Краткий курс пиротехники

Инж. А.А. ФРЕЙМАН

КРАТКИЙ КУРСПИРОТЕХНИКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

ОБОРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

______________________________________

Москва – 1940

В книге кратко изложена теория пиротехники, описаны пиротехнические составы, сырье и вспомогательные материалы, а также приведены основные сведения об устройстве, действии и технологии пиротехнических средств.

В издаваемой книге собраны и систематизированы все основные материалы по пиротехнике, что дает возможность использовать ее в качестве учебного пособия для слушателей техникумов и сети рабочего образования.

Редактор Е.Н.Сильвановская Тех.редактор И.М. Зудакин

Сдано в набор 14/11-1940 г. Подписано к печати 19/VII-1940 г. Тираж 10000.

Печ.листов 9 ½. Формат бумаги 60*92 1/18. №А30718. Учетн.авт.л. 10,7. Учетн. № 617. Зак. № 49

Типография Оборонгиза, Киев, Крещатик, 42.

ГЛАВА 1

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Пиротехника - специальная отрасль техники, к области которой относятся производство и изучение различных веществ и смесей веществ, образующих при сгорании цветной или яркий белый огонь, дым или дающих звуковые эффекты и зажигательное действие.

Слово «пиротехника» происходит от греческих слов «пир» (огонь) и «техне» (искусство, ремесло) и означает уменье изготовлять горючие изделия.

Эта отрасль техники получила быстрое развитие сравнительно недавно. Бурное развитие военной промышленности во всех странах в начале 20 века вызвало и быстрое развитие пиротехники.

Пиротехнические изделия делятся на две основные группы: 1) изделия военной пиротехники; 2) изделия мирной пиротехники.

Военная пиротехника занимается изучением и изготовлением осветительных, зажигательных, сигнальных, трассирующих и имитационных средств. Мирная пиротехника занимается изучением и изготовление средств для фейерверков.

§ 2. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Огнем как средством защиты и нападения люди пользовались еще в глубокой древности. Огневые средства в военных целях применялись задолго до нашей эры. Впервые их использовали китайцы, войска которых были снабжены «огненными повозками». Эти повозки представляли собой метательные машины, которые выбрасывали горшки с горящим зажигательным составом и горящие шары.

Огонь служил также и для целей сигнализации. Дикари пользовались кострами для передачи сообщений на большие расстояния, древние персы создали систему сигнализации при помощи факелов; эта система положила начало развитию современных методов оптической сигнализации, которая применяется и до настоящего времени.

Более подробные сведения о древней пиротехнике можно найти в описаниях Энея, жившего за 360 лет до нашей эры. Он описывает зажигательный состав из смолы, серы, ладана, пакли и стружек, который подожженным в горшках выбрасывали на войска неприятеля.

В литературе, относящейся к концу IV в. нашей эры, встречаются описания зажигательных стрел с оболочками, наполненными горючими веществами (смолой, серой, паклей, нефтью). Нефть как горючее и зажигательное средство применяли еще во времена Александра Македонского.

Начиная приблизительно с VII в. появляются сообщения о «греческом» и «морском» огне.

Греки готовили составы для этого огня из смеси различных легковоспламеняющихся веществ. Рецепты таких составов хранились в глубокой тайне, - они обеспечивали византийцам победы над врагами. В эти составы входили вера, винный камень, клей, смола, нефть и другие горючие вещества. Иногда в эти составы входили негашеная известь, вызывающая самовоспламенение состава при соприкосновении его с водой. Составы с негашеной известью обычно имели удельный вес меньше единицы и могли держаться на воде. Самовоспламенение этих составов при соприкосновении с водой объясняется тем, что под действием тепла, выделяющегося при гашении извести, воспламеняются легко горючие компоненты состава, в частности, легкие углеводороды, находящиеся в сырой нефти.

«Морской» огонь состоял из перемешанных в спирте порошкообразной серы, винного камня, поваренной соли. Горящим «морском» огнем обливали корабли противника с помощью «сифонов».

Твердые горящие составы в глиняных сосудах выбрасывались на противника метательными машинами.

Однако, метание зажигательных составов на большие расстояния было затруднительно. Позднее для этой цели использовали животных и птиц. К ним привязывали сосуды с зажигательными составами, составы поджигали и животных или птиц направляли во враждебные укрепления. Но использование животных и птиц было небезопасно: они могли занести пламя и в войска или строения той стороны, которая их использовала для нанесения ущерба противнику. Например, в 1422 г. лекарь Гуситов сгорел от своих птиц с горящими сосудами, пущенных во враждебный стан.

Для поджогов на территории противника применяли также зажигательные движущиеся пиротехнические изделия (типа ракеты), снаряженные зажигательным составом

Однако горение известных в то время зажигательных средств на воздухе не давало достаточного эффекта: пламя можно было сравнительно легко порушить. Применение веществ, содержащих кислород, например селитры, значительно увеличило возможности пиротехники. По литературным данным, селитра из Китая была завезена приблизительно в XIII в. в магометанские страны. Ко второй половине XIII в. относятся сообщения о появлении нового состава из серы, селитры и угля, т.е. черного пороха, который, очевидно, вначале использовался как зажигательное средство. В XIV в. в Германии появились первые орудия, основанные на баллистическом применении черного пороха.

Развитие пиротехнических средств шло по пути подбора составов и регулирования их действия на основе, главным образом,

опытных данных. Появились такие средства воспламенения, как фитили, стопин и др.; зажигательные средства выбрасывались с помощью пороха. Позднее применялись специальные ракеты (зажигательные, системы Конгрэва) и другие изделия боевой пиротехники.

Развитие пиротехники шло и по линии фейерверков. Индусы издавна устраивали фейерверки в дни религиозных праздников. Первый в Европе фейерверк был сожжен в Италии в конце XIV в. В XV- XVI I вв. фейерверки применяли в европейских странах в качестве народного увеселения. Они имели большой успех. В те времена для фейерверков употребляли селитро-серные составы, которые давали очень слабо окрашенные огни. Только в XIX в., после открытия хлорновато-калиевой соли, стали появляться яркие фейерверочные огни различных цветов. Во второй половине XIX в. для фейерверков начали применять магний.

В России устройство фейерверков началось с XVIII в.

§3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПИРОТЕХНИКИ

К началу империалистической войны 1914 г. на вооружении уже было немало различных пиротехнических изделий. Например, в Германии в 1918 г. было выработано около 6 млн. осветительных и сигнальных патронов 4-го калибра. Во время войны выявилось большое значение различных средств военной пиротехники. По силе морального воздействия на людей и по своему разрушительному действию зажигательные средства представляют собой очень мощное и грозное оружие.

С развитием авиации большое значение приобрели зажигательные авиабомбы, которые позволяют устраивать пожары в тылу противника. В 1917 – 1918 гг. город Реймс был бомбардирован зажигательными бомбами; от них Реймс пострадал больше, чем за время войны. Зажигательные средства вызывают массовые пожары в крупных городах.

Ведение современного боя в ночное время вызывает необходимость в различных осветительных средствах; из них наиболее важны осветительные снаряды. Имеются специальные пиротехнические осветительные составы, дающие настолько мощные источники света, что при них возможно производить ночью фотосъемку.

Трассирующие средства, оставляющие на траектории своего полета видимый след, огненный или дымовой, имеют также большое применение в современной войне. Развитие боевой авиации и автоброневых и боевых мотомеханизированных средств вызывает необходимость в специальных средствах для пристрелки по движущимся целям.

Пиротехнические средства связи (сигнальные) незаменимы в боевых условиях для передачи условных сообщений на расстояние.

Пиротехника имеет очень большое значение и для научно-исследовательских работ. При изучении стратосферы используются дымовые шашки, поднимаемые на специальных шарах-зондах; на

определенной секунде времени подъема догорает замедлитель дымовой шашки, и она образует облако дыма. Наблюдения за этим облаком дают ценные научные данные о многих явлениях в стратосфере. Пиротехнические сигнальные средства используются с большим успехом в дальнейших арктических экспедициях.

Во время учебных маневров армии и при войсковом обучении большую роль играют пиротехнические имитационные средства, которые употребляются взамен боевых; например, взрывы шрапнельных и фугасных снарядов имитируются так называемыми взрывпакетами.

Современное пиротехническое производство основывается теперь не только на опытных данных о приготовлении составов и конструкции изделий. Современная пиротехника основывается на всех достижениях химических, физических и специальных военных наук. Основное внимание современных пиротехников направлено на изучение физико-химических процессов, происходящих при действии составов, свойств компонентов, на научно обоснованный выбор новых зажигательных средств и конструкции пиротехнических изделий.

§ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

все пиротехнические изделия, как было сказано, можно разделить по характеру их применения на две основные группы: изделия военной пиротехники и изделия мирной пиротехники.

Изделия военной пиротехники можно отнести к следующим подгруппам: 1) осветительные; 2) сигнальные: а) ночного действия, б) дневного действия; 3) зажигательные; 4) трассирующие; 5) имптационные. В каждую из перечисленных групп входят различные изделия.

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.

Для придания составу механической прочности добавляются особые вещества, обладающие способностью склеивать (или связывать) состав при уплотнении или прессовании его. Такие вещества называются цементаторами, или с в я з ы в а ю щ и м и в е щ е с т в а м и. Обычно они одновременно являются и горючими; это – готовые лаки, олифа, смолы (с добавлением в составы растворителей) и др .

Иногда для уменьшения активности состава или уменьшения чувствительности отдельных компонентов к механическим и тепловым импульсам к составам прибавляют вещества, способные замедлять процессы горения; такие вещества называются ф л е г м а т и з а т о р а м и. К их числу относятся парафин, канифоль, некоторые масла и др.

Разберем пример составления сигнального состава, дающего пламя красного цвета. Для окрашивания пламени возьмем в состав 20% (от всего состава) углекислого стронция SrCO₃. В качестве окислителя возьмем хлорат калия KCIO₃; в качестве горючего – шеллак С₁₆Н₂₄О₅, который одновременно служит цементатором.

При температуре разложения углекислый стронций разлагается по уравнению:

SrCO₃ SrO + CO₂.

Продукты разложения

SrCO

₃

вполне окислены и поэтому не нуждаются в окислителе. Следовательно, окислитель требуется только для того, чтобы дать кислород на сгорание шеллака (горючего), т.е. имеется двойная смесь из хлората калия и шеллака:

KCIO₃ + C₁₆H₂₄O₅.

Напишем уравнение разложения хлората калия:

KCIO₃ KCI + 3 О. (1)

Напишем уравнение горения шеллака в кислороде до полного сгорания в углекислый газ:

C₁₆H₂₄O₅ + 39 О 16СО₂ + 12 Н₂О (2)

Уравняем коэффициенты кислорода в уравнениях (1) и (2), для чего умножим уравнение (1) на 13. получим:

13 KCIO₃ 13 KCI + 39 О.

Сложив полученное уравнение с уравнением (2), получим:

C₁₆H₂₄O₅ + 13 KCIO₃ 13 KCI + 16СО₂ + 12 Н₂О

Из этого уравнения найдем количества C₁₆H₂₄O₅ и KCIO₃ в двойной смеси.

1 граммолекула C₁₆H₂₄O₅ составляет 296,2 г.; 13 граммолекул KCIO₃ составляют 13*122,56 г. = 1593,8 г. Всего смеси 1890 г.

Переводя в проценты, получим:

для хлората калия

для шеллака

Но в состав входит 20% углекислого стронция и только 80% рассчитанной нами двойной смеси. Следовательно, каждого компонента двойной смеси тоже будет по 80% от полученных нами величин, а именно: хлората калия 84,3*0,8=67,44%; шеллака 15,7*0,8=12,56%.

Общий рецепт будет таким (проц.):

SrCO₃ ……………………… 20

KCIO₃ ……………………. 67,44

C₁₆H₂₄O₅……………………. 12,56

§ 5. НАЧАЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС И ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Для воспламенения пиротехнического состава необходимо затратить какое-то количество энергии, которое обычно называется н а ч а л ь н ы м и м п у л ь с о м. Во многих случаях от характера начального импульса зависит характер реакции сгорания пиротехнического состава.

