил безопасности можно получить много проблем со здоровьем. Такое вещество может быть, как полезным, так и опасным для человека. Это связано с высокой чувствительностью технической соли гост 271374 и взрывоопасностью.

Источник

История огненного цветка

Говорят, что огонь — одна из тех вещей, на которые можно смотреть бесконечно. Куда бы мы ни торопились, языки огня, будь то горящий камин, костер в лесу или фейерверк, привлекают и завораживают нас. Но у химиков интерес особый — профессиональный.

Неандертальское средство для розжига

Огонь недаром так притягателен для нас: он не только породил человеческую цивилизацию, но, по мнению некоторых палеоантропологов, привел к появлению человека разумного. С того момента, когда наши предки начали жарить пищу на кострах, они стали меньше тратить времени на пережевывание и переваривание сырых продуктов. Соответственно у них оставалось больше времени и энергии на другие занятия (к примеру, на общение или поиск и обработку орудий). Снизились энергетические затраты на расщепление термически обработанной еды, и организм перенаправил свои ресурсы на другие биохимические процессы — это в конечном счете привело к росту мозга и его дальнейшей эволюции. Так, отчасти благодаря огню, человек стал разумным.

Огонь способствовал и появлению химии. Когда-то первобытные люди поняли, что можно не собирать «огненный цветок» на месте природных пожаров, а разводить его, высекая камушками искры. Чуть позже обнаружили, что, если посыпать на дрова черный порошок, полученный из растертых темных камней, огонь разгорается легче, — при раскопках стоянок неандертальцев археологи нашли куски оксида марганца с повышенным содержанием диоксида марганца, которые явно терли обо что-то. Сейчас мы знаем, что добавление MnO₂ к дровам и сухой лучине снижает температуру воспламенения примерно на 100ºС. Ни про температуру возгорания, ни про диоксид марганца неандертальцы ничего не знали, но, поскольку они все же нашли причинно-следственную связь между обработкой дров порошком пиролюзита и легкостью разведения костра (Scientific Reports, 2016, 6, 22159, doi:10.1038/srep22159), их вполне можно считать первыми химиками-технологами.

Итак, огню нужны топливо и окислитель, а также искра, которую можно получить трением. Тепло вспышки инициирует реакцию горения — взаимодействие топлива с окислителем, и далее экзотермическая реакция идет сама собой. Кажется, что все просто, но детали этого процесса остаются тайной и для современной науки.

О военной мощи и сельском хозяйстве

Бертольд Шварц, легендарный европейский создатель пороха

Европейцы не возились с ручным вооружением: легендарный европейский открыватель пороха, монах Бертольд Шварц (в миру Константин Анклитцен), сразу же изобрел пороховую артиллерию. По легенде, Шварц растирал в ступке куски серы, селитры и древесного угля и получил черный порошок, который взорвался, расколов ступку и выбросив все ее содержимое. Дальнейшие эксперименты показали, что если сделать ступку побольше и не из керамики, а из бронзы, то она не разрушается, а бросает содержимое на хорошее расстояние. Так на вооружении венецианцев, а потом и других европейских армий появились первые пороховые артиллерийские системы — мортиры, получившие название в честь погибшей ступки Шварца (ступка по-латыни — mortarium).

Селитрянщик за работой

Когда мы слышим про биотехнологию, то представляем себе сверкающие реакторы из нержавеющей стали, специалистов в белоснежных халатах, пипетки, шприцы и управляемые компьютерами процессы, протекающие в безукоризненно чистых лабораториях. Вряд ли мы думаем о лопатах, ржавых котлах в человеческий рост, моче и навозе. Однако именно лопатами орудовали селитрянщики — те самые химики-биотехнологи, труд которых оплачивался из государственного бюджета.

Возможно, современных химиков это сравнение покоробит, однако именно с селитрянщиков начиналась спонсируемая государством химическая промышленность. Презираемые нанимателями и дворянством, но хорошо организованные отряды селитрянщиков были ужасом крестьян XVI–XVII веков. С дозволения короля или парламента они перерывали хлева, конюшни, а иногда и отхожие места, собирая селитру, или нитрат калия KNO₃. Селитру получали и в специально организованных для этого ямах, но производить «ассенизацию» уже готовых отхожих мест было проще.

Зависимость армий от привозного сырья не могла не беспокоить королей и парламенты Франции, Англии и Швеции, поэтому стратегия импортозамещения селитры своими местными источниками вскоре стала одним из приоритетных направлений военно-экономической политики государств Европы.

