Γιατί τα εκρηκτικά έχουν άζωτο μέσα τους;

Το άζωτο χρησιμοποιείται σε εκρηκτικά επειδή είναι βασικό συστατικό για την πρόκληση ταχείας εξώθερμης αντίδρασης. Η ταχεία φύση της αντίδρασης παράγει μια έκρηξη ενέργειας με τη μορφή θερμότητας και φωτός, η οποία είναι αρκετά ισχυρή ώστε να σαρώνει ανθρώπους, δέντρα και αυτοκίνητα μαζί της.

Η χρήση αζώτου σε ένα εκρηκτικό είναι ειρωνική επειδή ένα μόριο αερίου αζώτου (N2) αντιπροσωπεύει έναν από τους πιο σταθερούς δεσμούς που έχουμε ανακαλύψει ποτέ. Εάν το άζωτο είναι εκρηκτικό, γιατί η ατμόσφαιρα, η οποία είναι κυρίως άζωτο, δεν έχει υποκύψει ποτέ σε καταστροφικές εκρήξεις;

Ωστόσο, αν δεν υπήρχε το άζωτο, ο TNT ή οι δυναμίτες θα ήταν τόσο εκρηκτικοί όσο το τυρί ή η άμμος. Λοιπόν, τι κάνει το άζωτο το μαγικό συστατικό;

Πίστωση φωτογραφίας:Wikipedia

Πώς λειτουργούν τα εκρηκτικά;

Στην καρδιά κάθε εκρηκτικής ύλης βρίσκονται χημικές ουσίες που αναμειγνύονται σε τέλεια αναλογία που συμμετέχουν σε αυτό που ονομάζεται εξώθερμη οξειδοαναγωγή ή αντίδραση αναγωγής-οξείδωσης. Μια αντίδραση οξειδοαναγωγής είναι ένας τύπος χημικής αντίδρασης που απαιτεί από τα αντιδρώντά της να ανταλλάσσουν ηλεκτρόνια. Το αντιδραστήριο που χάνει τα ηλεκτρόνια του λέγεται ότι είναι «οξειδωμένο», ενώ το αντιδρών που αποκτά αυτά τα ηλεκτρόνια λέγεται ότι «ανάγεται». Στην περίπτωση ενός εκρηκτικού, αυτή η συναλλαγή είναι εξώθερμη, που σημαίνει ότι απελευθερώνει θερμότητα μετά την ολοκλήρωση.

Για παράδειγμα, το μείγμα νιτρικού καλίου, άνθρακα και θείου στην τέλεια αναλογία αποτελεί αυτό που είναι ευρέως γνωστό ως πυρίτιδα. Μια χημική αντίδραση πυροδοτείται όταν το μείγμα εκτεθεί σε θερμότητα ή ακόμα και σε έναν απλό σπινθήρα. Τα οξειδωμένα είδη είναι ο άνθρακας και το θείο, ενώ το νιτρικό κάλιο είναι ανηγμένο. Η αντίδραση, επειδή είναι εξώθερμη, απελευθερώνει επίσης μια έκρηξη ενέργειας με τη μορφή θερμότητας και φωτός.

Πυρίτιδα που εκρήγνυται. Φωτογραφία:Wikimedia Commons Συγγραφέας:Mike Slee

Ωστόσο, μια εξώθερμη αντίδραση δεν εγγυάται μια έκρηξη. Η σκουριά του σιδήρου προκαλείται επίσης από μια εξώθερμη αντίδραση οξειδοαναγωγής, αλλά δεν έχω δει ακόμη ένα διαβρωμένο καρφί να εκρήγνυται απότομα. Το κλειδί για την πρόκληση μιας έκρηξης δεν είναι μια οποιαδήποτε εξώθερμη αντίδραση, αλλά μια πολύ γρήγορη. Η σκουριά δεν προκαλεί έκρηξη του σιδήρου επειδή είναι μια εξαιρετικά αργή και παρατεταμένη διαδικασία.

Όταν ένας πυροκροτητής πυροδοτεί την αντίδραση είτε φυσικά, χημικά είτε ηλεκτρονικά, το μείγμα υφίσταται μια μετάβαση φάσης από στερεό ή υγρό σε αέριο. Η θερμότητα που απελευθερώνεται στην αντίδραση αυξάνει τη θερμοκρασία αυτού του αερίου. Ωστόσο, η γρήγορη φύση αυτής της αντίδρασης σημαίνει ότι η μετάβαση και κατά συνέπεια η διαστολή αυτού του αερίου είναι εξαιρετικά γρήγορη.