В качестве начального импульса могут быть использованы: механическая энергия (удар, трение), лучистая (ультрафиолетовые лучи, свет), тепловая, химическая энергия.

Часто действие различных видов энергии сводится к воздействию тепловой энергии, например, при ударе и трении развивается повышенная температура; то же происходит и при воздействии крепкой серной кислоты на состав: при химической реакции между кислотой и отдельными компонентами состава тоже выделяется тепло.

Иногда один и тот же состав при воспламенении его от искры сгорает сравнительно медленно, а при более мощном начальном импульсе реакция протекает со взрывом.

Каждый состав или основная смесь воспламеняются при определенной температуре. Эта температура – очень важная характеристика состава; знание ее позволяет установить безопасный режим работы при производстве и применении данного состава.

Рис. 1. Прибор для определения температуры самовоспламенения.

1- железная баня;

2- испытуемый состав;

3- сплав Вуда;

4- электронагрев;

5- латунный футляр;

6- 6- термометр.

Температура, при которой начинается горение состава под действием пламени, называется т е м п е р а т у р о й в о с п л а м е н е н и я .

Но, иногда, состав, подвергающийся нагреву, может самовоспламениться без воздействия огня. Температура, при которой в определенных условиях нагрева состав самовозгорается. Называется т е м п е р а т у р о й с а м о в о с п л а - м е н е н и я. Эта температура для каждого состава определяется следующим опытом (рис. 1).

В металлическую пробирку 2 помещают 0,5 г состава. В железной бане 1 расплавляется сплав Вуда. Когда температура в бане достигнет 100 градусов , в сплав Вуда погружают пробирку с составом приблизительно на 0,3 ее длины. Далее баню нагревают с такой интенсивностью, чтобы температура ее повышалась на 20 градусов в минуту, и отмечают температуру в момент самовоспламенения состава.

При испытании различных составов установлено, что некоторые осветительные составы самовоспламеняются при температуре около 330 градусов, цветные хлоратные составы – около 215-225 градусов. Хлорат сильно понижает температуру самовоспламенения состава.

§ 6. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Чувствительность пиротехнических составов к действию начального импульса – к огню, и удару и к трению – зависит от химических свойств компонентов, от степени их измельчения, от плотности состава и от примесей к компонентам. Характеристика чувствительности составов чрезвычайно важна как с точки зрения применения их в различных изделиях, так и для разработки безопасного режима производства и обработки в заводских условиях.

Чувствительность состава определяется экспериментально.

Увеличение степени измельчения компонентов увеличивает чувствительность состава. Это явление можно объяснить тем, что увеличивается поверхность реагирующих компонентов, а это облегчает условия возбуждения реакции горения.

С увеличением плотности чувствительность состава уменьшается. При большой плотности энергия, сообщаемая начальным импульсом, распределяется на относительно большую массу, и эффективность воздействия на отдельные части состава несколько снижается.

Примеси в основных компонентах влияют на чувствительность состава двояко. Некоторые примеси увеличивают ее, другие уменьшают. Твердые примеси с острыми краями (песок, осколки стекла, твердые металлические стружки и т.п.) увеличивают чувствительность состава к трению. Другие примеси, способные обволакивать частицы компонентов, входящих в состав, наоборот, уменьшают его чувствительность. Так действуют парафин, олифа, касторовое масло, канифольный лак и некоторые другие вещества, называемые ф л е г м а т и з а т о р а м и.

Некоторые инертные примеси, например кизельгур, понижают чувствительность состава, воспринимая часть энергии, сообщаемой составу каким-либо начальным импульсом.

Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь с о с т а в о в к д е й с т в и ю о г н я, т. е. в о с п л а м е н я е м о с т ь, определяется действием луча огня от горящего бикфордова шнура или от газовой горелки. Бикфордов шнур состоит из хлопчатобумажной оплетки с запрессованным внутри пороховым столбиком.

Для испытания бикфордовым шнуром небольшую навеску состава (о,1 –0,2 г) помещают на дно пробирки, неплотно закрытой пробкой; в пробирку вставляют отрезок бикфордова шнура. Наибольшее расстояние между концом шнура и поверхностью состава, при котором последний воспламеняется, может служить мерой чувствительности состава. Хлораты повышают чувствительность составов к огню.

Чувствительность составов к огню газовой горелки определяется на специальном маятниковом приборе (рис. 2).

Небольшое количество испытуемого состава насыпается в железную чашечку b вровень с ее краями. Чашечка находится на нижнем конце маятника, который, качаясь, проходит через пламя бунзеновской горелки a. При этом по шкале отмечается либо начальное положение маятника (т.е. угол его отклонения), при котором первое качание его даст воспламенение состава, либо то количество качаний при данном угле отклонений, которое потребуется для воспламенения состава.

Данные испытаний пиротехнических составов на чувствительность к воспламенению, приводимые в статье Ленце и др. (перевод в сбор-

нике «Пиротехния» № 1), показывают, что результаты, получаемые двумя описанными выше способами, соответствуют друг другу. Хлоратные составы сравнительно легко воспламеняются при обоих испытаниях. Составы, содержащие в качестве окислителя нитраты, воспламеняются труднее. Сравнительно легко воспламеняются составы, содержащие пороховую мякоть.

Чувствительность пиротехнических составов к удару определяется на приборе, называемым копром. Он устроен следующим образом (рис. 3). Между двумя неподвижными рельсами 1 свободно скользит стальной груз 2 (вес его можно брать 2,5 или 100 кг). Груз в верхней части заканчивается головкой, зажимаемой между стальными лапками выключателя. Специальным приспособлением выключатель с грузом можно перемещать на различную высоту, измеряемую по шкале. Под рельсами на прочном фундаменте помещается стальная наковальня 3, на которой установлен штемпельный приборчик Каста (рис. 4).

Приборчик Каста состоит из стальной наковальни 1 с основанием, стального бойка 2 с головкой и стальной направляющей муфты 3. ударные поверхности бойка и наковальни обычно хорошо пришлифовываются.

Небольшая навеска состава помещается между ударными поверхностями наковальни и бойка. Груз ударяет по головке бойка; чтобы отскочивший при ударе груз не упал вторично, его удерживает специальное приспособление.

В зависимости от чувствительности состава, веса груза и высоты его падения состав при ударе может воспламениться или дать отказ. Иногда за меру чувствительности принимается процент воспламенений (или взрывов) состав при 20 или более испытаниях ударом одного и того же груза с той же высоты. Можно также принимать за меру чувствительности величину работы удара груза, вызывающего воспламенение. При опытах установлено, что наибольшей чувствительностью обладают составы с хлоратом бария.

Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь п и р о т е х н и ч е с к и х с о с т а в о в к т р е н и ю обычно определяется простым растиранием маленькой навески состава в фарфоровой ступке. Вспышки при этом доказывают, что состав чувствителен к трению. Этот способ прост, но недостаточно точен и объективен. Между тем большинство составов в производственных процессах подвергаются трению, и очень важно найти более точный способ определения чувствительности составов к трению.

§ 7. СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Под скоростью горения обычно понимают время в секундах, в течение которого горение распространяется на 1 см длины изделия из определенного состава. Различные пиротехнические составы горят с разной скоростью; она зависит от многих причин. Если рассмотреть с к о р о с т ь г о р е н и я о с н о в н о й д в о й н о й с м е с и, можно установить зависимость этой скорости от следующих основных факторов: а) от свойств окислителя и горючего; б) от величины зерен каждого компонента, в) от плотности смеси.

а) С в о й с т в а к о м п о н е н т о в – важнейший фактор, влияющий на скорость горения. Например, хлораты со всеми горючими дают смеси, горящие значительно быстрее, чем нитраты с теми же горючими.

К быстро горящим смесям можно отнести:

KCIO₃ + S,

KCIO₃ + C,

KCIO₃ + сахар,

KCIO₃ + шеллак,

Ba(CIO₃)₂ + S,

KNO₃ + C.

К медленно горящим смесям относятся:

KCIO₃ + канифоль,

Ba(CIO₃)₂ + канифоль,

Ba(NO₃)₂ + шеллак,

Sr(NO₃)₂ + идитол.

б) С т е п е н ь и з м е л ь ч е н и я к о м п о н е н т о в, или величина их зерен, влияет на скорость горения смеси следующим образом: чем мельче зерна компонентов, тем больше скорость горения. Большая степень измельчения увеличивает поверхность горения и ускоряет процесс.

в) У в е л и ч е н и е п л о т н о с т и с м е с и обычно уменьшает скорость ее горения, затрудняя распространение реакции горения внутрь состава. Однако для многих смесей существует некоторый предел плотности, после которого увеличение ее уже не изменяет скорости горения.

При прибавлении к основной двойной смеси различных компонентов для образования состава скорость горения его изменяется. Это изменение зависит от всех разобранных выше факторов, от свойств добавок и характера взаимодействия между компонентами

состава. Поэтому изучение скорости горения многокомпонентных составов значительно сложнее, чем изучение горения основных двойных смесей.

Некоторые добавки, не участвующие в реакции горения, замедляют процесс. Такими замедлителями могут служить инертные, негорючие вещества – инфузорная земля и др. Иногда для ускорения реакции горения в состав вводят ускорители, или так называемые а к т и в а т о р ы, например, перекись марганца. Иногда для регулирования скорости горения смешивают две или несколько смесей, имеющих разные скорости горения.

Если при этом две смеси имеют один и тот же окислитель или горючее, получается так называемая т р о й н а я с м е с ь. Примером тройной смеси из одного окислителя и двух горючих является дымный порох, состоящий из калиевой селитры, серы и угля. Такие тройные смеси обычно имеют значительно большую скорость горения, чем каждая из исходных двойных смесей. Это явление можно объяснить схематично следующим образом. В первый момент возникновения горения начинает гореть горючее, имеющее большее сродство с кислородом; при этой реакции выделяется тепло, которое улучшает скорость горения второго горючего. Горение его будет в свою очередь способствовать более энергичному горению первого горючего. Таким образом процесс сравнительно быстро развивается, и скорость горения значительно возрастает. Следовательно, при горении тройной смеси реакция проходит чрезвычайно энергично, скорость горения значительно превышает скорость горения двойных смесей.

Дымный порох можно рассматривать как состав, образованный двумя двойными смесями:

1-я смесь – калиевая селитра KNO₃ + уголь С;

2-я смесь – калиевая селитра KNO₃ + сера S.

Первая смесь имеет скорость горения 5 см/сек. Вторая смесь при обыкновенных условиях совсем не загорается, а нагревается до 100 градусов горит слабо. Тройная смесь (порох) горит со скоростью 1 – 0,6 см/сек.

Экспериментально скорость горения наиболее просто определяется следующим образом. Состав прессуется в виде цилиндра определенных размеров, воспламеняется от определенного начального импульса, и с помощью секундомера определяется продолжительность его горения.

§ 8. ИЗУЧЕНИЕ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

В результате сгорания пиротехнического состава получается газообразные и твердые продукты. Изучение их позволяет точно установить ход реакции, изучить процесс их горения и на этой основе видоизменить состав в соответствии с требованиями, предъявляемыми к нему.

Обычно исследуют: а) продукты сгорания, б) объем газов, в) вес твердых продуктов (шлаков).

Х и м и ч е с к и й а н а л и з п р о д у к т о в с г о р а н и я производится после охлаждения их. Состав сжигается в герметически закрытом специальном приборе, затем его охлаждают до комнатной температуры и через отвод улавливают образовавшиеся при реакции газы, а затем прибор открывают и из него извлекают твердые продукты.

О б ъ е м о б р а з о в а в ш и х с я г а з о в м о ж н о о п р е д е л и т ь о п ы т н ы м п у т е м и т е о р е т и ч е с к и н а о с н о в а н и и р а с ч е т а.

Определить объем газов опытным путем в процессе горения при температуре, иногда доходящей до 2000 – 3000 градусов, практически невозможно. Это определение производится в особых герметически закрытых приборах, после охлаждения их до нормальной комнатной температуры, как указано выше. Кроме того, объем полученных газов может быть рассчитан по увеличению давления, отмечаемого манометром. Можно также перевести газы в газометр, в котором их объем отсчитывается после приведения к атмосферному давлению.

