Andre Pohle am 21. April 2021 um 12:23 Uhr

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==Verbrennung, Explosion und Detonation==
Die Umsetzung der Explosivstoffe kann nach zwei grundsätzlich verschiedenen
Arten erfolgen. Die erste Art ist die Verbrennung, die mit geringer, mit
Druck und Temperatur ansteigender Geschwindigkeit von Schicht zu Schicht
unter typischer Flammenbildung vordringt. Erfolgt die Verbrennung eines
Explosivstoffes in einem geschlossenen Raum, so entstehen hohe Drücke, die
unter plötzlicher Arbeitsleistung die einengenden Wandungen zertrümmern -
Explosion.
Die zweite Art der Umsetzung ist die Detonation, die mit hoher
Geschwindigkeit verläuft.

Bei Glycoldinitrat ist unter Normalbedingungen die Verbrennungs-
geschwindingkeit 0.3mm/sec; die Verbrennung verläuft unvollständig nach der
Gleichung:

C2H4(ONO2)2 = 2NO + 1.7CO + 1.7H20 + 0.3CO2 + 0.3H2 (2) <br>
(delta H = -1927 J/g)

Die Detonation verläuft mit der hohen Geschwindigkeit von 8000 m/s im
wesentlichen bis zu den Endprodukten nach der Gleichung:

C2H4(ONO2)2 = 2CO2 + 2H20 + N2 <br>
(delta H = -6704 J/g) (3)

Der Unterschied in der Umsetzung ist nicht nur energetisch wichtig. Bei
Sprengungen unter Tage muß die Detonation einwandfrei ausgelöst werden, da
nur die Endprodukte nach Gleichung (3) praktisch frei von giftigen Gasen
sind. Beim Schuß hingegen findet Verbrennung der rauchlosen Pulver nach
Gleichung (2) statt.
Berechnet man die Leistung für beide Umsetzungsarten auf eine
Nitroglycolsäure von jeweils 1cm2-Querschnitt, so erhält man 8.8W/cm2 und
8.2.108W/cm2 (Dichte 1.5g/cm3). Schon dieses Leistungsverhältnis macht
deutlich, daß die Detonation nicht als beschleunigte Verbrennung gedeutet
werden kann. Die Detonation ist vielmehr ein hydrodynamischer Stoßvorgang,
gekoppelt mit einer chemischen Umsetzung. Die chemische Umsetzung hält
hierbei den Stoßvorgang energetisch aufrecht; der Stoßvorgang wiederum
treibt di e rasche und vollständige Umsetzung voran.
Man unterscheidet die Geschwindigkeit, mit welcher der Vorgang
fortschreitet (Vb = Verbrennunggeschwidigkeit; Vd = Detonations-
geschwindigkeit) und die Geschwindigkeit der Materie, hier der Schwaden
analog Wb und Wd, die Ladedichte des Sprengstoffs Delta , die Dichte des
Schwaden Rho b und Rho d, den Druck im Explosivstoff Pa, den Druck bei
Verbrennung Pb und den Druck bei Detonation Pd.
Bei der Detonation stoßen die hocherhitzten, verdichteten, chemisch aktiven
Schwaden mit großer Geschwindigkeit (über 1000m/s) und hohem Druck (etwa 105
bar) auf die anstehende Sprengstoffschicht und treiben die Reaktion bis zum
fast völligen Ablauf in kürzester Zeit. Stößt nun die Detonation mit die
ser Wucht auf die einschließende Materie (z.B. Gestein), so zermalmt sie
die ersten Schichten, zerrüttet das Gefüge der Weiteren und treibt Spalt-
risse noch weiter vor (brisante Wirkung). Nach Ablauf der Detonation stehen
die heißen Schwaden unter hohem Druck im Sprengraum, expandieren in die
gebildeten Risse, wobei sie das Gestein auseinanderbrechen und -werfen
(treibende Wirkung). Auch in der Art der Auslösung bestehen Unterschiede
zwischen Verbrennung und Detonation. Die Verbrennung wird vornehmlich
durch thermische Einwirkung, die Detonation mehr durch Schlag- und
Stoßvorgänge ausgelöst. In der Praxis wird die Verbrennung der Schießmittel
durch die Stichflamme eines Zündhütchens, die Detonation der Sp rengstoffe
durch den Initialstoß einer Sprengkapsel bewirkt. Bei der Auslösung der
Sprengstoffumsetzung durch Schlag und Reibung wird die Energie in einzelnen
Stellen (hot spots) akkumuliert, in denen die Umsetzung einsetzt [3]. Eine
Verbrennung kann bei Steigerung von Temperatur und Druck plötzlich in eine
Detonation umschlagen. Bei dem festen Initialstoff Bleiazid setzt die
anfängliche, verbrennungsartige Umsetzung an einigen Stellen der Kristall-
oberfläche ein.

