Краткий курс пиротехники

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)