Теоретический расчет объема газов производится по уравнению реакции горения пиротехнического состава. Основанием для расчета служит закон Авогадро-Жерара. По этому закону «в равных объемах газов при одинаковых условиях давления и температуры содержится одинаковое количество молекул». Следовательно, объем 1 граммолекулы газа при определенных условиях давления и температуры будет величиной постоянной для всех газов, независимо от их свойств и состава.

Вычислено, что при температуре 0 градусов и давлении 760 мм. рт. ст. объем 1 граммолекулы газа 22,4 л. Отсюда, зная количество граммолекул газов, выделившихся в результате реакции горения пиротехнического состава, легко определить их объем.

Разберем сказанное на примере.

Требуется определить объем газов, выделившихся в результате сгорания пиротехнической двойной смеси, состоящей из нитрата калия (селитры) и угля. Реакция горения будет выражаться уравнением:

4 KNO₃ + 5 C 2 K₂CO₃ + 3 CO₂ + 2 N₂

Количество молекул газообразных продуктов:

3 + 2 = 5 моль.

Следовательно, объем газов, выделившихся при сгорании 4 граммолекул селитры и 5 граммолекул углерода:

5 * 22,4 = 112 л.

Для вычисления объема газообразных продуктов реакции, выделившихся в результате сгорания 1 кг состава, найденную выше величину нужно умножить на 1000 и разделить на число, выражающее сумму молекулярных весов компонентов, входящих в состав в соответствующих количествах:

где 101 – молекулярный вес KNO₃;

12 – атомный вес С.

Исходя их уравнения реакции, можно определить и вес образующихся в результате ее твердых продуктов. Разберем, например, реакцию горения дымного пороха, состоящего из смеси калиевой селитры KNO₃ серы S и угля С. Реакцию разложения пороха можно выразить уравнением:

10 KNO₃ +4 S + 12 C = 8 CO₂ + 3 CO + 5 N₂ + K₂CO₃ + 2 K₂SO₄ + K₂S. (1)

Сначала по известному уже нам способу определим объем газов. Количество молекул газов будет:

8 + 3 + 5 = 16 мол.

Следовательно, из 1 кг пороха выделится:

л газов;

здесь 1282 – сумма молекулярных весов компонентов пороха в соответствующих количествах.

Но в результате реакции, кроме газообразных продуктов, образовались и твердые продукты K₂CO₃, K₂SO₄ и K₂S с количеством молекул в каждом по уравнению (1). Следовательно, вес K₂CO₃ будет равен его молекулярному весу, а веса K₂SO₄ и K₂S будут равны их молекулярным весам, умноженным на число граммолекул, т.е. на 2. Итак,

вес K₂CO₃ = 138 г;

вес 2 K₂SO₄ = 2 * 174 = 348 г;

вес 2 K₂S = 110 г.

Следовательно, вес всех твердых веществ 596 г.

Чтобы вычислить количество твердых веществ, получаемое на 1 кг пороха, делим полученный вес на 1282.

Получим:

кг твердых продуктов.

§ 9. ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Химические реакции можно разделить на реакции, которые протекают с выделением тепла, и на реакции, которые протекают с поглощением его. Реакции первого типа называются э к з о т е р м и ч е с к и м и , а второго типа – э н д о т е р м и ч е с к и м и .

Горение пиротехнических составов является экзотермической реакцией.

Образование веществ также происходит в результате либо экзо- либо эндотермических реакции. Выделение при реакции тепла обычно обозначают + Q и поглощение тепла – Q.

Уравнение экзотермической реакции разложения хлората калия можно представить в следующем виде :

KCIO₃ KCI + 3 O + Q,

где Q =11,9 кал.

При соединении некоторых элементов в сложные химические вещества также происходит выделение или поглощение тепла. Для каждого соединения теплота образования ровна теплоте его разложения, но знаки у этих теплот взаимно противоположны. Следовательно, если при образовании воды в жидком виде из атомов водорода и кислорода выделяется Q кал тепла, то для разложения воды на водород и кислород надо затратить тоже Q кал. Сказанное можно условно выразить следующими реакциями:

Реакция эндотермическая, идущая с поглощением теплоты (закон Лавуазье и Лапласа)

Н₂О 2 Н + О – 68,4 кал.

В некоторых случаях одно вещество можно получить различными путями. Изменяя условия, в которых протекает реакция, можно в один прием получать конечные ее продукты, либо, останавливаясь на промежуточных продуктах, дойти до тех же конечных. При этом теплота образования (или разложения) химического соединения будет одной и той же, независимо от того, произошло ли последовательных реакции (закон Гесса). При образовании 1 граммолекулы угольного ангидрида из 1 атома углерода и 2 атомов кислорода выделяется 94,5 кал, т.е.

2О + С СО₂ + 94,5 кал.

При последовательном образовании угольного ангидрида, сначала получая окись углерода из 1 атома углерода и 1 атома кислорода, а затем присоединяя 1 атом кислорода к 1 молекуле окиси углерода, получим сумму теплот образования, также равную + 94,5 кал.

Сказанное выражается уравнениями:

2О + С СО₂ + 94,5 кал. (1)

О + С СО + 26,2 кал. (2)

СО + О СО₂ + 68,3 кал. (3)

Общая сумма теплот образования СО₂ во втором случае 26,2 + 68,3 = 94,5 кал.

Теплота образования одного вещества изменяется в зависимости от того, в каком агрегатном состоянии оно получается.

На основании разобранных выше законов термохимии (учение о теплоте, сопровождающей химические реакции) можно теоретически определить количество тепла, выделившегося при горении или при разложении веществ.

Теплота образования очень многих различных соединений определена и указана в специальных термохимических таблицах.

Теплота горения (или теплота разложения) может быть определена по уравнению:

Q_гор = Q₂ – Q₁,

Где Q_гор - количество калорий тепла, выделившегося в результате реакции горения;

Q₂ – сумма теплот образования конечных продуктов реакции;

Q₁ – сумма теплот образования начальных продуктов реакции.

Теплоту реакции можно определить теоретически или опытным путем.

Разберем примеры теоретического определения теплоты реакции.

О п р е д е л и т ь т е п л о т у р е а к ц и и в з а и м о д е й с т в и я а з о т н о к и с л о г о б а р и я с а л ю м и н и е м.

Уравнение реакции:

3Ba(NO₃)₂ + 10 AI 3 BaO + 5 AI₂O₃ +3 N₂ + Q_гор.

Сумма теплот образования начальных продуктов равна теплоте образования Ba(NO₃)₂, умноженной на число взятых в реакцию его молекул: алюминий – элемент и теплоты образования не имеет. Теплота образования Ba(NO₃)₂ равна 238,2 кал.

Следовательно,

Q₁ = 238,2 * 3 = 714,6 кал.

Сумма теплот образования конечных продуктов реакции представляет собой сумму образования 3 мол ВаО и 5 мол AI₂O₃ равна 389,4 кал.

Следовательно,

Q₂ = 3 * 133,1 + 5 * 389,4 = 2346,3 кал;

откуда

Q_гор = Q₂ – Q₁ = 2346,3 – 714,6 = 1631,7 кал.

Уравнение реакции можно теперь написать более полно:

3Ba(NO₃)₂ + 10 AI 3 BaO + 5 AI₂O₃ +3 N₂ + 1631,7 кал.

Для определения количества тепла, выделяющегося из 1 кг смеси начальных компонентов разделим полученное количество теплоты на сумму их молекулярных весов и умножим на 1000:

кал/кг.

Теплоту разложения окислителя также можно определить теоретически.

У р а в н е н и е р а з л о ж е н и я н и т р а т а к а л и я:

2 KNO₃ K₂O + N₂ + 2,5 O₂.

Теплота образования 1 мол KNO₃ = 119,5 кал; теплота образования 1 мол K₂O = 86,8 кал. Азот и кислород как элементы не имеют теплот образования.

Следовательно, теплота разложения KNO₃

Q = 86,8 – 2 * 119,5 = - 152,2 кал.

При этом считаем, что KNO₃ – начальный продукт реакции, а K₂O, N₂ и O₂ – конечные продукты, которые могут быть получены из KNO₃.

Теплоту горения пиротехнического состава можно подсчитать правильно лишь в тех случаях, когда реакция проходит точно по уравнению и не происходит образования других продуктов, не участвует в реакции кислород воздуха и т.п. Практически, однако, большей частью реакция проходит с некоторыми отклонениями от теории. Поэтому кроме теоретического подсчета обычно необходимо определять теплоту реакции опытным путем. Она определяется в специальном приборе – калориметрической бомбе (рис. 5)

Это прочный стальной цилиндрический сосуд, герметически закрывающийся стальной крышкой. В крышке имеется кран для выпуска газов. Для навески испытуемого вещества внутри бомбы помещается платиновая чашечка С, удерживаемая платиновым стержнем S₁, ввинченным в крышку бомбы. По тонкой платиновой проволочке S₂ пропускают электрический ток для воспламенения состава. Бомба помещается в водяной калориметр (рис. 5а). Вода в калориметре и в рубашке перемешивается мешалками М₂ и М₁. температуру воды измеряют термометрами Т₁ и Т ₂. при сгорании состава внутри бомбы выделяется некоторое количество тепла, повышающее температуру воды в калориметре. Перед опытами определяется так называемый водяной эквивалент калориметрической системы, т.е. количество воды, которое при нагревании на 1° требует столько

тепла, сколько его требует сумма всех деталей калориметра. Водяной эквивалент определяется сжиганием в бомбе вещества с известной теплотой горения. Зная водяной эквивалент, сжигают испытуемый состав в бомбе и по изменению температуры воды в калориметре рассчитывают количество тепла, выделившегося при сгорании единицы веса состава. Если это количество тепла обозначить Q, то его можно определить по формуле:

,

где t₂ - температура воды в калориметре после сжигания состава;

t₁ – температура воды в калориметре до сжигания состава;

Р – вес воды в калориметре;

W - водяной эквивалент;

m – вес сжигаемого состава.

Зная количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 г состава, можно приближенно вычислить температуру реакции. Точных методов практического определения температуры реакции пиротехнических составов еще до сих пор не найдено; на практике температуру реакции можно приближенно определить специальными пирометрами.

§ 10. СТОЙКОСТИ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Способность составов не изменять с течением времени своих физико-химических свойств называется с т о й к о с т ь ю.

Стойкость пиротехнических составов имеет очень важное значение. Если компоненты состава способны самопроизвольно реагировать между собой, то при длительном его хранении химическая природа компонентов и действие состава изменится. Если при этом взаимодействии будет выделяться тепло, то при хранении состав может самовоспламениться.

Иногда стойкость составов нарушается действием различных примесей, сопровождающих основные компоненты, в частности воды. Вода может вступать в реакцию с металлами – магнием или алюминием, которые являются компонентами многих составов. При этих реакциях выделяется тепло, которое может при длительном пребывании состава во влажной атмосфере вызывать его самовоспламенение. При наличии в числе компонентов гигроскопических веществ (т.е. веществ, способных притягивать влагу из окружающей среды) состав легко увлажняется и может оказаться нестойким.

Весьма важно знать степень стойкости составов. Для этой цели их подвергают воздействию влаги, повышенной температуре и других факторов, после чего составы анализируют и изучают произошедшие изменения.

§ 11. ВЗРЫВЧАТЫЕ СВОЙСТВА ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Многие пиротехнические составы при некоторых условиях, например при сгорании в замкнутом пространстве, при воздействии весьма мощного начального импульса и т.п., обнаруживают свой взрывчатые свойства.

Взрывчатые свойства составов характеризуются скоростью детонации, бризантностью и фугасным действием. В процессе сгорания составов, как и при взрывах взрывчатых веществ, выделяется много газов, но горение составов сопровождается все же значительно меньшим газообразованием.