Оказалось (опять же, скорее всего, случайно), что если прокипятить в большом количестве воды верхний слой почвы стойла, отфильтровать от твердых остатков, а затем добавить к раствору поташ, то из кипящего котла можно выделить белые кристаллы селитры. Была организована целая сеть селитрянщиков, работа которых регламентировалась соответствующими предписаниями. Единственными их аналитическими инструментами были интуиция и вкусовые сосочки языка. Без сомнения, этим химикам, работавшим на военно-промышленные комплексы различных стран и княжеств эпохи Возрождения, требовались недюжинное умение и опыт.

Салюты и фейерверки

«Развлекательные взрывы» стали разноцветными благодаря работам Луи Бертолле (1748–1822), а бертолетова соль (хлорат калия KClO₃) — первый окислитель не нитратной природы, который начали добавлять в пиротехнические составы. Это вещество французский химик впервые получил в 1786 году, пропуская хлор через горячий концентрированный раствор гидроксида калия: 6KOH + 3Cl₂ → KClO₃ + 5KCl + 3H₂O. После охлаждения раствора образовался белый осадок (при низких температурах бертолетова соль растворяется в воде гораздо хуже других солей калия). Бертолетова соль при нагревании дает больше кислорода по сравнению с селитрой, поэтому топливо горит интенсивнее и энергии хватает для возбуждения металлов — пламя окрашивается их ионами. Сейчас, создавая фейерверки, специалисты подбирают такие химические соединения, которые при вспышке дают определенные цвета. Соли бария, например, окрашивают пламя в зеленые цвета, соли меди — в зеленые и голубые, соли натрия — в желтые. Литий дает красные тона, магний — сверкающий белый цвет, а стронций — искрящийся красный.

После работ Бертолле не только фейерверки заиграли новыми красками. Благодаря новым подходам к химии горения ученые получили возможность определять металлы по цвету их пламени (о, эти знакомые со школьной скамьи карминово-красный, малиново-красный и кирпично-красный цвета). Сначала это был простой качественный анализ, а потом — с развитием атомно-адсорбционного анализа — и количественный.

В наши дни бертолетову соль почти не используют в пиротехнических составах по соображениям безопасности — она чересчур реакционноспособна. Смесь бертолетовой соли с серой чрезвычайно чувствительна даже к трению, поэтому в Великобритании ее запретили еще в XIX веке. Сегодня окислителями для пиротехники служат более стабильные и, следовательно, менее опасные перхлораты калия KClO₄ и аммония NH₄ClO₄.

С работ Бертолле и появления огневых составов, предназначенных исключительно для «небоевого» использования, появился и термин «пиротехнический состав» — смесь материалов, способных к сгоранию с определенным эффектом при подходящем способе инициирования. В большинстве случаев современные пиротехнические составы содержат топливо, окислитель и связующее, которое дает составу структурное однообразие. Иногда к пиротехническим составам добавляют дополнительные вещества, придающие ему особые свойства.

Топливо должно сгорать с большим экзотермическим эффектом, поэтому чаще всего используют простые вещества — металлы (алюминий, хром, магний, марганец, титан) и неметаллы (бор, кремний, сера). Окислителями в большинстве пиротехнических составов служат перхлораты и нитраты (органические и неорганические), реже — хлораты, хроматы и пероксиды. И наконец, связующими могут быть вещества природного (пчелиный воск, шеллак, отвержденное льняное масло) и искусственного происхождения (полихлорвинил, бакелит, хлорированные каучуки и полиэфирные смолы).

Химия взрыва

Современная пиротехника — это не только фейерверки, а еще и автомобильные подушки безопасности, ракетное топливо, сигнальные ракеты военного и гражданского назначения. Конкретная область применения состава диктует необходимость введения добавок, отвечающих либо за увеличение объема продуктов сгорания, либо за особо яркое и окрашенное пламя. Существуют добавки, которые создают звуковые сигналы (многие помнят шутку из «сборника армейских маразмов» про «сигнал к атаке — три зеленых свистка вверх»; на самом деле ничего особенно смешного командир не сказал), другие дают густой и устойчивый сигнальный дым или дымовую завесу. Естественно, что при взрыве пиротехнического изделия высвобождается коктейль ядовитых соединений, опасных для человека и для окружающей среды: тяжелые металлы, хлораты и диоксины, аэрозоли дымов, моноксид углерода, оксиды серы (Angewandte Chemie Int. Ed., 2008, 47, 18, 3330–3347, doi: 10.1002/anie.200704510).