Von diesen Stellen brechen die frei werdenden Gase als gerichtete Gasströme
mit wachsender Heftigkeit aus; sie stoßen in den Kristallzwischenräumen
aufeinander, bis an irgendeiner Stelle die Summe solcher Gaszusammenstöße
zur Auslösung des Detonationsstoßes ausreicht.

Bei dem flüssigen Nitroglycol dringt die Verbrennung bis etwa 10øC
unterhalb des Siedepunktes schichtweise langsam vor. Kurz vor erreichen der
Siedetemperatur setzt unter dem Einfluß der Strahlungswärme ein Sieden in
den der Umsetzung benachbarten Schichten ein. Die Verbrennung springt auf
die Dampfblasen über und wird unter Steigerung der Geschwindigkeit (auf 10 -
50 mm/s) turbulent. Wird das Nitroglycol von außen her durch die ganze
Masse zum Sieden gebracht, so schlägt die turbulente Verbrennung in eine
Detonation um.

Trotz der extremen Stoßdrücke und der hohen inneren Energie in der
Detonationszone behält die Detonation fester oder flüssiger Sprengstoffe den
Charakter der heterogenen Reaktion infolge der kurzen Umsetzungszeit oder
der geringen Dicke der Detonationszone. Die Detonation setzt vornehmlich
nur an den freien Oberflächen ein. Die nach hydrodynamischen, thermo-
dynamischen Grundsätzen mögliche maximale und charakteristische Detonations-
geschwindigkeit (die obere Detonationsgeschwindigkeit) stellt sich nur dann
ein, wenn die Größe der freien Oberfläche ausreicht, um die völlige
Umsetzung des Sprengstoffes in der Detonationszone sicherzustellen.
Außerdem dürfen Energieverluste den Vorgang höchstens in den Randpartien
beeinflussen. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, so fällt die Geschwin-
digkeit ab. Sie kann z.B. bei Sprenggelatine von 8000m/s auf 1500m/s
zurückgehen.

Weiter ist diese untere Detonationsgeschwindigkeit ebenfalls
charakteristisch für den Sprengstoff. Werden die Bedingungen noch
ungünstiger, so setzt die Detomation aus (Totlaufen) oder geht in eine mehr
oder weniger heftige Verbrennung über (Auskochen).

Auch das Anlaufen einer durch Initialimpuls mit niedriger Geschwindigkeit
eingeleiteten Detonation zur maximalen Geschwindigkeit ist von der inneren
Oberfläche abhängig.Bei flüssigen oder plastischen Sprengstoffen übernehmen
die Oberflächen der eingeschlossenen Mikro-Gasblasen die Rolle der freien
Kristalloberfläche, wozu noch die Zündung durch nahezu adiabatische
Verdichtung und örtlich starke Stöße beim Zusammenschlagen (Kollaps) dieser
Gasbläschen hinzukommt (hot spots). Sowohl die Geschwindigkeit, der Druck,
die Schwadendichte und die Schwadengeschwindigkeit der maximalen Detonation,
als auch die entsprechenden Größen bei der unteren Detonations-
geschwindigkeit sind neuerdings für alle Sprengstoffe berechenbar geworden.
Selbst für die technischen Sprengstoffgemische lassen sich diese Daten nach
der hydro-thermodynamischen Theorie unter Heranziehung geeigneter
Zustandsgleichungen für die extremen Drücke und Temperaturen und der
quantenstatistisch berechneten Molwärmen und Gleichgewichte ermitteln . Als
Unterlagen sind die Zusammensetzung, Bildungswärme und Ladedichte des
entsprechenden Sprengstoffes erforderlich [6,63]. Durch Gegeneinanderlaufen
kräftiger Detonationsstöße erhielt Muraour [49,50] außergewöhnliche Licht-,
Wärme- und Stoßeffekte. Läßt man durch besondere Ausgestaltung der Ladung
(Hohlladungen) die Schwaden so ausstoßen, daß sie sich zu einem kräftigen
Strahl vereinigen, so tritt eine Steigerung der Durchschlagskraft ein.
Durch Einlage günstig geformter Metallbleche in passend ausgesparten
Ladungen wird ein Stoß aus Metallteilen und Schwaden erzielt, der
militärisch zum Durchschlagen von Panzerungen, zivil zum Durchtrennen von
Eisenkonstruktionen Verwendung findet.