С к о р о с т ь д е т о н а ц и и, т.е. скорость распространения реакции, при действии одинаково мощного начального импульса на пиротехнические составы с хлоратами не превышает 2500 м/сек, в то время как для некоторых взрывчатых веществ она доходит до 8000 м/сек. Пиротехнические составы, имеющие в качестве окислителей нитраты, обычно не дают скорости детонации больше 1000 м/сек, а некоторые составы вообще не детонируют.

Б р и з а н т н о с т ь с о с т а в о в, т.е. их мощность, оценивается обычно количеством возможной работы в единицу времени. По сравнению с взрывчатыми веществами пиротехнические составы обладают малой бризантностью. Составы с хлоратами наиболее бризантны. Бризантность определяется сравнением степеней обжатия свинцовых столбиков при взрыве состава.

Ф у г а с н о е д е й с т в и е с о с т а в о в – их способность расширять объем, в котором в начальный момент образовались продукты взрывчатого разложения. Фугасность пиротехнических составов сравнительно невелика. Наибольшее расширение объема дают составы, содержащие хлораты. Испытание на фугасное действие производится в бомбе Трауцля: она представляет собой свинцовый цилиндр с цилиндрическим каналом (рис. 6). В канал помещается навеска состава и воспламеняется. Под давлением образовавшихся в закрытом пространстве газов цилиндрический канал расширяется, приобретая грушевидную форму (рис. 7). По увеличению объема канала (измеряемого водой) судят о фугасности состава.

§ 12. КЛАССИФИКАЦИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Все пиротехнические составы можно разделить по действию их на: 1) пламенные, 2) дымовые, 3) динамические.

Первые две группы можно подразделить на более мелкие группы.

В группу пламенных входят составы: осветительные, сигнальные ночные, трассирующие и некоторые зажигательные.

В группу дымовых составов входят составы для дневной сигнализации и составы маскирующих дымов.

Контрольные вопросы к главе II

Что такое окислитель и какова его роль в пиротехническом составе?

Какими свойствами должен обладать цементатор?

Чем отличаются друг от друга разные горючие вещества и как использует эти отличия пиротехника?

Что такое основная смесь?

Какие основные компоненты входят в пиротехнический состав?

Что такое детонация?

Как изменяется характер горения в зависимости от внешних условий?

Что такое начальный импульс?

Какие существуют виды начального импульса?

Как определяется температура самовоспламенения?

Как влияет изменение плотности составов на скорость горения?

Что такое флегментаторы?

В чем заключается закон Авогадро-Жерара?

Определить объем газов, выделяющихся при реакции разложения 5 кг калиевой селитры по уравнению:

2 KNO₃ K₂O + N₂ + 2,5 O₂.

Определить объем газов и вес твердых веществ, образующихся при разложении 7 кг перхлората бария Ba(CIO₄)₂ по уравнению:

Ba(CIO₄)₂ BaCI₂ + 4 O₂.

Что такое теплота образования химического соединения?

Какие реакции называют экзотермическими?

Как определяется количество тепла, выделяемое при реакции горения?

Как влияет величина теплоты образования вещества на его способность к взрыву?

Что такое температура самовоспламенения?

Как можно повысить чувствительность пиротехнического состава к механическим воздействиям?

Какие примеси понижают чувствительность пиротехнического состава и как они называются?

Какие свойства веществ оказывают большое влияние на их чувствительность?

Что такое стойкость пиротехнического состава?

Какое правило облегчает составление уравнения реакции горения?

Написать реакцию взаимодействия хлората калия с углем.

Рассчитать основную смесь из калиевой селитры KNO₃ и магния Mg.

На какие группы классифицируют пиротехнические составы?

ГЛАВА III

СЫРЬЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

§ 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СЫРЬЮ

Для получения требуемого эффекта при сгорании пиротехнического состава все продукты, входящие в него, должны иметь строго определенные физико-химические свойства. По назначению различных компонентов в составах все исходные продукты можно подразделить на следующие группы: окислители, горючие и цементирующие вещества, цветнопламенные добавки, вспомогательные добавки, красители дыма.

В пиротехнике для изготовления составов следует применять вещества, очищенные от загрязнений и примесей, негигроскопичные, сравнительно недорогие, отечественного происхождения или изготовления.

Отсутствие загрязнений или примесей обеспечивает получение определенного действия вещества; примеси, загрязняющие продукт, изменяют его действие в составе, чувствительность состава и др. Однако некоторые примеси в небольшом количестве могут быть допущены. Для каждого продукта опытным путем устанавливаются допускаемые нормы тех примесей, которые не вредят составу. Каждый продукт, поступающий в производство, подвергается химическому анализу, в результате которого проверяется количество примесей в нем.

Совокупность требований к химическому составу, чистоте и физико-химическим свойствам вещества обычно называется т е х н и ч е с к и м и у с л о в и я м и.

Способность некоторых веществ притягивать влагу из окружающей их среды называется г и г р о с к о п и ч н о с т ь ю. Гигроскопичные вещества не следует употреблять для пиротехнических составов. Еще в процессе производства влажность их увеличивается, увлажняя состав, что недопустимо в пиротехнических изделиях.

При хранении изделий гигроскопичные вещества также увеличивают влажности состава.

§ 2. ОКИСЛИТЕЛИ

Окислители представляют собой вещества, богатые кислородом и способные легко отдавать его.

Легкость отщепления кислорода от молекул окислителей объясняется сравнительно малой прочностью непосредственной связи между кислородом и другими атомами, например, хлором, азотом.

Примером строения молекул окислителей могут служить азотнокислый калий

хлорноватокислый калий

По химическому составу окислители, применяемые в пиротехнике, можно разделить на следующие основные группы: 1) хлораты, 2) перхлораты, 3) нитраты, 4) окислы металлов.

Некоторые окислители одновременно, служат и носителями цветности пиротехнического пламени. Они называются цветно-пламенными окислителями. К ним принадлежат, например, хлорат бария и нитрат стронция.

Хлораты

Хлораты представляют собой соли хлорноватой кислоты HCIO₃.

Хлорноватая кислота соединение неустойчивое, быстро разлагается; при разложении ее выделяется газ CIO₂ (двуокись хлора), который на воздухе поджигает такие вещества, как хлорок, бумага, дерево.

Хлорноватая кислота с различными металлами образует соли. В пиротехнике применяются, главным образом, хлорноватокислый калий и хлорноватокислый барий; реже применяется хлорноватокислый натрий, отличающийся сравнительно большой гигроскопичностью.

Все хлораты разлагаются, выделяя тепло и свободный кислород.

Х л о р н о в а т о к и с л ы й к а л и й (б е р т о л е т о в а с о л ь) KCIO₃, молекулярный вес 122,56; впервые был получен ученым Бертоле, по имени которого и называется.

Хлорат калия получается хлорированием извести с последующим обменным разложением хлорноватокислого кальция с солями калия по уравнениям:

6 Ca(OH)₂ + 6 CI₂ Ca(CIO₃)₂ + 5 CaCI₂ + 6 H₂O;

Ca(CIO₃)₂ + 2KCI CaCI₂ + 2KCIO₃.

Полученный таким образом хлорноватокислый калий в случае надобности может быть очищен перекристаллизацией из горячей воды.

Хлорат калия с трудом растворяется в воде при низких температурах; при охлаждении горячего концентрированного раствора хлорат кали выкристаллизовывается. По внешнему виду он представляет собой мелкие белые ромбические кристаллы. Температура плавления 357,1 градус, температура разложения 364 градуса. При этой темпе-

ратуре хлорат калия разлагается сравнительно медленно; часть кислорода, которая выделяется при разложении КСIO₃, окисляет оставшийся неразложившимся КСIO₃ в соединение КСIO₄ (хлорно-кислый калий) по уравнению:

4 КСIO₃ З КСIO₄ + K СI + Q,

где Q —тепло, выделяющееся при разложении.

В присутствии примесей, играющих роль катализаторов разло­жения (например, некоторые окислы металлов, песок, стекло и др.), или веществ, способных легко окисляться (горючих), хлорат калия разлагается очень энергично; реакция идет с выделением большого количества кислорода по уравнению:

2 КСIO₃ 2КСI + ЗО₂ + Q.

Реакция разложения хлората калия экзотермична.

В присутствии примесей хлорат калия разлагается настолько энергично, что иногда вызывает взрыв. Смесь бертолетовой соли с горючими веществами легко воспламеняется от действия неболь­шого количества концентрированной серной кислоты. Это явление объясняется тем, что при действии серной кислоты на бертолетову соль выделяется свободная хлорноватая кислота, которая разла­гается с образованием двуокиси хлора. Последняя, как указано выше, обладает свойством зажигать горючие вещества.

Реакцию образования СIO₂ можно представить уравнениями:

2КСIO₃ + H₂SO₄ K₂SO₄ + 2HCIO₃;

ЗНCIO₃ 2CIO₂ + HCIO₄ + H₂O.

Эта реакция используется в пиротехнике для воспламенения некоторых составов.

Хлорат калия в чистом виде негигроскопичен. Однако примеси, в частности, хлористого кальция, вызывают некоторую его гигро­скопичность.

Хлорат калия применяется в пиротехнике в качестве окислителя, главным образом, в цветнопламенных составах. Составы с берто­летовой солью очень чувствительны к механическим воздействиям. Поэтому работа с такими составами требует осторожности, чистоты и аккуратности.

Х л о р н о в а т о к и с л ы й б а р и й Ва(СIO₃)₂Н₂O, молекуляр­ный вес 322,29; получается из природного минерала витерита дей­ствием на него хлора при нагревании (может быть также получен электролизом из насыщенного при 75° раствора хлористого бария).

Хлорат бария растворяется в воде; в спирте нерастворим, кри­сталлизуется в прозрачные призматические кристаллы, при темпера­туре 300—310° разлагается; в сухом виде при нагревании до более высокой температуры взрывает.

Реакция разложения хлората бария проходит аналогично разло­жению хлората калия по уравнению:

Ва(CIO₃)₂ ВаСI₂ + 3O₂ + Q.

В смеси с горючими хлорат бария дает энергичную вспышку; составы с хлоратом бария чувствительны к механическим воздей­ствиям.

Пламя, образуемое составами с хлоратом бария, имеет ярко-зеленую окраску. Следовательно, хлорат бария в составах является одновременно окислителем и носителем цветности, почему он может быть назван цветнопламенным окислителем.

Хлорат бария применяется, главным образом, для составов зе­леного огня. При работе с ним следует применять те же меры пре­досторожности, что и при работах с хлоратом калия.

Перхлораты

Перхлораты — соли хлорной кислоты НСIO₄. Хлорная кислота в свободном состоянии чрезвычайно нестойка: на воздухе дымит, легко взрывает в присутствии горючих веществ, воспламеняет бу­магу, дерево. Водный раствор ее безопасен.

Соли хлорной кислоты — перхлораты — более стойки, чем хло­раты. Это объясняется тем, что реакция разложения перхлоратов происходит с поглощением тепла. В пиротехнике применяется пер­хлорат калия.

П е р х л о р а т к а л и я (или хлорнокислый ка­лий) КСIO₄, молекулярный вес 138,56; представляет собой белый кристаллический порошок, слабо растворяющийся в воде и негигро­скопичный. При температуре 420° начинает разлагаться по урав­нению:

4 КСIO₄ 2 КСIO₃ + 2 КСI + 5 O₂.

При более энергичном нагревании или в смеси с горючими веще­ствами разложение перхлората калия идет с образованием хлори­стого калия и кислорода по уравнению:

КСIO₄ -> КСI + 2O₂ - Q,

где Q — количество тепла, требуемое для разложения перхлората, равно 7,8 кг-кал.

Составы с перхлоратом менее чувствительны к механическим воздействиям, чем составы с хлоратами.

Перхлорат калия применяется в качестве окислителя; он дает более спокойное горение, чем хлорат калия. Работа с ним требует тех же мер предосторожности, что и с хлоратами. Перхлоратные составы обладают чувствительностью к трению и удару, хотя и в меньшей степени, чем хлоратные. Высокая стоимость перхлората калия ограничивает его применение.

Нитраты

Нитраты представляют собой соли азотной кислоты. Азотная кислота —очень важный для техники продукт; она применяется во многих отраслях химической промышленности. Действием азот­ной кислоты на некоторые органические продукты получаются нитропроизводные, служащие для приготовления взрывчатых ве­ществ, красителей и др.

