爆炸與炸藥的基本理論

第四章　爆炸與炸藥的基本理論

教學目的和要求：

了解炸藥與爆炸的概念。

掌握化學爆炸的特點。

掌握炸藥的氧平衡。

教學內容

爆炸現象

化學爆炸三要素

炸藥的氧平衡

第一節　炸藥與爆炸概念

一、爆炸現象

爆炸：物質發生急劇變化並放出大量的能量對周圍介質做機械功，同時可能伴隨有聲、光、熱效應的現象，稱為爆炸 。

如：輪胎“放炮”　鍋爐爆炸　瓦斯煤層爆炸

　　炸藥爆炸　原子彈爆炸等等

爆炸的基本特征表現在：

速度高、威力大和破壞作用強等方麵。

從安全角度出發，爆破時還應考慮爆炸的副作用，如地震效應、衝擊波、飛石、有毒氣體、噪聲以及其他對相鄰物體、構築物和人身的影響等。

1.物理爆炸

　隻發生物態變化和能量轉換，不產生新的物質。

2.化學爆炸

　不僅有物態和能量的轉化，還生成新的物質，並放出熱量。（分子結構發生了變化）

3.核爆炸

核　　　　放出大量原子能和射線

（原子結構發生改變）

二、化學爆炸三要素

1.放出大量的熱

　熱能是爆炸作功的能源，是必要條件

　吸熱或放出的熱量不足，都不能使其延續

　熱　　　　　　　機械功

　草酸鉛 吸熱反應

Pb2C2O4 2CO2+Pb-69.9KJ

　草酸銅 放出熱量少

CuC2O4 2CO2+Cu+23.9KJ

　草酸銀 放熱量大，爆炸

Ag2C2O4 2CO2+2Ag+123.5KJ

硝酸銨在常溫或溫度低於1500C 時，其分解反應為放熱反應。

千卡

當加熱到200 0C左右，為放熱反應。若熱量不能及時散失，溫度不斷升高就會發生燃燒和爆炸。

迅速加熱到400-500 0C或用傳爆藥柱強力爆炸，由於放熱熱量增大，就會引起爆炸。

2.產生大量的氣體

　氣體是能量轉換的載體

　700－1000ml/kg

　不生成氣體，放熱再多也不能爆炸

　氣體具有膨脹性、可壓縮性

3.爆炸反應速度極快

　是區別於一般化學反應的最顯著的特點

　普通化學反應，能量大部分損失於熱的傳導和輻射中

　2000－9000米/秒 　以衝擊波完成能量傳遞

三、炸藥的概念及特點

　炸藥：具備化學爆炸三要素的物質

　特點：

1.具有相對安定性和化學爆炸性，極易釋放能量

　 （以便加工、運輸、儲存、使用

　　由化學不穩定體係　　 穩定體係）

2.具有很高的能量密度

　 （在微小的容積中蘊藏著大量能量）

3.能在與空氣隔絕處發生爆炸反應

　（C H O N　不需要外界供氧）

四、炸藥化學反應的形式

爆炸不是炸藥唯一的化學反應形式，在特定的反應條件下，同種炸藥可能有四種不同形式的化學反應：

熱分解、燃燒、爆炸和爆轟。

四種反應形式產生不同的物理化學效應。

(1) 熱分解

熱分解是炸藥化學反應的最低形式，表現為炸藥在常溫下緩慢的化學變化，使原物質發生本質的變化。

炸藥的熱分解過程沒有明顯的聲、光效應，通常不易覺查。

反應速度隨內外條件而變化，通常對溫度比較敏感，溫度越高，反應速度越快，濕度、壓力和通風條件對反應速度和結果也會產生不同程度的影響。

炸藥熱分解一般會帶來不良後果，炸藥因熱分解而變質直接影響炸藥的使用。

在一定條件下，熱分解會轉變為燃燒甚至爆炸，以致發生意外爆炸事故。

所以在炸藥的製造、貯存過程中應嚴格控製環境條件，避免炸藥的熱分解。

(2) 燃燒

燃燒是比熱分解更高一級的化學反應形式，往往是由受熱或火焰引起的。

燃燒是物質的氧化過程，所以一般物質燃燒需要外界提供氧，而炸藥本身含有豐富的氧和燃料，不需要外界的氧就可以燃燒，一旦炸藥燃燒，靠隔絕空氣的滅火方法不起作用，往往還會加速炸藥的燃燒。

燃燒速度低於爆轟波的傳播速度和炸藥中的聲速；

炸藥燃燒時對壓力比較敏感，壓力越大，燃速越高，甚至由燃燒轉變為爆炸，所以在密閉條件下燃燒是很危險的。

在炸藥貯存時，要注意創造不利於燃燒的條件，如改善通風條件。

(3) 爆炸

爆炸是炸藥的最高化學反應形式。

與燃燒的區別在於

燃燒靠熱傳導傳遞能量和激發化學反應，爆炸則靠衝擊波傳遞能量和激發反應區；

燃燒受環境影響較大，爆炸則基本上不受環境影響。

爆炸的反應速度、溫度和壓力都比燃燒高得多。所以爆炸表現出強烈的破壞作用。

爆炸是爆破安全的主要控製對象。

爆炸過程中遇到不利因素也可能導致爆炸中斷，使爆炸過程轉變為燃燒或熱分解。

(4) 爆轟

爆炸速度增長到穩定爆速的最大值時就轉化為爆轟，爆轟是指炸藥以最大穩定速度進行的反應過程。特定的炸藥在特定的條件下的爆轟速度為常數。

爆炸和爆轟並無本質上的區別，隻不過是傳播速度不同而已。爆轟的傳播速度是恒定的，爆炸的傳播速度是可變的，就這個意義上講，也可以認為爆轟是爆炸的一種特殊形式，即穩定的爆炸。