==Definitionen und Erläuterungen==
[[Bild:Ex.png|right]]
Definition der Begriffe Explosion und explosionsfähiger Stoff.

Unter Explosion versteht man im weitesten Sinne jede physikalische oder
chemische Zustandsänderung von Stoffen, die unter plötzlicher
Arbeitsleistung vor sich geht.

Im engeren Sinne sind die Explosionen.

Vorgänge, die in einer auf dem Ausdehnungsbestrebe n von Gasen und Dämpfen
beruhenden, plötzlich verlaufenden Kraftäußerung bestehen, gleichgültig, ob
die Gase bereits vor der Explosion vorhanden waren oder erst bei ihr
gebildet wurden (Dampfkesselexplosionen oder Zerknall von Stahlflaschen mit
komprimierten Gasen).

Im engsten Sinne ist die Explosion eine sehr rasch verlaufende Umsetzung
eines chemisch einheitlichen Stoffes oder Stoffgemisches (explosionsfähiger
Stoff), bei dem erhebliche Gas- und Wärmemengen entwickelt werden.

Um einheitliche Bezeichnungen für die verschiedenen Arten von
explosionsfähigen Stoffen, vor allem in Gesetzen und Verordnugen zu haben,
hat die Bundesanstalt für Materialprüfung eine neue Einteilung und amtliche
Bezeichnung aller explosionsfähigen Stoffe zusammengestellt.

==Chemie der explosionsfähigen Stoffe==

Alle explosionsfähigen Stoffe sind chemische Verbindungen oder
Stoffgemische, die sich in sich selbst oder miteinander umlagern können
unter Freiwerden von Wärme und Gasen.

Von besonderer Wichtigkeit ist für die Bildung explosionsfähiger Stoffe Sauerstoff, der an Stickstoff (z.B.
in Nitraten mit organischem oder anorganischem Kation, in Form einer
organisch gebundenen Nitrogruppe) oder an Chlor (als Chlorat bzw.
Perchlorat) gebunden ist.

Die meisten Explosivstoffe sind auf die Oxidation von Kohlenstoff
und Wasserstoff abgestellt, weshalb man Stickstoff, Chlor und Sauerstoff
als die wichtigsten Elemente der Sprengstoffchemie bezeichen kann.

==Sprengstoffe==

Die wichtigsten Sprengstoffe sind die Salpetersäureester mehrwertiger
Alkohole.

Diese sind teils flüssig, teils fest und ihr explosiver Zerfall
erfolgt wegen der hohen freiwerdenden Energie mit einer Geschwindigkeit bis
zu 8000m/s.

Die wichtigsten Vertreter dieser Klasse sind Glycoldinitrat (Nitroglycol),
Glyzerinnitrat (Nitroglyzerin) und Pentacrythrittetranitrat (Nitropenta).

Der Zerfall des Nitroglyzerins erfolgt durch mechanische Einwirkung oder
durch Sprengkapselzündung nach der Gleichung:

4 * (C3H5(ONO2)3 -> 12 CO2 + 10 H2O + 6 N2 + O2 (1)

wobei je kg Sprengstoff 6222 Joule und 715 l Gas frei werden.

Eine andere Sprengstoffklasse sind die aromatischen Nitrokörper mit
mehreren Nitrogruppen je Benzolring. Typische Vertreter sind Pikrinsäure
und Trinitrotoluol.