Все нитраты являются хорошими окислителями; они легко от­дают свой кислород, выделяя азот, различные его окислы, или аммиак (в зависимости от условий реакции). Нитраты более стойки в химическом отношении, чем хлораты, но также образуют с горючими веществами легко воспламеняющиеся смеси.

В пиротехнике большей частью применяются азотнокислые соли калия, бария, стронция, реже — натрия.

Разложение нитратов происходит с поглощением тепла.

А з о т н о к и с л ы й к а л и й (н и т р а т к а л и я, или к а л и е в а я с е л и т р а) KNO₃, молекулярный вес 101,1; обра­зуется в почве при гниении органических соединений.

Технически азотнокислый калий можно получить реакцией обменного разложения азотнокислого натрия и хлористого калия или из синтетической азотной кислоты.

Азотнокислый калий — белый порошок или бесцветные кристаллы ромбической системы; легко растворим в воде. Температура плавления 337°, температура разложения 400°.

Нитрат калия разлагается с выделением части содержащегося в нем кислорода по уравнению:

4KNO₃ 2К₂O + 2N₂ + 5O₂.

Таким образом в азотнокислом калии 39,6% активного кислорода, а общего кислорода 47,5%.

Выделяющийся кислород используется на окисление горючих в составах. Обычно нитрат калия содержит примеси нитрата натрия, хлористых калия и натрия, которые в сильной степени повышают его гигроскопичность. Поэтому в нитрате калия, применяемом в пи­ротехнике, чистого продукта должно быть не меньше 99,0%.

Калиевая селитра применяется в качестве окислителя во многих пиротехнических составах. Вследствие сравнительно большей стойкости нитратов составы с ними обладают меньшей чувствительностью к механическим воздействиям, чем хлоратные, и дают возможность при соответствующих мерах предосторожности легче механизировать производственные процессы, чем в случае применения хлоратов.

А з о т н о к и с л ы й н а т р и й (н и т р а т н а т р и я, или н а т р и е в а я с е л и т р а) NaNO₃, молекулярный вес 85; обра­зуется в природе так же, как и калиевая селитра. Природные место­рождения находятся в Чили и Перу, отчего азотнокислый натрий часто называют чилийской селитрой. В СССР добывается в Сред­ней Азии и на Кавказе.

Нитрат натрия — бесцветные кубические кристаллы; после измельчения они имеют вид белого порошка.

Нитрат натрия хорошо растворим в воде и очень гигроскопичен, почему им нельзя заменить нитрат калия при производстве пороха.

Натриевая селитра значительно дешевле, чем калиевая.

Нитрат натрия разлагается аналогично нитрату калия по уравнению:

4 NaNO₃ 2 Na₂O +5 O₂+2 N₂.

Натриевая селитра в смесях с горючими окрашивает пламя в желтый цвет и могла бы применяться в пиротехнике в качестве, цветнопламенного окислителя, однако этому препятствует большая ее гигроскопичность.

А з о т н о к и с л ы й б а р и й (н и т р а т б а р и я) Ba(NO₃)₂, молекулярный вес 261,39; получается при реакции обменного раз­ложения между хлористым барием в растворе и нитратом натрия при 80—90°.

Представляет собой бесцветные октаэдрические кристаллы, пре­вращающиеся при измельчении в белый порошок; в воде мало рас­творим, негигроскопичен; температура плавления 593°. При более высокой температуре разлагается, выделяя кислород, по уравнению:

2 Ba(NO₃)₂ 2 ВаО + 2 N₂ + 5O2.

При этой реакции поглощается тепло.

При горении смесей азотнокислого бария с горючими пламя окрашивается в зеленый цвет.

Азотнокислый барий служит окислителем во многих пиротехни­ческих, особенно осветительных составах. Составы с азотнокислым барием значительно менее чувствительны, чем с окислителями, указанными выше. В некоторых случаях азотнокислый барий при­меняется в составах в смеси с другими, более активно действующими окислителями.

А з о т н о к и с л ы й с т р о н ц и й (н и т р а т с т р о н ­ ц и я) Sr(NO₃)₂, молекулярный вес 211,62; цветнопламенный оки­слитель, окрашивающий пламя в густой и яркий красный цвет, но очень гигроскопичен, к тому же различные примеси увеличивают его гигроскопичность, поэтому в пиротехнике он применяется сравнительно мало.

Азотнокислый стронций — белое кристаллическое вещество с тем­пературой плавления 645°.

Окислы металлов

В качестве окислителей в пиротехнике применяются некоторые окислы металлов, способные сравнительно легко отдавать свой кислород (перекись бария, двуокись марганца, двуокись свинца, сурик, окись железа и др.).

П е р е к и с ь б а р и я ВаO₂, молекулярный вес 169,4; по­лучается прокаливанием окиси бария ВаО в муфельных печах при температуре 500—600° в струе воздуха, освобожденного от влаги и углекислоты. Получение происходит по уравнению:

2 ВаО + O₂ ВаO₂ + 24 кал.

При температуре выше 500—600° начинается обратное разложе­ние перекиси бария, и при 900° реакция проходит по уравнению:

2 ВаО₂ 2 ВаО +O₂;

выделяющийся кислород можно использовать для окисления.

Д в у о к и с ь м а р г а н ц а МnO₂, молекулярный вес 86,93; может применяться в качестве окислителя; в чистом виде имеет

темно-серый цвет и может быть приготовлена нагреванием азотномарганцевистой соли Mn(NO₃)₂; при нагревании эта соль разлагается, выделяя окислы азота, а часть выделяющегося кислорода окисляет марганец до МnO₂.

Двуокись марганца встречается в природе в виде минерала чер­ного цвета —пиролюзита. Пиролюзит содержит МnO₂•nН₂O; это сравнительно дешевое сырье для получения марганца и различных его соединений.

При разложении двуокись марганца выделяет кислород и обра­зует различные окислы марганца (в зависимости от условий реак­ций). Например, при нагревании разложение идет по уравнению:

2 МnO₂ 2 МnО + O₂.

При сильном прокаливании на воздухе она разлагается по урав­нению:

ЗМnO₂ Мn₃O₄ + O₂.

Двуокись свинца РЬO₂, молекулярный вес 239,2; раз­лагается при 300° по уравнению:

З PbO₂ РЬ₃O₄ + O₂.

Двуокись свинца служит окислителем. Окисляющее действие ее на­столько велико, что смесь ее с серой воспламеняется при растирании.

С у р и к РЬ₃O₄ может быть получен или из двуокиси свинца, как показано выше, или нагреванием до 470—480° окиси свинца РЬО на воздухе.

Разлагается при температуре около 650° по уравнению:

2 РЬ₃O₄ 6 РЬО + O₂.

Сурик служит окислителем, а также применяется обычно в ка­честве краски.

О к и с ь ж е л е з а Fe₂O₃ встречается в природе в виде без­водного окисла - гематита Fe₂O₃ (темно-красного цвета). При темпе­ратуре 1455° окись железа начинает разлагаться, выделяя кислород.

В пиротехнике окись железа применяется, главным образом, для получения термита, где Fe₂O₃ переходит в железо Fe, отдавая выделившийся кислород алюминию. Кроме того, применяется и закись-окись железа Fe304 (окалина).

Окислители других групп

В пиротехнике можно использовать окисляющее действие также и некоторых солей — марганцево-калиевой и двухромовокислых.

М а р г а н ц е в о к а л и е в а я с о л ь КМnO₄ — калиевая соль марганцевой кислоты НMnO₄.

Марганцево-калиевая соль легко разлагается, выделяя кислород, а потому используется в качестве окислителя. При нагревании сухая КМnO₄ разлагается по уравнению:

2КмnO₄ К₂МnO₄ + МnO₂ + O₂,

а при нагревании до 700—750° разлагается и марганцевистокалиевая соль (К₂МnO₄), тоже выделяя кислород.

Марганцево-калиевая соль разлагается с выделением различных продуктов реакции и разного количества кислорода в зависимости от того, в кислой или щелочной среде протекает реакция.

Реакция в щелочной среде протекает сначала с выделением мар-ганцевистокалиевой соли, которая затем разлагается, давая двуо­кись марганца и кислород, т. е. по уравнениям:

2 KMnO₄ + 2 KOH 2 К₂МnO₄ + Н₂O + (О)

+

2 К₂МnO₄ + 2Н₂O 2 MnO₂ + 4 KOH + (2O)

------------------------------------------------------------

2 К₂МnO₄ + Н₂O 2 MnO₂ + 2 KOH +(3O)

В кислой среде реакция проходит с образованием свободной мар­ганцевой кислоты, которая разлагается, выделяя кислород. Реак­ции можно выразить уравнениями:

2 KMnO₄ + H₂SO₄ K₂SO₄ + 2 HMnO₄

+

2 HMnO₄ + 2 H₂SO₄ 2 MnSO₄ + 3H₂O + (5O)

---------------------------------------------------------------------------

2 HMnO₄ + 3 H₂SO₄ 2 MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O + (5O)

2 мол марганцевокалиевой соли в кислой среде выделяют 5 атомов кислорода, а в щелочной среде 3 атома.

Д в у х р о м о в о к и с л ы е с о л и. Из этих солей иногда применяют соли натрия: Na₂Cr₂O₇; и калия К₂Сг₂O₇, выделяющие кислород при действии минеральных кислот.

Эти соли получаются действием минеральных кислот на хромо­вокислые соли (например Na₂CrO₄). Двухромовокислый калий на­зывается также хромпиком.

Исходным продуктом для получения двухромовокислых солей служит хромистый железняк FeCrO₄, который встречается в природе, например, в СССР —на Урале.

Пиротехника может располагать большим количеством раз­нообразных окислителей. В зависимости от того, какие свойства должен иметь состав, можно применить окислитель той или иной группы.

Здесь освещены далеко не все возможности пиротехники в об­ласти расширения сырьевой базы. Исследовательской мысли пре­доставляется обширное поле деятельности. Для удобства выбора окислителей и их практического применения приводим таблицу, где указаны некоторые свойства наиболее важных для пиротехники веществ (см. стр. 34).

§ 3. ГОРЮЧИЕ И ЦЕМЕНТИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

К горючим веществам принадлежат представители разнообраз­ных классов соединений. Их можно подразделить на неорганические и органические вещества.

Многие из органических горючих обладают цементирующими свойствами и в пиротехнических составах служат одновременно и горючими и цементаторами.

Наименование окислителя

Формула

Молекулярный вес

Удельный вес

Теплота образования кал

Температура плавления °С

Температура разложения °С

Примечание

Хлорат калия

KCIO₃

122.56

2.34

89.6

357.1

364

Хлорат бария

Ba(CIO)₄*H₂O

322.29

~ 3

173.9

-

300

Хлорат натрия

NaCIO₃

106.46

2.49

82.3

255

350

Гигроскопичен

Перхлорат калия

KCIO₃

138.56

2.54

112.0

610

420

Плавится с разложением

Перхлорат бария

Ba(CIO₄)₂

336.29

~ 3

210.2

505

-

Нитрат калия

KNO₃

101.1

2.109

118.8

337

400

Нитрат натрия

NaNO₃

85.0

2.265

112.1

312

-

Гигроскопичен

Нитрат бария

Ba(NO₃)₂

261.39

3.23

238.2

593

Выше температуры плавления

Нитрат стронция

Sr(NO₃)₂

211.62

2.93

234.4

645

-

Гигроскопичен

Перекись бария

BaO₂

169.37

4.96

151.7

-

795

Двуокись марганца

MnO₂

86.93

5.0

125.4

Плавится с разложением при 530 °

Сурик

Pb₃O₄

685.6

9.1

174.2

-

650

Окись железа

Fe₂O₃

159.68

5.12

190.6

1560; плавится с разложением

Марганцевокислый калий

KMnO₄

158.03

2.7

194.2

-

200

П р и м е ч а н и е. Данные о температуре и удельном весе взяты из книги Каст и Мец «Химическое исследование взрывчатых веществ», ОНТИ, 1934.