Жизнь требует создания новых пиротехнических составов с новыми «спецэффектами», а с другой стороны, они должны быть безопасными для окружающей среды. Именно поэтому сегодня ситуация с химией и пиротехникой изменилась. Если примерно до середины XIX века открытие нового взрывчатого вещества или состава влекло за собой новые открытия в химии и других естественных науках (пиротехника была одним из локомотивов химического прогресса), то сейчас действует обратная причинно-следственная связь. Наши представления о строении и свойствах веществ, наши знания о химии мы используем для рационального создания пиротехнических составов, в первую очередь таких, которые оказывают минимальное воздействие на окружающую среду.

Очевидно, что один из способов решения экологических проблем — это простая оптимизация горения пиротехники, чтобы не оставалось продуктов неполного сгорания. В идеале при вспышке должны образоваться только вода и диоксид углерода, до которых окислятся органические вещества, входящие в состав пиротехнической смеси, а если топливом служит металл, то также и оксиды металлов (MgO, Al₂O₃). Способность пиротехнического состава к полному сгоранию за счет внутренних ресурсов окислителя оценивают через кислородный баланс. Что это такое?

Кислородный баланс взрывчатого вещества или пиротехнической смеси положительный, если общего количества связанного кислорода, входящего в его состав, хватает до полного сгорания смеси до углекислого газа, воды и оксидов металлов, и кислород даже остается в избытке, выделяясь в виде простого вещества. Если же кислорода в составе пиротехники не хватает до образования продуктов полного сгорания, а продукты неполного сгорания догорают в атмосферном кислороде, то кислородный баланс отрицательный. Гипотетически можно предположить и существование нулевого кислородного баланса (весь кислород пиротехнического состава ушел на его полное сгорание, избыточного кислорода не осталось), однако на практике так подгадать вряд ли удастся. К тому же пиротехнические изделия одной партии могут незначительно отличаться по составу, поскольку не всегда удается добиться равномерного перемешивания окислителя, связующего и топлива. Поэтому производители пиротехники, насколько возможно, стараются выдерживать положительный кислородный баланс. Для органического вещества, состоящего только из углерода, водорода, азота и кислорода, состава C_aH_bN_cO_d кислородный баланс вычисляется по формуле:

Еще больше нитрогрупп

Томас Клапотке — химик-пиротехник XXI века на рабочем месте. Фото с сайта Мюнхенского технического университета

Теперь немного об органических взрывчатых соединениях. Еще в XIX веке, выяснив опытным путем, что нитросоединения взрываются тем громче, чем больше в их структуре нитрогрупп, исследователи начали активный поиск органических аналогов. Органические нитросоединения сразу после разработки технологии их получения становились в пиротехнике и взрывчатыми веществами, и окислителями.

Началось все относительно скромно — у тринитротолуола отрицательный кислородный баланс (−74%), и кислорода в нем всего 42,3%. Со временем количество групп –NO₂ или –NO₃ увеличивалось, и последний рекорд по содержанию кислорода и кислородному балансу для органического соединения был поставлен в 2015 году (Chemical Communications, 2016, 52, 916–918; doi: 10.1039/c5cc09010e). Исследователи из Мюнхенского технического университета, работающие в группе Томаса Клапотке, сообщили о синтезе исключительно богатого кислородом тетранитратэтана C₂H₂N₄O₁₂. Причем протокол его получения достаточно прост. Это соединение синтезировали в рамках международного проекта по поиску новых окислителей, способных заменить токсичный перхлорат аммония.

Тетранитратэтан не только отличается рекордным содержанием кислорода по сравнению с известными твердыми окислителями (70,1%) — это весьма редкий пример соединения, в котором с одним атомом углерода одновременно связано больше одной нитратогруппы –O–NO₂.

Он мог бы стать весьма перспективным окислителем, поскольку его кислородный баланс 40,9%: расчеты эффективности горения ракетных топлив позволяют говорить о том, что смеси топливо / тетранитратэтан эффективнее смеси топливо / перхлорат аммония и многих других. Но авторы исследования пока еще сомневаются в возможности практического применения своего детища — тетранитратэтан отличается низкой термической устойчивостью, уже при незначительном нагревании разлагается со взрывом, чувствителен к трению и толчкам и может самопроизвольно взорваться. С другой стороны, все эти свойства присущи и чистому нитроглицерину, «взрывной характер» которого методом проб и ошибок укротили.

Гори синим пламенем

Еще один способ повышения экологической чистоты пиротехники — разработка добавок, которые снижают нежелательные выбросы продуктов горения пиротехники в окружающую среду. Первыми кандидатами на замену оказались хлорид меди (компонент синих огней) и соединения бария, придающие пламени зеленую окраску.