Während Nitroglyzerin mehr Sauerstoff im Molekül enthält als zur völligen
Verbrennung des Kohlenstoffs und Wasserstoffs benötigt wird, genügt der
Sauerstoffgehalt der Nitrokörper bei weitem nicht zur völligen Oxidation von
Kohlenstoff und Wasserstoff.

Diese Stoffe haben eine negative Stoffbilanz
und verhalten sich bei der durch kräftige Initialzündung ausgelösten
Detonation dennoch wie brisante Explosivstoffe, wobei eine allgemein gültige
Umsetzungsformel nicht angegeben werden kann.

Die entstehenden Endprodukte
der Umsetzung sind vielmehr von der Ladedichte und der Art des Einschlusses
der Sprengstoffe abhängig, so daß Kohlensäure und Kohlenmonoxid neben
Wasserstoff und freiem Kohlenstoff (Ruß) auftreten können.

Die Möglichkeiten des an Stickstoff gebundenen Sauerstoffs, explosive
Systeme zu liefern, sind mit der seit Jahrhunderten bekannten Verarbeitung
des Salpeters mit Holzkohle und Schwefel zu Schießpulver oder Sprengpulver
und der Bindung von Estern, wie z.B. Nitroglyzerin, oder Nitrokörpern wie
z.B. Pikrinsäure, nicht erschöpft.

So genügt es, organische Stoffe, die mit konzentrierter Salpetersäure bei
gewöhnlicher Temperatur nicht reagieren, in höchstkonzentrierter Salpeter-
säure aufzulösen, z.B. 35 Teile Dinitrotoluol in 65 Teilen 99%iger
Salpetersäure oder 23 Teile Acetonitril in 77 Teilen der selben Säure, um
flüssige Sprengstoffe etwa von der Sensibilität und Sprengkraft des
Nitroglyzerins zu erhalten.

Die Unbequemlichkeit der Hantierung mit der
sauren Flüssigkeit, die hohe Empfindlichkeit gegen Schlag und Stoß, ferner
die erforderliche Vermischung an Ort und Stelle kurz vor dem Gebrauch
standen einer Verwendung hindernd im Wege.

Hierher gehören auch die äußerst
sprengkräftigen, stöchiometrischen Lösungen von Benzin oder Toluol in
flüssigem Stickstofftetraoxid (N2O4).

Zu den Sauerstoffträgern im Sinne der Erzeugung explosiver Systeme oder
Gemische, wie man die Salpeterarten, die Chlorate und Perchlorate sowie die
freie Salpetersäure und das flüssige Stickstofftetraoxid mit 69.9%
disponiblem Sauerstoff bezeichnet, gehört als organische Verbindung auch
das Tetranitromethan.

Dieses enthält 49% disponiblen Sauerstoff und kann
durch Auflösen organischer Verbindungen äußerst sprengkräftige, flüssige
Sprengstoffe bilden, während es für sich allein kaum Sprengstoffcharakter
besitzt.

Mit seiner hohen Dichte von 1.65g/cm3 bildet es höchst brisante
und detonationsempfindliche, explosive Lösungen, die allerdings wegen der
hohen Herstellungskosten und der unangenehmen Eigenschaften bisher keine
praktische Verwendung finden konnten.

Sauerstofflieferanten aus labiler Bindung sind auch die Peroxide und
Ozonide: wasserfreies Wasserstoffperoxid liefert mit 47% verfügbarem
Sauerstoff äußerst sprengkräftige und brisante Sprengstoffe, die aber für
eine praktische Anwendung zu große Handhabungsgefahren besitzen. Schon
80%iges Wasserstoffperoxid liefert mit Holzmehl im Verhältnis 3:1 einen
Sprengstoff von der Sprengleistung des gewöhnlichen Gelatine-Dynamits, der
schon bei Berührung mit aktiver Kohle entflammt.