Неорганические горючие

К неорганическим горючим, применяемым в пиротехнике, принад­лежат легко окисляющиеся металлы, некоторые сплавы, фосфор, сера, сернистые соединения сурьмы и мышьяка.

А л ю м и н и й АI, атомный вес 27; это металл, соединения ко­торого широко распространены в природе. Наиболее распространена окись алюминия АI₂O₃ — г л и н о з е м.

Безводная окись алюминия образует минералы — корунд, рубин, сапфир (очень ценные), а водная окись алюминия — залежи бокси­та, который служит основным сырьем для получения алюминия.

Кроме того, алюминий входит в состав глины, минералов крио­лита, полевого шпата и др.

Прокаливанием боксита с содой или обработкой его едким нат­ром получается чистый глинозем АI₂O₃. Электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите 3 NaF • AIF₃, получается металлический алюминий. Для применения в пиротехнических со­ставах его измельчают в порошок или в пудру.

Алюминий — серебристо-белый металл, тускнеющий на воз­духе вследствие образования тонкой пленки окисла, которая пре­дохраняет его от дальнейшего воздействия кислорода воздуха. Это очень легкий металл; его удельный вес 2,7. Он очень тягуч, но при нагревании выше 500° делается хрупким.

Температура плавления 657°, температура кипения выше 2200°. На воздухе алюминий загорается при значительно более низкой температуре. Температура воспламенения его зависит от степени измельчения. Очень мелкая алюминиевая пыль воспламеняется при температуре около 250°.

Мелкая пыль и мелкий порошок алюминия очень энергично разлагают воду, особенно при высокой температуре, выделяя во­дород. Действуя углекислотой на слабо раскаленный алюминиевый порошок, можно достичь энергичного горения его. Это явление объяс­няется тем, что раскаленный алюминиевый порошок восстанавли­вает углекислоту до окиси углерода по уравнению:

2СO₂ 2 CO + O₂,

а выделяющийся кислород ускоряет горение алюминия. Горение алюминиевой пыли и порошка ни в коем случае нельзя тушить во­дой и обычными огнетушителями, действующими струей пены, содержащей углекислоту. Наиболее надежно тушить такое горе­ние сухим песком, который следует насыпать осторожно, не взды­мая горящей алюминиевой пыли.

Алюминий отличается очень большим сродством с кислородом. При высоких температурах алюминий соединяется с кислородом, отни­мая его от окислов других металлов. Алюминий хорошо растворяется в щелочах. С кислотами он энергично реагирует, выделяя водород.

Горение алюминия сопровождается выделением большого коли­чества тепла и света. Реакция горения происходит по уравнению:

4 АI + 3 O₂ 2 АI₂O₃.

При этой реакции на 1 кг алюминия выделяется 7041 кал тепла.

Алюминий широко применяется в различных отраслях промыш­ленности. В пиротехнике он применяется в качестве горючего, главным образом, в осветительных и зажигательных составах. При горении порошка алюминия происходит искрение. Иногда алюминий добавляется в небольшом количестве (до 5%) в составы цветных огней для увеличения яркости. Часто алюминий приме­няется в виде сплава с магнием.

М а г н и й Mg, атомный вес 24,32; металл, встречающийся в природе в виде различных соединений: магнезита MgCO₃, доло­мита MgCO₃ • СаСO₃ и других, образующих пласты горных пород. В морской воде находится так называемый карналлит MgCl₂ • KCl • 6Н₂O.

Металлический магний может быть получен электролизом его солей или окиси.

Магний — легкий металл серебристо-белого цвета; удельный вес 1,74; в нагретом состоянии тягуч; температура плавления 650°, температура кипения около 1100°. На воздухе магний быстро окис­ляется, покрываясь окисной пленкой; при высоких температурах воспламеняется, сгорая с большим выделением тепла и света; пламя ослепительно белое. Реакция горения происходит по уравнению:

2 Mg + O₂ 2 MgO + 288 кал,

т. е. при сгорании 1 мол магния выделяется 144 кал. Образующаяся при этом окись магния не плавится и не испаряется, почему тем­пература реакции высокая. С водой магний реагирует медленно, но реакция ускоряется в присутствии хлористого аммония.

На воздухе магний, в особенности измельченный, воспламеняется легче, чем алюминий.

Магний в виде порошка применяется в пиротехнике в качестве горючего в осветительных составах и в специальных составах для освещения при фотографировании. Применяется он также в виде сплава с алюминием. Иногда небольшое количество магния добав­ляют в составы цветных огней для увеличения яркости.

Магний легко окисляется, и поэтому иногда частицы магния перед употреблением в составы изолируют от действия кислорода воздуха; для этого порошок магния парафинируют, лакируют или смешивают с жирами, например, с олифой.

С п л а в ы м а г н и я с а л ю м и н и е м удобны для пиротехничес­ких изделий, потому что они значительно легче других металлов поддаются измельчению и меньше окисляются на воздухе. Наиболее часто употребляется сплав, называемый электроном- Электрон в виде порошка может быть использован в качестве горючего в составах; он отличается большой легкостью; удельный вес его около 1,8.

Эти сплавы отличаются друг от друга соотношением в них магния и алюминия. Все они обладают достаточной механической прочностью и используются для изготовления сгораемых оболочек зажигатель­ных изделий.

С е р н и с т а я с у р ь м а, или а н т и м о н и й Sb₂S₃, мо­лекулярный вес 339,8; отличается сильной восстановительной спо­собностью и в смеси с окислителями, например с бертолетовой солью, взрывает от незначительных внешних воздействий. Анти­моний — темно-серый порошок, применяется для составов, чув­ствительных к внешним воздействиям, например для терочных составов, воспламеняющихся от трения.

Антимоний встречается в природе в виде минерала—«сурьмяного блеска» Sb₂S₃. При горении антимоний превращается в сурьмяни­стый ангидрид с выделением сернистого газа.

Реакция протекает по схеме:

2 Sb₂S₃ + 9 O₂ 2 Sb₂O₃ + 6 SO₂.

Ф о с ф о р Р, атомный вес 31,02; для его получения прокали­вают фосфорнокальциевую соль с песком и коксом, полученный фосфор очищают. Он существует в нескольких видах (модифика­циях). Бесцветный, или белый, фосфор плавится при 44,3°, но на воздухе загорается уже при 30°.

Белый фосфор легко воспламеняет горючие вещества, обладает неприятным запахом. Обычно его хранят в керосине или под во­дой. Белый фосфор ядовит; при нагревании его до 250° без доступа воздуха он превращается в красный фосфор, который не имеет за­паха, не ядовит, загорается только при 230°, плавится при 592°.

В красном фосфоре иногда бывает примесь белого фосфора (2—1%), которая может воспламенить фосфор.

При нагревании белого фосфора до 240—350° под давлением в не­сколько сот атмосфер он переходит в черный фосфор, который за­горается при 500°.

При 600° все модификации переходят в пар, который при охла­ждении дает белый фосфор.

Явление существования различных модификаций элемента на­зывается аллотропией.

Красный фосфор применяется в пиротехнике для составов, за­жигающихся от трения (терочных). Красный фосфор понижает тем­пературу воспламенения составов.

Фосфор можно использовать как дымообразующее вещество, так как при горении он окисляется в фосфорный ангидрид, выделяю­щийся в виде густого дыма.

Реакцию окисления фосфора можно представить уравнением:

4 Р + 5 O₂ 2 Р₂O₅.

Технически фосфор получают, прокаливая смесь фосфорнокальциевой соли Са₃(Р0₄)₂ с песком и коксом в электрических печах, полученный фосфор очищается.

С е р а S, атомный вес 32; так же, как и фосфор, существует в нескольких модификациях в зависимости от температуры. Обычно употребляемая в производстве сера представляет собой желтый по­рошок (удельного веса около 2), растворимый в сероуглероде и не­растворимый в воде.

Температура плавления серы 112,8°. При нагревании жидкой серы до 180° она густеет и темнеет. При дальнейшем нагревании почти до температуры кипения 444,6° и при быстром охлаждении сера превращается в тягучие нити; эта модификация серы непрочна. В природе сера встречается в виде различных соединений и в сво­бодном состоянии.

Для получения чистой серы существуют различные способы. При очистке плавлением сера получается в виде тонких палочек и называется ч е р е н к о в о й с е р о й. При очистке серы воз­гонкой, т. е. переводом ее в пар и при быстром охлаждении пара с переходом в твердое состояние, получается так называемый с е р ­ н ы й ц в е т, т.е. мелкий порошок серы.

Недостаточно чистую серу можно получить в виде больших кус­ков, но и в черенковой сере остаются землистые примеси, а в серном цвете бывает примесь серной кислоты, которую необходимо отмы­вать или нейтрализовать.

Сера хорошо горит. На воздухе она загорается при темпера­туре 360°, а в кислороде при 285°. На воздухе в присутствии влаги измельченная сера окисляется. При реакциях соединения с кисло­родом она может давать различные окислы: сернистый газ (ангидрид)

S + O₂ SO₂;

серный ангидрид

2 SO₂ + O₂ 2 SO₃.

Соединение серного ангидрида с водой дает серную кислоту. Сернистый ангидрид с водой образует сернистую кислоту; он об­ладает очень резким запахом и сильно раздражает слизистые обо­лочки.

При применении серы в составах с окислителями, особенно с бер­толетовой солью, следует опасаться увлажнения составов; в этих условиях сера окисляется в серную кислоту, которая вызывает са­мовоспламенение состава. Сера не должна содержать свободной серной кислоты.

Сера применяется как составная часть дымного пороха и как горючее в некоторых пиротехнических составах.

У г л е р о д С, атомный вес 12; весьма распространенный в при­роде элемент, так как он образует все многочисленные органиче­ские соединения.

При сгорании углерод образует кислородные соединения — уголь­ный ангидрид, или углекислый газ СO₂, и окись углерода СО.

Горение углерода проходит с образованием того или иного окисла, в зависимости от наличия кислорода в окружающей среде или коли­чества окислителя в смеси. Реакция горения углерода может про­исходить по уравнениям:

2 С + O₂ 2 СО;

2 CO + O₂ 2 СO₂.

Окись углерода — ядовитый газ.

Большое количество углерода содержится в древесном и камен­ном угле.

Для пиротехнических целей употребляется обычно древесный уголь. Для его получения куски подсушенного дерева складывают в железный сосуд и сжигают до прекращения выделения пламени. После этого сосуд плотно закрывают и уголь выдерживают 10—12 час.

Хороший уголь должен быть совершенно черного цвета и хруп­ким; он должен легко воспламеняться и тлеть без пламени. Уголь гигроскопичен, его следует хранить в сухих помещениях или в за­крытых сосудах.

При длительном хранении уголь, особенно приготовленный при сравнительно низких температурах, способен самовоспламеняться на воздухе.

Уголь входит в состав дымного пороха и во многие пиротехниче­ские составы; для быстро горящих составов обугливают мягкие и легкие породы деревьев, например, ольху, иву, черемуху и др.; для медленно горящих составов — твердые и тяжелые породы, например, дуб, клен, березу и др.

Уголь легко измельчается. Для некоторых составов уголь упо­требляется в виде очень мелких зерен, а для других (искрящих) — крупнозернистый.

Органические горючие

В качестве горючих применяется также очень большое коли­чество разнообразных органических соединений. Некоторые из них служат одновременно и цементаторами. Наиболее часто применяе­мые органические соединения можно подразделить на следующие группы: углеводороды, углеводы, горючие связывающие вещества (жиры, смолы, лаки), растворители.

У г л е в о д о р о д ы

Углеводороды — обширная группа органических соединений, со­стоящих из углерода и водорода. В зависимости от количества ато­мов углерода и водорода в молекуле и их взаимной связи, опреде­ляющих строение молекулы, получаются продукты различных свойств.

Из углеводородов в качестве горючих в пиротехнике применяют парафин, нафталин, антрацен и некоторые другие.