Φωτογραφία:Wikimedia Commons Συγγραφέας:D.R. Ρίτσμοντ/Στρατός Ηνωμένων Πολιτειών

Ένα μόνο γραμμάριο TNT παράγει σχεδόν ένα λίτρο αερίου σε δευτερόλεπτα, που είναι χίλιες φορές αύξηση όγκου! Επομένως, η ενέργεια και η πίεση που απελευθερώνονται, σχεδόν ακαριαία, διαδίδονται προς τα έξω ως ένα γρήγορο ωστικό κύμα που είναι αρκετά ισχυρό ώστε να σαρώνει ανθρώπους, δέντρα και αυτοκίνητα μαζί του.

Τεράστια σταθερότητα

Το άζωτο είναι ένα κρίσιμο συστατικό ενός εκρηκτικού για τον απλό λόγο ότι οι εξαιρετικά ασταθείς ενώσεις του, όταν διεγείρονται, θα αποσυντεθούν γρήγορα σε αέριο άζωτο, μια γελοία σταθερή ένωση. Ωστόσο, γιατί η παραγωγή μιας σταθερής ένωσης από μια ασταθή ένωση θα πρέπει να απελευθερώνει τόσο εκπληκτική ποσότητα ενέργειας;

Λοιπόν, πριν συνθέσουμε ενώσεις αζώτου όπως η νιτρογλυκερίνη, το κύριο συστατικό του δυναμίτη, ή το τρινιτροτολουόλιο, ευρέως γνωστό με τα αρχικά του TNT, πρέπει πρώτα να σπάσουμε την ένωση αζώτου σε μεμονωμένα άτομα αζώτου. Ο διαχωρισμός μιας σταθερής ένωσης όπως το άζωτο στα συστατικά της είναι σαν να χωρίζεις δύο υγρές σελίδες που έχουν κολλήσει μεταξύ τους:απαιτείται πολλή ενέργεια για να γίνει αυτό. Έτσι, όταν η διαδικασία συμβαίνει αντίστροφα, δηλαδή όταν τα άτομα ανασυνδυάζονται για να σχηματίσουν αέριο άζωτο, η ίδια ποσότητα ενέργειας παράγεται .

Έτσι, μια αντίδραση είναι πιο εξώθερμη όταν παράγει πιο σταθερές ενώσεις. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, ενώ το οξυγόνο είναι προφανώς απαραίτητο για την καύση, τα εκρηκτικά είναι γεμάτα με αυτό επειδή οι ενώσεις του, όπως το άζωτο, αποσυντίθενται γρήγορα για να σχηματίσουν μόρια οξυγόνου, ένα εξίσου σταθερό μόριο. Ένα άλλο εκρηκτικό αγαπημένο είναι το carbon.

Παρόλο που η βενζίνη, η οποία επίσης ενισχύει αυτά τα στοιχεία, διαθέτει περισσότερη δυναμική ενέργεια από τον TNT, η τελευταία εκρήγνυται επειδή, πρώτα απ 'όλα, είναι εξαιρετικά ασταθής και δεύτερον, όπως αναφέρθηκε, λόγω της ταχύτητας της αντίδρασης, λόγω της υψηλής ταχύτητας με την οποία η ενέργεια και τα αέρια απελευθερώνονται.

Στην πραγματικότητα, για να παρακολουθήσετε την οργή του αζώτου, απλώς ρίξτε λίγο υγρό άζωτο σε ένα μπουκάλι και υποβάλετέ το σε θερμοκρασία δωματίου. Η τρομερά πυκνή, ασταθής ένωση θα μετατραπεί γρήγορα σε αέριο άζωτο. Ένα μπουκάλι που δεν είναι αρκετά ισχυρό για να καταπνίξει αυτή τη διαστολή θα ξεσπάσει εύκολα. Ωστόσο, ένα μπουκάλι αρκετά ισχυρό για να καταπνίξει την έκρηξη θα το πίεζε στην πραγματικότητα, με αποτέλεσμα να το πυρπολήσει. Η φαινομενικά αβλαβής πράξη θα καταλήξει τελικά σε ένα ξαφνικό Kaboom!