炸藥爆炸已經在許多行業得到廣泛應用，尤其在工程爆破方麵。在岩土工程中，無論在經濟方麵還是在效率方麵，爆破方式都比機械方式優勢強；在城市建設和企業改造中，控製爆破也發揮了重要作用。

　　炸藥化學反應的上述四種基本形式與各自必要的條件相對應，條件改變，反應形式也相應地改變，可以相互轉化，即它們之間有著非常密切的內在聯係。

從安全和爆破工程方麵考慮，都希望炸藥按照預定的反應形式進行化學反應，即使反應形式發生轉變，也應在可以控製的範圍內，否則會引起預想不到的事故。

五、炸藥的爆炸反應

（一）炸藥的成分

　　　C H O N

C H 　 為可燃元素

O　　　為助燃元素

N　　　為惰性元素

爆炸後產物：CO2 H2O CO C H2 NO NO2 CH4 NH3 N2 SO2 H2S

有毒氣體：CO NO NO2 SO2 H2S

CO：無色無味、比空氣稍輕，與人體紅血球中的血色素的親和力為氧的250－300倍，短時間內造成缺氧，0.4％致命。

NO2：紅褐色、比空氣稍重，易溶於水，對人的眼睛及呼吸器官有強烈的刺激作用。 NO2比NO毒性大好多倍，0.0255％人很快死亡。

CO、 NO、NxOy不僅都是有毒氣體，而且能對瓦斯爆炸反應起催化作用，因此這樣的炸藥就不應用於地下礦井的爆破作業。

（二）炸藥的氧平衡

氧平衡：炸藥中所含的氧量與可燃元素完全氧　　　　　

　　　　 化所需氧量的關係。

正氧平衡：炸藥中含氧量足夠將可燃元素完全氧化，並有剩

餘的氧平衡。 NO NO2

零氧平衡：炸藥中含氧量剛夠將可燃元素完全氧化的氧平

衡。 CO2 H2O

負氧平衡：炸藥中含氧量不足以將可燃元素完全氧化的氧平

衡。 CO C H2

（三）炸藥爆炸時的反應方程式

　炸藥爆炸的化學反應是極其複雜的

1.正氧平衡：

硝酸銨：NH4NO3 2H2O+N2+I/2O2

硝化甘油：

C3H5(NO3)3 3CO2+5/2H2O+3/2N2+I/4O2

2.負氧平衡的負值不大

黑索金（環三次甲基三硝胺）（均分氧）

C3H6N3(NO2)3 3CO+3H2+3N2+3/2O2 　　　　　　

　　　　3/2CO2+3/2CO+3/2H2O+3/2H2+3N2

3.負氧平衡的負值較大

梯恩梯（三硝基甲苯） (先H後C)

C6H2 (NO2)3CH3 5/2H2O+7C+3/2N2+7/4O2

5/2H2O+7/2CO+7/2C+3/2N2

　　　　　　　　　　出現了固體C

（四）氧平衡的計算

若炸藥的通式為CaHbNcOd，則

單質炸藥氧平衡為



混合炸藥氧平衡為

混合炸藥也可按各組分百分率與其氧平衡乘機的總和來計算：

Mi、ki－－第i組分的百分率與其氧平衡值

例題：計算TNT和阿梅托（含TNT50％和NH4NO350％）炸藥的氧平衡

解：TNT－－三硝基甲苯C6H2 (NO2)3CH3

通式為： C7H5N3O6

氧平衡為

阿梅托

m1＝m2＝50％，k1＝-74％，k2＝20％

Kb＝-74％×50％+20 ％×50 ％＝-27 ％

根據氧平衡設計炸藥組分

當隻有兩種組分時：令這兩種組分的配比和氧平衡率分別為x ，y，a，b，混合後炸藥的氧平衡值為C，

則 x+y=100%

ax+by=c

例題：銨油炸藥

x+y+4=100 x＝92.21

0.2x-3.42y-1.37×4＝0 y＝3.79

（五）研究氧平衡的意義

1.是研究炸藥爆炸反應的基礎；

2.是設計混合炸藥配方的依據；

3.是確定炸藥使用條件的依據。

　　隻有　　　　　放熱量最大

　　　　　　不利於發揮最大威力

　　　　　　產生有害氣體，催化沼氣爆炸

所以，應該將炸藥設計為不大的正氧平衡

多餘的氧，用來氧化包裝紙及紙上的蠟、炮眼中的煤粉　　　　　　

（六）炸藥的爆熱、爆溫和爆熱

1.爆熱：

單位質量的炸藥在定容條件下爆炸所釋放的熱量，用Kj/mol表示

是氣體膨脹做功的能源。700－1500千卡/kg

2.爆溫：　單質炸藥：3000－－5000℃

　　　　　混合炸藥：2000－－2500℃

3.爆壓：幾萬－－十幾萬大氣壓

作業

1.說明化學爆炸三要素。

2.說明研究氧平衡的意義。

3.名詞：氧平衡　　正氧平衡　零氧平衡　

　負氧平衡