П а р а ф и н — белое или слегка желтоватое вещество, плавя­щееся в зависимости от состава при 45—110°. Это продукт перегонки нефти, состоящий из углеводородов; он замедляет горение некоторых составов, т. е. служит флегматизатором. Парафин не растворяется в воде и применяется в качестве защитного слоя для предохранения от увлажнения различных изделий.

Парафин, применяемый в составах, растворяют в органических растворителях (в бензине).

Н а ф т а л и н С₁₀Н₈, молекулярный вес 128,6; получается при переработке каменноугольной смолы. Нафталин имеет очень важ­ное значение в производстве красителей, медикаментов.

Нафталин кристаллизуется в виде белых кристаллов и может возгоняться; эта способность нафталина используется для очистки его. Температура плавления 80,1°.

При полном сгорании нафталин образует воду и углекислый газ по уравнению:

С₁₀Н₈ + 24 O 10 СO₂ + 4 Н₂O.

А н т р а ц е н С₁₄Н₁₀, молекулярный вес 178,08; как и нафта­лин, — ароматический углеводород. Это кристаллическое вещество с температурой плавления 217,0°. В технике антрацен получается из составных частей каменноугольной смолы (из антраценового масла).

Антрацен, как и нафталин, служит горючим веществом в пиро­технических составах.

У г л е в о д ы

Углеводы — органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород; отношение числа атомов кислорода к водородным такое же, как в воде, т. е. 1:2. Это и объясняет их название — углеводы.

К группе углеводов принадлежат горючие — сахар, крахмал и др.

К р а х м а л С₆Н₁₀O₅, молекулярный вес 162; имеет вид белого порошка, образуется в растительных организмах вследствие погло­щения ими углекислоты. Клубни картофеля, зерна хлебных расте­ний содержат много крахмала; из них он чаще всего и добывается.

Крахмал нерастворим в холодной воде, но при нагревании с во­дой разбухает и образует мутную жидкость — крахмальный клейстер.

В пиротехнике крахмал применяется в качестве горючего, а также в качестве клейстера.

Д е к с т р и н получают, нагревая крахмал до 150° с неболь­шим количеством азотной кислоты (около 0,5%) и очищая получен­ный продукт.

Декстрин растворим в воде и употребляется большей частью как склеивающее вещество, но его можно использовать и как горючее.

Т р о с т н и к о в ы й с а х а р С₁₂Н₂₂O₁₁, молекулярный вес 342,2; белое вещество, сладкое на вкус, употребляемое в пищу; горючее вещество, иногда применяется в пиротехнических составах; хорошо растворяется в воде.

М о л о ч н ы й с а х а р C₁₂H₂₂O₁₁*H₂O, молекулярный вес 360,2; углевод, сходный по составу и свойствам с тростниковым сахаром. Применяется в качестве горючего, большей частью в составах цвет­ных дымов, негигроскопичен, растворим в горячей воде.

Г о р ю ч и е с в я з ы в а ю щ и е в е щ е с т в а

Сюда относятся вещества, служащие одновременно горючими и склеивающими веществами, например, маслянистые вещества (олифа, эфирные масла), различные смолы, которые можно приме­нять с разными растворителями также и в виде лаков, и др.

Связывающие вещества называются также ц е м е н т а т о р а м и.

О л и ф а — переработанное льняное (или конопляное) масло. Для получения олифы масло нагревают до 200—260° в течение не­скольких часов; для окисления добавляют соединения свинца или марганца — сурик, перекись марганца, борнокислый марганец. Такие соединения называются сиккативами.

Олифу можно получить и так называемым холодным способом. Льняное масло нагревается до 120^150°, затем в нем растворяется 1—5% органических соединений свинца, марганца или кобальта (чаще всего берут льнянокислые соли) и через раствор продувается струя воздуха.

Таким образом, олифа представляет собой масло, окисленное под действием высокой температуры и кислорода.

Сиккативы ускоряют высыхание олифы.

Хорошо приготовленная олифа должна быть прозрачной и цветом от светло-желтой до темно-бурой.

Известны способы получения искусственной олифы.

Олифа применяется большей частью в таких составах, от которых не требуется быстрого высыхания, так как длительность ее высы­хания около 14 суток. Олифа хорошо обволакивает частицы соста­вов, покрывая их после затвердевания пленкой, которая защищает от влияния воздуха, влаги и т. п.

Э ф и р н ы е м а с л а изредка применяются при изготовлении изделий, которые должны распространять при горении приятный запах. Для этой цели можно употреблять различные эфирные масла. Эфирными маслами можно также смазывать некоторые составы для удобства работы с ними.

С к и п и д а р о ч и щ е н н ы й, или т е р п е н т и н, извлекается перегонкой из сосновой смолы, легко высыхает и твердеет. По внеш­нему виду это летучая, бесцветная, желтеющая на воздухе жидкость с характерным, резким запахом. Применяется для изготовления разных мастик.

Смолы

Смолы естественные и искусственные широко применяются при приготовлении пиротехнических составов.

Из естественных смол употребляют канифоль, шеллак, аравий­скую камедь, естественный каучук, мастике и др. Из искус­ственных смол используют идитол (новолак), синтетическую кам­фору и др.

Некоторые из смол, например канифоль, горят значительно медленнее, чем основные смеси, и их иногда добавляют в составы., чтобы замедлить процесс горения.

К а н и ф о л ь С₂₀Н₃₀O₂, молекулярный вес 302,2; получается при перегонке сосновой смолы; летучие составные части смолы об­разуют скипидар, а твердый остаток перегонки называется кани­фолью. Это — твердое вещество, плавящееся при 100—130°. Цвет его изменяется в зависимости от условий перегонки смолы; при перегон­ке ее без водяного пара канифоль получается черного цвета и назы­вается г а р п и у с о м. При перегонке смолы с водяным даром канифоль получается желтоватая или коричнево-бурая, прозрачная.

Канифоль нерастворима в воде, но растворяется в спирте, эфире, хлороформе и других органических растворителях и поэтому ча­сто применяется в виде лака, т. е. раствора канифолив летучем раст­ворителе.

Ш е л л а к. Молекулярный вес 296,2. Это естественная смола, образующаяся на некоторых сортах деревьев в Ост-Индии от укола особого насекомого «л а к о в о г о ч е р в е ц а».

Из ветвей в местах этих проколов вытекает смолистый, быстро твердеющий сок. В зависимости от обработки смолы можно полу­чить разные сорта шеллака цветом от бурого до лимонного оттенка. Самым лучшим сортом считается светло-желтый (лимонный) шеллак в виде тонких пластинок.

Шеллак — одна из наиболее дорогих смол; в СССР не добывается. Шеллак хорошо растворим в спирте и некоторых других органических растворителях и часто применяется в виде лака; после вы­сыхания лак образует прочную пленку.

Шеллак измельчается с большим трудом; для этой цели иногда приходится применять специальные мельницы или плавить шеллак в смеси с какой-нибудь солью, а затем измельчать его и удалять соль растворением в воде (шеллак в воде не растворяется).

Шеллак негигроскопичен. Формула его точно не установлена, но предполагается, что состав его С16Н2405.

Шеллак используют в качестве цементатора и для лакировки некоторых деталей.

А р а в и й с к а я к а м е д ь (иначе гумми-арабик) — затвер­девший сок различных сортов акаций, высыхающий на воздухе. Камедь бывает белого или желтоватого цвета в виде блестящих полупрозрачных хрупких кусков или белого порошка.

Отличается она от некоторых других смол тем, что растворима в воде, особенно в горячей; эфир и спирт не растворяют камеди.

В пиротехнике камедь (или ее водный раствор) применяется довольно часто.

Большинство других смол — копал, мастике, даммара — не при­меняется вследствие высокой стоимости.

И д и т о л — смола, получаемая синтетически при реакции ме­жду фенолом и формальдегидом в присутствии соляной кислоты, которая способствует протеканию реакции (катализатор). Полу­чаемая смола называется идитолом, или н о в о л а к о м; темпера­тура ее плавления около 85°, растворяется в спирте, ацетоне, ще­лочах и некоторых других органических растворителях; в воде не растворяется.

Измельченный идитол имеет вид светло желтого порошка.

До сих пор точно не установлен состав молекулы идитола; пред­полагается, что формула его С₁₈Н₁₇O₇; молекулярный вес 735,4.

Идитолом пользуются для приготовления различных составов; часто его применяют в виде лака. Идитол значительно менее замед­ляет горение, чем некоторые другие смолы.

Смеси идитола с нитратом калия служат в качестве воспламенительных составов.

Б а к е л и т — искусственная смола, получается конденсацией фенола и формальдегида в присутствии щелочей. Бакелит вначале образуется в виде так называемой стадии А, которая характеризуется растворимостью в ацетоне, спирте и едких щелочах, плавится при 50—60°. При долгом нагревании бакелит А переходит в стадию В; бакелит В не плавится в растворителях, он лишь разбухает. При дальнейшем нагревании получается бакелит С, —очень прочный нерастворимый продукт, стойкий к воздействию химических реа­гентов. Бакелит С обладает хорошей механической прочностью.

Р а с т в о р и т е л и

Органические растворители применяются в пиротехнике большей частью для растворения смол и увлажнения состава.

Э т и л о в ы й с п и р т С₂Н₅ОН — алкоголь — наиболее рас­пространенный из растворителей; он получается при брожении са­харистых и крахмалистых веществ. По внешнему виду это прозрач­ная бесцветная жидкость, летучая и сильно гигроскопичная. Спирт 100%-ный называется абсолютным спиртом; его необходимо хра­нить без доступа влаги, так как он жадно впитывает воду. Обычно применяется спирт крепостью 96°. Спиртом растворяют смолы, а также смачивают составы, чтобы уменьшить их способность рас­пыляться.

Эфир (С₂Н₅)₂O — летучая жидкость с характерным сильным запахом, получается синтетически из этилового спирта; часто употребляется в смеси со спиртом.

Ацетон (СН₃)₂СО — легко-летучее органическое соединение, получаемое из продуктов перегонки дерева или синтетическим путем. Это бесцветная жидкость с резким своеобразным запахом; приме­няется в пиротехнике редко.

Б е н з и н является продуктом перегонки нефти при температуре до 150°. Летучая бесцветная жидкость, хорошо растворяющая жиры и другие органические продукты.

Все перечисленные растворители горючи.

§ 4. ЦВЕТНОПЛАМЕННЫЕ ДОБАВКИ

Для окрашивания пламени в составы вводят соединения неко­торых металлов. При высокой температуре, развиваемой при горе­нии составов, соединения металлов частично или полностью дис­социируют и, перейдя в парообразное состояние, дают спектр излу­чения. Каждый металл дает спектр особого, характерного для него цвета.

Атомы натрия дают пламя желтого цвета; соединения стронция, цезия, рубидия и атомы лития дают пламя красного цвета (практи­чески применяются только соединения стронция, остальные стоят очень дорого).

Соединения бария и атомы таллия дают пламя зеленого цвета (практическое значение имеют лишь первые).

Пламя синего цвета получается при свечении соединений меди, главным образом, монохлорида меди. Пламя розового цвета дают соединения кальция.

Рассмотрим наиболее употребительные продукты, применяемые для получения окрашенного пламени. В тех случаях, когда эти продукты не участвуют в реакции горения пиротехнического со­става , они называются ц в е т н о п л а м е н - н ы м и д о б а в ­ к а м и.

Щ а в е л е в о к и с л ы й н а т р и й, или оксалат натрия, Na₂C₂O₄, молекулярный вес 134; белое кристаллическое не­гигроскопичное и нерастворимое в воде вещество; дает желтое пла­мя; большей частью употребляется в хлоратных составах.

Недостатком этой соли является ее ядовитость.

Дешевая соль натрия — хлористый натрий (поваренная соль) не применяется в пиротехнике из-за большой гигроскопич­ности.

К р и о л и т 3NaF • AIF₃, молекулярный вес 125,97; представ­ляет собой минерал, негигроскопичен, окрашивает пламя в желтый цвет.

Щ а в е л е в о к и с л ы й с т р о н ц и й, или оксалат строн­ция, SrC₂O₄, молекулярный вес 175,6; представляет собой мелко­кристаллический порошок белого цвета; он негигроскопичен и не растворяется в воде.