Schließlich ist als Sprengstoffbasis der Sauerstoff selbst in flüssiger
Form (bei -183øC) zu erwähnen. Aufgesaugt von brennbaren Substanzen mit
hoher Porösität, wie Holzmehl oder Korkmehl, evtl. mit Zusatz von Ruß,
Petroleum oder Naphtalin, gibt er ziemlich sprengkräftige Mischungen, die
unter der Bezeichnug Oxyliquit zeitweise in erheblichem Umfang im ersten
Weltkrieg im Salzbergbau angewand wurden. Sie werden unwirksam, sobald der
flüssige Sauerstoff aus ihnen verdampft ist, daher ist ihre Lebensdauer
begrenzt. In Gasform ist der Sauerstoff bekannt als Komponente exlosiver
Gemische. Eine Mischung von Sauerstoff mit Wasserstoff liefert das bekannte
Knallgas. Mischungen von Luft und und Methan (Grubengas) führen zu den im
Bergbau gefürchteten Schlagenden Wettern, und Luft- Kohlenstaubgemische
haben gefährliche Kohlenstaubexplosionen im Kohlebergbau zur Folge.
Dampf- oder Gasgemische mit Luft haben gegenüber festen und flüssigen
Sprengstoffen eine geringe Dichte und somit auch eine geringere
Explosionsgeschwindigkeit. Sie entfalten keine den obigen Sprengstoffen
vergleichbare brisante Wirkung. Demgegenüber haben die sog. Raum-
explosionen, die beim Ausströmen großer Mengen leicht brennbarer Flüssig-
keiten von niederem Siedepunkt durch Vermischung mit Luft entstehen,
gezeigt, welche Verheerungen Gasexplosionen besonders an Gebäuden anrichten
können.

==Grenzen der praktischen Anwendung==

Von den zahlreichen explosionsfähigen Stoffen sind nur solche für den
praktischen Gebrauch geeignet, die eine ausreichende, aber nicht zu große
Detonationssensibilität besitzen. Labile Stoffe, die bei der leisesten
Reibung (Jodstickstoff) oder Berührung mit oxidablen Substanzen detonieren
(Chlorstickstoff), sind nicht verwendbar. Ähnliches trifft für zahlreiche
hochendotherme Stofe zu. Jede übermäßige Empfindlichkeit gegen mechanische
Beanspruchung und geringe chemische Beständigkeit gegen mäßige Erwärmung
schließt eine praktische Anwendung als Sprengmittel aus oder beschränkt die
Anwendung auf Sonderzwecke in kleinen Mengen. Bleiazid z.B. läßt sich nur
als Zündmittel (Initialsprengstoff) in Sprengkapseln in feinster Kristall-
form verwenden, größere Kristalle explodieren bereits beim Zerbrechen.
Andererseits muß die Detonation mit einfach anzuwendenden Mitteln sicher
auslösbar sein, um ein an sich explosives System als Sprengmittel anwenden
zu können.

Ammonsalpeter z.B. ist ein Explosivstoff, der unter Einschluß durch eine
sogenannte Zündladung aus einem anderen Sprengstoff zu einer exposiven
Zersetzung unter beachtlicher Arbeitsleistung gebracht werden kann. Mit
einer einfachen Sprengkapsel verpufft er nur teilweise und kann deshalb
nicht in Patronenform verwendet werden. Sprengstoffe für Bohrloch-
sprengungen müssen so detonationsfähig sein, da sie in den üblichen
Papierpatronen, in Reihe ausgelegt und am Ende mit einer Sprengkapsel
initiiert, durchdetonieren. Es gibt jedoch, besonders für die militärische
Anwendung auch Sprengladungen, die durch ihre besondere physikalische
Beschaffenheit (hohe Dichte durch Kompression oder Erstarrenlassen aus dem
Schmelzfluß) nur in starkem Einschluß mit starker Zündladung, aber nicht
direkt durch eine Sprengkapsel, zur Detonation gebracht werden können.

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	Schmelzfluß) nur in starkem Einschluß mit starker Zündladung, aber nicht		Schmelzfluß) nur in starkem Einschluß mit starker Zündladung, aber nicht
	direkt durch eine Sprengkapsel, zur Detonation gebracht werden können.		direkt durch eine Sprengkapsel, zur Detonation gebracht werden können.
		+	[[Kategorie:Chemie]

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Einführung in die Sprengchemie - Versionsgeschichte

Andre Pohle am 21. April 2021 um 12:23 Uhr

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