Обычно пиротехнические составы, дающие светло-голубое пламя, получают, используя металлическую медь или медьсодержащие вещества в комбинации с источником хлора. Принцип действия составов основан на том, что при высокой температуре хлор реагирует с медью, образуя хлорид меди (I). Другими способами получить полноценное голубое пламя очень сложно. Тот же Томас Клапотке в сотрудничестве с Джессом Сабатини, работающим в подразделении пиротехнических составов Армии США, смог получить смесь химических веществ без хлора, которая горит светло-голубым пламенем (Angewandte Chemie Int. Ed., 2014, 53, 36, 9665–9668, doi: 10.1002/anie.201405195).

Новая пиротехническая смесь содержит иодид меди (I), который горит почти таким же красивым голубым цветом, как хлорид. Помимо того что CuI экологичнее существующих пиротехнических составов, новый состав дает более чистый цвет, чем традиционные комбинации веществ, которые применяют в пиротехнике.

Джесс Сабатини также обнаружил, что при использовании в фейерверках карбида бора получается такая же зеленая окраска, какую дают применяющиеся сегодня производные бария (Angewandte Chemie Int. Ed., 2011; 50, 20, 4624–4626, doi:10.1002/anie.201007827). Работа началась с того, что руководство Армии США заказало ему разработку аналога дешевой ручной сигнальной ракеты зеленого пламени M125A1, которая в основном состоит из смеси нитрата бария с поливинилхлоридом. Аналог сигнальной ракеты не должен был содержать бария.

В поисках кандидатов на новый пиротехнический состав без бария и хлора исследователи обратили внимание на бор. Порошок аморфного бора сгорает зеленым пламенем с образованием оксида бора, но это происходит слишком быстро, чтобы применять его в пиротехнических составах. Исследователи обнаружили, что скорость горения можно замедлить, если добавить к аморфному бору другую аллотропную модификацию — кристаллический бор, однако он слишком дорог.

Исследователи решили провести скрининг «экзотических» производных бора. В ставших уже классикой химических статьях 1950–1960-х годов Сабатини с соавторами обнаружили информацию о том, что карбид бора, крайне химически инертный при комнатной температуре, становится активным при повышенной. Добавление карбида бора в аморфный бор значительно увеличило время горения пиротехнического состава, но оказалось, что наиболее эффективным временем горения отличается чистый B₄C. Эти результаты удивили всех коллег Сабатини по пиротехнике: ведь когда-то именно химическая инертность карбида бора привела к тому, что его не рассматривали как возможный компонент.

Пиротехники XXI века работают и над инициирующими взрывчатыми веществами. Военные и полицейские боеприпасы сегодня содержат довольно много токсичного азида и тринитрорезорцината свинца, инициирующих детонацию. Кроме того, их применяют и в детонаторах, которые используют в ходе горных разработок. Только в США ежегодно производится около 10 млн тонн таких устройств, из-за этого в окружающую среду попадает около 350 килограммов свинца в год. Такая же проблема и на армейских стрельбищах: концентрация свинца в подобных местах очень высока, он накапливается там десятилетиями, что не способствует здоровью военнослужащих, равно как и гражданского персонала. Надо отметить, что оба инициирующих взрывчатых вещества — азид и тринитрорезорцинат свинца — отличаются высокой канцерогенностью и тератогенностью.

Клапотке удалось найти первичное взрывчатое вещество, не содержащее свинца или других опасных для окружающей среды тяжелых металлов (Angewandte Chemie Int. Ed., 2014, 53, 31, 8172–8175, doi: 10.1002/anie.201404790). Единственный металл, присутствующий в новом веществе — 1,1′-динитрамино-5,5′-бистетразоляте калия (K2DNABT), — это калий. Он безвреден и для человека, и для окружающей среды. Новое взрывчатое вещество устойчиво по отношению к ударам, трению и статическому электричеству примерно в такой же степени, как и азид свинца.

Еще одно направление повышения экологичности фейерверков и пиротехники — замена сгорающего с образованием целого букета вредной хлорорганики полихлорвинила на менее опасные связующие материалы. Возможно, его место займут популярные в настоящее время металлоорганические каркасные структуры (Chemical Communications, 2015, 51, 12185–12188, doi: 10.1039/c5cc04174k).

За века и тысячелетия человек приручил огонь, сделал его управляемым, расцветил «огненный цветок» почти всеми цветами радуги. Сегодня он пытается сделать его менее опасным и для себя, и для окружающей среды. Сложно сказать, как будет эволюционировать химия взрывчатых веществ и пиротехнических составов дальше, одного можно пожелать — чтобы новая пиротехника применялась только для решения мирных задач. Не хотелось бы, чтобы огонь, создавший человеческую цивилизацию и самого человека, послужил ее разрушению.

Источник