窒素は、急速な発熱反応を引き起こす重要な成分であるため、爆発物に使用されます。反応の急速な性質により、熱と光の形で爆発的なエネルギーが生成されます。このエネルギーは、人、木、車を一掃するほど強力です。
窒素ガス (N2) の分子は、これまでに発見された中で最も安定した結合の 1 つであるため、爆薬での窒素の使用は皮肉なことです。窒素が爆発性であるなら、大部分が窒素である大気が壊滅的な爆発に屈したことがないのはなぜですか?
それでも、窒素がなければ、TNT やダイナマイトはチーズや砂と同じくらい爆発的だったでしょう。では、何が窒素を魔法の成分にしているのでしょうか?
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爆発物はどのように機能しますか?
爆薬の中心には、いわゆる発熱酸化還元または還元酸化反応に関与する完全な比率で混合された化学物質があります。酸化還元反応は、反応物が電子を交換する必要がある化学反応の一種です。電子を失った反応物は「酸化された」と言われ、まさにこれらの電子を獲得した反応物は「還元された」と言われます。爆発物の場合、このトランザクションは発熱性であり、完了時に熱を放出することを意味します。
たとえば、硝酸カリウム、炭素、硫黄を完全な比率で混合したものは、一般に火薬として知られているものを構成します。混合物が熱や単なる火花にさらされると、化学反応が引き起こされます。酸化種は炭素と硫黄ですが、硝酸カリウムは還元されます。この反応は発熱性であり、熱と光の形で爆発的なエネルギーも放出します。
火薬炸裂。写真提供:ウィキメディア・コモンズ 著者:マイク・スリー
ただし、発熱反応は爆発を保証するものではありません。鉄の錆びも発熱酸化還元反応によるものですが、腐食した釘が突然爆発するのはまだ見たことがありません。爆発を引き起こす鍵は、単なる発熱反応ではなく、非常に素早い反応です。さびは非常にゆっくりとした長時間のプロセスであるため、鉄が爆発することはありません。
起爆装置が物理的、化学的、または電子的に反応を引き起こすと、混合物は固体または液体から気体への相転移を起こします。反応で放出される熱は、このガスの温度を上昇させます。ただし、この反応の素早い性質は、このガスの移行とその結果としての膨張が非常に速いことを意味します。
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1 グラムの TNT は、数秒でほぼ 1 リットルのガスを生成します。したがって、解放されたエネルギーと圧力は、ほぼ瞬時に、人、木、車を一掃するのに十分強力な迅速な衝撃波として外側に伝播します。
優れた安定性
窒素は、その非常に不安定な化合物が、刺激されると急速に分解して途方もなく安定した化合物である窒素ガスになるという単純な理由から、爆薬の重要な構成要素です。しかし、不安定な化合物から安定した化合物を生成すると、なぜこれほど驚異的な量のエネルギーが放出されるのでしょうか?
さて、ダイナマイトの主成分であるニトログリセリンや、一般に頭文字 TNT で知られるトリニトロトルエンなどの窒素化合物を合成する前に、まず窒素化合物を個々の窒素原子に分解する必要があります。窒素などの安定した化合物を構成要素に分離することは、くっついた 2 つの湿ったページを分離するようなものです。必要 そうするための多くのエネルギー。したがって、プロセスが逆に発生する場合、つまり、原子が再結合して窒素ガスを形成する場合、同じ量のエネルギーが生成されます .
したがって、反応は、より安定した化合物を生成すると、より発熱的になります。これが、酸素が燃焼に明らかに必要である一方で、爆発物が酸素で満たされている理由です。これは、窒素のようなその化合物が急速に分解して酸素分子、同等に安定した分子を形成するためです。もう 1 つの爆発的なお気に入りはカーボンです。
これらの要素を促進するガソリンは、TNT よりも大きなポテンシャル エネルギーを誇っていますが、TNT が爆発するのは、第一に、非常に不安定であり、第二に、前述のように、反応の速度が速いためです。エネルギーとガスが放出されます。
実際、窒素の猛威を目の当たりにするには、液体窒素をボトルに注ぎ、室温に置くだけです。非常に高密度で不安定な化合物は、急速に窒素ガスに変化します。この膨張を抑えるのに十分な強度のないボトルは、簡単に吹き飛ばされてしまいます。しかし、爆発を抑えるのに十分な強さのボトルは、実際にはそれを加圧し、炎上させてしまいます。一見無害に見える行動が、突然の Kaboom! で最高潮に達します。
