Страница 92 из 214
Ba(NO3)2 + 5Мg = BaO + N2 + 5МgО
Из уравнения определяем рецепт состава — 68 % Ba(NO3)2 и 32 % Mg. Полученный состав используется в качестве фотосмеси. При недостатке окислителя в смеси, магний сгорит за счет кислорода воздуха, поэтому количество окислителя может быть уменьшено ниже 68 %, однако, интенсивность горения такой смеси будет ниже, чем составленной по уравнению. Мощность светового излучения в импульсе окажется также несколько ниже. При составлении уравнений горения составов, содержащих уголь или органическое горючее, можно вести расчет либо на полное окисление горючего с образованием углекислого газа и воды, либо, при уменьшенном содержании окислителя, рассчитывать на образование воды и окиси углерода. Для примера составим уравнения реакции горения нитрата калия и идитола для обоих случаев.
12KNO3 + C13H12O2 = 6К2O + 6N2 + 13СO2 + 6Н2O реакция протекает до образования двуокиси углерода, рецепт смеси — 86 % KNO3 на 14 % идитола.
34KNO3 + 5C13H12O2 = 17К2O + 17N2 + 65СО + 30H2O реакция протекает до образования окиси углерода, рецепт смеси — 77 % KNO3 на 23 % идитола.
Уравнения только в известной мере соответствуют действительности, поскольку при горении смесей нитратов с органическими горючими образуются и некоторые количества нитрита и окиси калия, а при соединении окиси калия с углекислым газом образуется и карбонат калия.
Подбор коэффициентов при расчете смесей с органическими горючими требует много времени, в связи с этим А.Н. Демидовым было предложено пользоваться таблицами, в которых указано сколько граммов окислителя потребуется для выделения 1 грамма активного кислорода и какое количество горючего может быть окислено 1 граммом этого кислорода до высших окислов. Эти таблицы составлялись следующим образом. Известно, что в условиях горения составов, например, перхлорат аммония, разлагается по уравнению:
2NH4ClO4 = N2 + 2НСl + 3Н2O + 2,5O2
Из уравнения, масса ПХА составляет 235 г, масса выделившегося кислорода 80 г.
Составляя пропорцию 235 г.: 80 г = хг.: 1 г, находим х = 2,93 г. Таково количество ПХА, выделяющее при разложении 1 г кислорода.
Окисление алюминия протекает по уравнению:
2Аl + 1,5O2 = Аl2O3
Масса алюминия 54 г, масса кислорода для его окисления 48 г. Из пропорции 54 г.: 48 г. = х г.: 1 г находим х = 1,12 г, то есть количество алюминия, который может быть окислен 1 г кислорода.
Пример работы с таблицами: Найти рецепт реактивного горючего (без цементатора) состоящего из ПХА и алюминия.
В графе 7 таблицы 1 находим для ПХА число 2,93, а в графе 6 таблицы 4 число 1,12 для алюминия, эти числа в сущности выражают массовые количества компонентов, входящих в смесь, выраженные в граммах.
ПХА 2,93 г, алюминий 1,12 г, всего смеси: 2,93 г + 1,12 г = 4,05 г. Составляем пропорцию: 4,05 г / 100 % = 2,93 г / х %, где х равен 72 %, то есть количеству ПХА в смеси. Рецептура смеси — 72 % NH4ClO4, 28 % Аl.
Рассмотренная смесь имеет характер примера, так как металлическое горючее в полученном количестве вводить в реактивные топлива нецелесообразно по причинам, рассмотренным в разделе "Реактивные топлива". А для получения достаточной механической прочности заряда необходимо введение значительного количества горючего, служащего одновременно цементатором. Таким образом, реально необходимо рассчитать не двойную, а тройную смесь веществ.
Расчет тройных и многокомпонентных смесей
В некоторых случаях тройные смеси можно рассматривать как состоящие из двух двойных смесей содержащих в себе один и тот же окислитель. Однако это сравнение весьма приблизительно, так как наличие в составе двух разных горючих может резко изменить направление реакции и тогда этот подход становиться неприемлемым.
Так, например, в случае состава нитрат бария + алюминий + сера в результате его горения происходит взаимодействие между алюминием и серой с образованием Аl2O3 и SO2. В состав продуктов горения такого состава могут входить также: ВаО, Аl2O3, Ва(АlO2)2, BaS, BaSO4, Al2S3, SO2, N2 и другие.
Состав продуктов горения зависит не только от соотношения компонентов в составе, но и от условий горения: давления, начальной температуры, условий теплоотвода и теплопередачи, плотности состава и так далее. При весьма приближенных расчетах тройных смесей, содержащих в себе окислитель, металлическое горючее и органическое горючее, например, какой-либо цементатор может использоваться следующий прием.
Пример: найти рецепт тройной смеси нитрат бария + магний + идитол. Составляя уравнение реакции или используя таблицы Демидова, находим рецептуры двойных смесей:
1. 68 % Ba(NO3) 2 на 32 % Mg.
2. 88 % Ba(NO3) на 12 % идитола.
Считая, что содержание 4 % идитола в составе обеспечивает достаточную механическую прочность осветительной звездки, выбираем соотношение двойных смесей равным 2:1, осуществляем расчет (число 3, стоящее в знаменателе приводимых дробей, получается при сложении массовых частей обоих смесей).
Нитрат бария… (68∙2)/3 + (88∙1)/3 = 75%
Магний… (32∙2)/3 = 21%
Идитол… (12∙1)/3 = 4%
Очевидно, что выбранное наудачу соотношение между двумя двойными смесями не является оптимальным и требует экспериментального уточнения с учетом достижения максимального специального эффекта, ожидаемого от осветительных составов. Можно привести еще несколько примеров составления рецептур тройных составов, однако, в любом случае окончательную точку ставит эксперимент.
Для практической работы проще составить рецепт основной смеси, а затем экспериментально подобрать количество вспомогательного вещества, являющегося горючим, одновременно корректируя введение окислителя в большую сторону. Достаточно сказать, что рецептура типичного тройного состава черного пороха была подобрана задолго до возникновения химической науки, причем эта рецептура практически не изменилась по сию пору.
Расчет составов с отрицательным кислородным балансом
Во многих случаях специальный эффект пиротехнических составов повышается, если в процессе горения горючее окисляется не только кислородом окислителя, но также и кислородом воздуха. В этом случае повышается теплота горения состава, которая при прочих равных условиях тем больше, чем больше в нем будет содержаться полностью сгорающего горючего и меньше окислителя. Это возможно тогда, когда в окислении принимает участие кислород воздуха, который должен легко окислять применяемое в составе горючее.
Наиболее распространенным горючим, сгорание которого в составе может происходить также и за счет кислорода воздуха, является магний. Во многих случаях могут применяться составы, где лишь половина магния окисляется за счет кислорода окислителя, другая же половина сгорает за счет кислорода воздуха.
Трудноокисляемые горючие (грубодисперсные частицы алюминия, кремния) должны полностью окисляться кислородом окислителя, так как они не могут полностью сгореть за счет кислорода воздуха.
Количество горючего, которое может сгореть за счет кислорода воздуха определяется опытным путем, сжиганием исследуемого горючего с различным количеством окислителя и последующим анализом продуктов горения. Пиротехнические составы, содержащие в себе избыток окислителя сверх того, что необходимо для полного окисления горючего, называют составами с положительным кислородным балансом, однако, избыток окислителя, не участвующий в процессе горения, является безусловно вредным и в пиротехнике практически не применяется кроме специальных случаев, например, в хлоратных кислородных свечах (смотри раздел "Пиротехнические источники газов").