Химия горения черного (дымного) пороха

Чёрный порох представляет собой тесную смесь окислителя — KNO₃, горючего — древесный уголь, серы — цементатора (сера улучшает воспламеняемость и понижает гигроскопичность). Смеси такого типа были, изобретены около 100 г. до н. э. в Китае. Их взрывное действие трактовалось как результат внезапного соединения противоположных начал «ян» и «инь», причём носителем «ян» считалась сера, а носителем «инь» селитра.

Так называемый «дымный порох» (75% KNO3, 10% S и 15% С) приблизительно отвечает составу 2 KNO3 + 3 C + S, вообще же относительные количества составных частей в отдельных сортах колеблются. Черный порох легко воспламеняется под действием искры, чувствителен к удару и трению. Температура вспышки 270- 310 °C. Теплота сгорания до 2.9 МДж/кг. Реакция между твёрдыми веществами протекает очень медленно. Исследования показали, что в начальной стадии процесса воспламенения пороха происходит расплавление серы. Возникающий при этом тесный контакт жидкой серы с азотнокислым калием и органическими веществами, содержащимися в угле, приводит к увеличению скорости реакции до значений, характерных для взрывного превращения.

Формально горение происходит в 2 стадии:

1: 2KNO₃ + S + 3C= K₂SO₄ + N₂ + 2C + CO₂,.

с увеличением давления увеличивается доля вступившего в реакцию угля:

2: K₂SO₄ + 2C = K₂S + 2CO₂.

Реальный состав продуктов сгорания пороха намного сложнее, частично образуются также CO, K₂CO₃ .В результате реакции горения пороха выделяются продукты сгорания, состоящие на 40% из газообразных и на 60% из твердых производных реакции горения. Ввиду наличия среди продуктов сгорания твёрдых веществ, взрыв чёрного пороха сопровождается выделением дыма. Объем продуктов сгорания для стандартного состава до 280л/кг.

Отдельные компоненты в составе дымных порохов имеют сле-дующее назначение.

Селитра является окислителем и при нагревании легко от-дает кислород. Выделяющийся кислород окисляет серу и уголь. С увеличением содержания селитры в порохе до определенного предела (~80%) сила пороха возрастает и увеличивается ско-рость его горения. В природе много веществ, богатых кислородом, но для целей пороходелия находит применение почти исключи-тельно калиевая селитра, так как она в наибольшей степени удов-летворяет всем требованиям, предъявляемым к окислителям в со-ставе пороха (малая гигроскопичность, т. е. мало впитывает влагу из окружающей среды, что обеспечивает физическую стойкость изготовленного из неё пороха, и невысокая чувствитель-ность к детонации) .

Сера — твёрдое кристаллическое вещество светло жёлтого цвета, не растворимое в воде. Сера, с одной стороны, является цементатором, связывающим селитру с углем, а с другой, — горючим веществом, облегчающим воспламенение пороха, так как сера воспламеняется при более низкой температуре, чем уголь. От увеличения содержания серы в порохе сила пороха и скорость горения уменьшаются. В пороходелии применяется сера только кристаллической формы с температурой плавления 114,5°.

Уголь. Для производства пороха используют древесный уголь из мягких пород дерева и содержащий около 75% углерода (бурого цвета). Такой уголь обеспечивает более быстрое сгорание пороха из-за наличия органических и неорганических веществ, служащих катализаторами горения и лучшую стабильность при хранении.

Порох воспламеняется тем легче, чем меньше степень обжига угля. Сила пороха увеличивается с увеличением степени обжига угля. Лучший древесный уголь получается из следующих сортов молодой древесины: ива, кедр, пальмовое дерево, клен, ольха. Продукты пережёга должны содержать 60% чистого углерода, 38% углеводов, 2% золы.