Щавелевокислый стронций дает хорошую красную окраску пла­мени, но менее яркую, чем азотнокислый стронций.

У г л е к и с л ы й с т р о н ц и й (карбонат стронция) SrCO₃, молекулярный вес 147,6; нерастворим в воде, негигроскопичен, окра­шивает пламя в красный цвет, но менее яркий, чем цвет пламени, получаемый от оксалата и нитрата стронция. Однако из-за сравни­тельной дешевизны он применяется в составах красного огня.

У г л е к и с л ы й б а р и й (карбонат бария) ВаСO₃, моле­кулярный вес 197,4; прозрачные кристаллы, почти нерастворимые в воде. В хлоратных составах углекислый барий может быть исполь­зован для окраски пламени в зеленый цвет .

М е д н ы е с о л и. Для окраски пламени в синий цвет при­меняются некоторые соли меди, например, углекислая медь СиСO₃; она представляет собой светло-зеленые кристаллы, нерастворимые в воде.

В пиротехнике применяются также соединения меди, встречаю­щиеся в природе: малахит СиСO₃ • Cu(OH)₂, горная синь 2СиСO₃. • Си(ОН)₂ и др.

Медные соли ядовиты. Они применяются большей частью в со­ставах, содержащих хлорат калия.

Одним из распространенных медных соединений является м е д ­ н ы й к у - п о р о с CuSO₄, т. е. сернокислая медь. Эту соль нельзя применять в составах: она имеет кислую реакцию и в смеси с берто­летовой солью может вызвать самовоспламенение.

Купорос может быть использован только совместно с аммиаком, с которым CuSO₄ образует сложные соединения.

Для получения розового огня можно пользоваться солями кальция.

У г л е к и с л ы й к а л ь ц и й, или м е л, СаСO₃, моле­кулярный вес 100,0; образует природные залежи и является срав­нительно дешевым продуктом. Иногда мелом заменяют более доро­гие соли стронция; мел окрашивает пламя в розовый цвет.

Добавки, улучшающие окраску пламени

Для усиления цвета пламени или для уменьшения температуры и скорости горения состава и для некоторых других целей могут применяться различные добавки к составам.

Иногда, чтобы получить густой и чистый цвет пламени, в со­ставы добавляют хлористые соли или органические соединения, содержащие хлор. Их действие заключается в выделении свобод­ного хлора при разложении этих соединений в условиях горения со­става. Выделяющийся хлор может реагировать с окрашивающими пламя металлами с образованием их хлористоводородных солей, которые и улучшают окраску пламени.

Рассмотрим некоторые из этих веществ.

Х л о р и с т а я р т у т ь Hg₂Cl₂, молекулярный вес 472,1; иначе называется каломелем; это белый, мелкокристаллический по­рошок, очень ядовитый.

На свету каломель разлагается, выделяя хлор; при этом соль сперва желтеет, а потом чернеет, поэтому ее следует хранить в посуде из темного стекла.

Обычно каломель добавляется к сигнальным составам.

Х л о р и с т ы й с в и н е ц РЬСI₂ менее опасен и менее до­рог, чем каломель; хлористый свинец негигроскопичен; может употребляться в составах для улучшения цвета пламени.

Х л о р и с т ы й а м м о н и й, нашатырь, NH₄CI; белый кри­сталлический порошок, замедляющий горение составов, но значи­тельно усиливающий густоту окраски пламени. Большой недоста­ток нашатыря — его гигроскопичность, препятствующая долгому хранению тех составов, в которые он входит.

Г е к с а х л о р э т а н ССI₃—ССI₃, молекулярный вес 236,76; температура плавления 187°; в пиротехнических составах исполь­зуется редко.

М е т а л л и ч е с к и е о п и л к и. В пиротехнике применяются железные, стальные, чугунные и другие металлические опилки для получения искрения при горении составов. Раскаленные опилки выбрасываются из изделия и сгорают в воздухе. Цвет искр зависит от свойств металла. Стальные опилки дают белые искры, опилки цинка — голубые.

Опилки легко подвергаются окислению, поэтому перед введением в состав рекомендуется их воронить, нагревая с льняным маслом.

§ 5. КРАСИТЕЛИ ДЫМОВ

Для получения цветных дымов можно применять органические красители и неорганические краски. Однако хорошее дымовое облако дают неорганические красители, измельченные в такой степени, какой практически трудно достигнуть.

Ультрамарин — синяя краска, встречающаяся в природе в виде минерала — лапис-лазури.

Искусственно ультрамарин получается обжиганием смеси као­лина (белая глина), соды, угля и серы. Ультрамарин представляет собою ярко-синий порошок, его используют обычно в качестве краски, синьки для белья и для других целей.

Ультрамарин дает дымовое облако синего цвета.

Органические красители используются в пиротехнике для полу­чения цветных дымов чаще, чем неорганические пигменты.

Эти красители представляют собой сложные органические про­дукты, получаемые искусственно из продуктов переработки камен­ноугольной смолы. В настоящее время техника освоила производ­ство очень многих органических красителей разных цветов, но для пиротехнических целей используются немногие из них, а именно те, которые способны возгоняться, т. е. превращаться из твердого состояния в пар и обратно, минуя жидкое состояние.

Рассмотрим наиболее часто применяемые красители.

Р о д а м и н — краситель, имеющий формулу:

Это темный кристаллический порошок бронзово-зеленого оттенка.

Родамин образует дым темно-малинового цвета. Для получения красного дыма к родамину добавляются другие красители.

Сухой родамин легко распыляется, пыль его ядовита, сильно раздражает слизистые оболочки, вызывая иногда кровотечение из носа.

Работу с сухим родамином нужно производить в респираторах.

Ж и р о о р а н ж относится к группе так называемых а з о к р а с и т е л е й и имеет формулу:

Образует дым красно-оранжевого цвета. Как и другие органи­ческие красители, сухой жирооранж сильно пылит.

М е т и л е н о в а я г о л у б а я имеет формулу:

Этот краситель образует двойную соль с хлористым цинком; обладает сильной гигроскопичностью. Раствор метиленовой голубой в спирте и в воде имеет синий цвет. Пыль от метиленовой голубой чрезвычайно ядовита. Работая с сухим красителем, необходимо употреблять респиратор.

И н д и г о так же, как и метиленовая голубая, дает дым си­него цвета. Формула индиго:

§ 6. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОЛУФАБРИКАТЫ

Для изготовления пиротехнических изделий требуется обычна много разнообразных вспомогательных материалов и полуфабрика­тов. Рассмотрим вкратце важнейшие из них.

Д ы м н ы й, или ч е р н ы й, п о р о х, чрезвычайно важ­ный для пиротехники материал. Он представляет собой механическую смесь серы, калиевой селитры и угля, которая обладает свой­ствами метательного взрывчатого вещества.

Для изготовления дымного пороха смешивают измельченные компоненты, указанные выше, в специальных шаровых мельницах. Смесь просеивается, после чего обрабатывается на бегунах.

На бегунах смесь перетирается под большим давлением, затем смачивается водой (около 8% воды) и спрессовывается на бегунах до получения так называемых пороховых лепешек, которые затем прессуются на прессах в пороховые плитки.

Прессование придает пороху однообразную плотность, от чего зависит равномерность его горения и другие свойства.

Плитки в особых зернильных машинах измельчают на зерна требуемой величины. После полирования (округление зерен), сушки и сортирования порох считается готовым. Существуют и другие способы изготовления пороха.

Обычно охотничий порох содержит 75% калиевой селитры, 10% серы, 15% угля.

При горении пороха развивается высокая температура и вы­деляется много газообразных продуктов.

Горение пороха можно выразить уравнением:

2 KNO₃ + 3 C + S = K₂S + N₂ + ЗСO₂.

Отсюда можно подсчитать, что в газы должно превращаться около 60% пороха, но в действительности реакция проходит по более слож­ному пути с образованием еще некоторых твердых продуктов; по­этому практически в газы превращается около 43% пороха.

Дымный порох имеет температуру вспышки 290 — 310°. Чув­ствительность его к удару сравнительно с другими взрывчатыми веществами незначительна.

Порох используется для приготовления вышибных зарядов, за­медлителей, имитации взрыва и др.

П о р о х о в а я м я к о т ь — измельченный, но незерненный дымный порох; она более чувствительна к внешним воздействиям, чем зерненый порох; применяется в пиротехнике для приготовления некоторых составов, стопина, подмазки и т. п.

С т о п и н. Для быстрой передачи огня от одной части изделия к другой применяются особые нити, ткани или тесьма, пропитан­ные и покрытые горючими веществами. Наиболее часто употребляют стопин.

Для приготовления стопина скручивают три-четыре бумажных нити и погружают на несколько часов в 10%-ный водный раствор калиевой селитры; затем нити высушивают н тщательно промазы­вают густой тестообразной смесью из пороховой мякоти с 5%-ным водным раствором гумми-арабика. В такой обмазке проселитрованные нити выдерживают 4 часа, после чего их проволакивают в ру­ках или в специальном приспособлении, наматывают рядами на деревянные рамы, опудривают сухой просеянной пороховой мя­котью и медленно сушат при температуре около 30°. При быстрой сушке затвердевающий наружный слой обмазки не позволяет про­сохнуть внутренним слоям, и получается мягкий стопин.

Пороховая обмазка на стопине должна прочно держаться.

Нить стопина длиной 1 м должна гореть на воздухе около 30 сек.; такой же отрезок стопина внутри слоя сухого песка горит около 60 сек., а внутри бумажной трубки горение стопина можно считать мгновенным.

П о д м а з к а представляет собой тестообразную смесь из легко воспламеняющегося вещества или состава и какого-либо ла­ка (или воды и т. п.). Подмазку наносят на те части изделия, кото-

рые должны воспламеняться. Высохнув, она образует слой быстро воспламеняющегося вещества.

Для передачи огня заряду через строго определенное время после поджигания применяют специальные шнуры.

Наиболее распространен бикфордов шнур; внутри него нахо­дится слабо спрессованный порох, сквозь который пропущены две направляющие сплетенные хлопчатобумажные нити, покрытые изо­ляционным слоем асфальта или гуттаперчи.

По характеру изоляции различают три вида шнура: 1) белый, употребляемый для передачи огня в сухих местах; 2) асфальтирован­ный, т. е. покрытый снаружи слоем смолы; его используют для ра­боты в условиях влажности; 3) гуттаперчевый, применяемый при подводных работах.

Бикфордов шнур должен гореть со скоростью 1 см/сек; его при­меняют для разнообразных подрывных работ, а в пиротехнике — при изготовлении замедлителей, т.е. средств, при наличии которых состав действует через определенное время после поджигания или выстрела.

К а п с ю л и. Взрывчатые вещества и пиротехнические составы могут воспламеняться лучом огня, нагреванием, искрой, ударами, трением, передачей взрыва и т. п.

Наиболее легко взрывают инициирующие взрывчатые вещества, и детонация их передается бризантным взрыв­чатым веществам.

Пороха воспламеняются лучом огня. Обычно достаточно незна­чительного количества инициирующего взрывчатого вещества, чтобы воспламенить порох или пиротехнический состав или взорвать бризантное взрывчатое вещество. Количество инициирующего ве­щества, которое необходимо для воспламенения взрывчатого веще­ства или состава, называется инициирующим зарядом.

Инициирующие заряды обычно запрессовываются в специальные оболочки; такое изделие называется капсюлем.

Часто для капсюлей применяют взрывчатые смеси различных веществ, т. е. ударные составы. Капсюли, предназначенные для вос­пламенения состава или пороха, называются капсюлями-воспламе­нителями, а предназначенные для передачи детонации — капсю­лями-детонаторами.

Обе эти группы содержат большое количество разнообразных типов; некоторые из них применяют в пиротехнике.

Капсюли-воспламенители для огнестрельного оружия действуют от удара. Капсюль (рис. 8) представляет собой металлический кол­пачок, в который запрессован небольшой инициирующий заряд ударного состава, закрытый сверху кружком из оловянной фольги или бумаги. Внутренняя поверхность колпачка и кружка обычно покрывается лаком.