Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №12 - Журнал «Домашняя лаборатория»

class="p1">После выбора основных компонентов смеси возникает задача подбора массовых соотношений компонентов состава, причем количество окислителя должно быть достаточным для сгорания всего горючего без участия кислорода воздуха.

Расчет двойных смесей

Для получения рецепта двойной смеси необходимо записать уравнение реакции горения и на его основании произвести расчет массовых соотношений между окислителем и горючим. Рассмотрим конкретный пример.

КСlO4 + 4Mg = КСl + 4МgО

Атомный вес калия 39,1 у.е.; хлора 35,45 у.е.; кислорода 16 у.е. Общий вес перхлората калия составляет 39,1 + 35,45 + 16∙4 = 138,55 у.е., округленно — 139 у.е. Атомный вес магния 24,31 у.е. ∙ 4 = 97,24 у.е., округленно — 97 у.е. Таким образом на 139 г перхлората калия приходится 97 г магния. Сложив количество окислителя и горючего, получаем: 139 г + 97 г = 236 г смеси.

Составляем пропорции:

236 г: 100 % = 139 г: х% откуда х = 59,9 % KClO4

236 г: 100 % = 97 г: х% откуда х = 41,1 % Mg

Округляем полученные цифры и получаем рецепт состава: 59 % KClO4 и 41 % Mg.

При составлении уравнений далеко не всегда можно предугадать состав конечных продуктов реакции с полной уверенностью, особенно это касается тех случаев когда реакция разложения окислителя проходит в несколько стадий, окислитель недостаточно энергичен, температура реакции недостаточно высока, горючее недостаточно калорийно, имеет органическое происхождение, или является солями кислот, например, желтая кровяная соль. Знание состава конечных продуктов реакции, а, значит, и составление точного уравнения возможно только в том случае, когда имеются данные химического анализа продуктов реакции. Не имея их можно говорить только о вероятном уравнении реакции горения.

В связи с вышесказанным, следует говорить о наиболее вероятном в данном конкретном случае уравнении распада окислителя (смотри таблицу 1) и наиболее вероятных продуктах окисления горючего (смотри таблицы 4 и 9).

Например: найти рецепт двойной смеси из нитрата бария и магния. В таблице 1 находим уравнение распада окислителя:

Ba(NO3)2 = BaO + N2 + 2,5O2

В таблице 4 указано, что продукт окисления магния есть МgО. Записываем вероятное уравнения реакции:

Ba(NO3)2 + 5Мg = BaO + N2 + 5МgО

Из уравнения определяем рецепт состава — 68 % Ba(NO3)2 и 32 % Mg. Полученный состав используется в качестве фотосмеси. При недостатке окислителя в смеси, магний сгорит за счет кислорода воздуха, поэтому количество окислителя может быть уменьшено ниже 68 %, однако, интенсивность горения такой смеси будет ниже, чем составленной по уравнению. Мощность светового излучения в импульсе окажется также несколько ниже. При составлении уравнений горения составов, содержащих уголь или органическое горючее, можно вести расчет либо на полное окисление горючего с образованием углекислого газа и воды, либо, при уменьшенном содержании окислителя, рассчитывать на образование воды и окиси углерода. Для примера составим уравнения реакции горения нитрата калия и идитола для обоих случаев.

12KNO3 + C13H12O2 = 6К2O + 6N2 + 13СO2 + 6Н2O реакция протекает до образования двуокиси углерода, рецепт смеси — 86 % KNO3 на 14 % идитола.

34KNO3 + 5C13H12O2 = 17К2O + 17N2 + 65СО + 30H2O реакция протекает до образования окиси углерода, рецепт смеси — 77 % KNO3 на 23 % идитола.

Уравнения только в известной мере соответствуют действительности, поскольку при горении смесей нитратов с органическими горючими образуются и некоторые количества нитрита и окиси калия, а при соединении окиси калия с углекислым газом образуется и карбонат калия.

Подбор коэффициентов при расчете смесей с органическими горючими требует много времени, в связи с этим А.Н. Демидовым было предложено пользоваться таблицами, в которых указано сколько граммов окислителя потребуется для выделения 1 грамма активного кислорода и какое количество горючего может быть окислено 1 граммом этого кислорода до высших окислов. Эти таблицы составлялись следующим образом. Известно, что в условиях горения составов, например, перхлорат аммония, разлагается по уравнению:

2NH4ClO4 = N2 + 2НСl + 3Н2O + 2,5O2

Из уравнения, масса ПХА составляет 235 г, масса выделившегося кислорода 80 г.

Составляя пропорцию 235 г.: 80 г = хг.: 1 г, находим х = 2,93 г. Таково количество ПХА, выделяющее при разложении 1 г кислорода.

Окисление алюминия протекает по уравнению:

2Аl + 1,5O2 = Аl2O3

Масса алюминия 54 г, масса кислорода для его окисления 48 г. Из пропорции 54 г.: 48 г. = х г.: 1 г находим х = 1,12 г, то есть количество алюминия, который может быть окислен 1 г кислорода.

Пример работы с таблицами: Найти рецепт реактивного горючего (без цементатора) состоящего из ПХА и алюминия.

В графе 7 таблицы 1 находим для ПХА число 2,93, а в графе 6 таблицы 4 число 1,12 для алюминия, эти числа в сущности выражают массовые количества компонентов, входящих в смесь, выраженные в граммах.

ПХА 2,93 г, алюминий 1,12 г, всего смеси: 2,93 г + 1,12 г = 4,05 г. Составляем пропорцию: 4,05 г / 100 % = 2,93 г / х %, где х равен 72 %, то есть количеству ПХА в смеси. Рецептура смеси — 72 % NH4ClO4, 28 % Аl.

Рассмотренная смесь имеет характер примера, так как металлическое горючее в полученном количестве вводить в реактивные топлива нецелесообразно по причинам, рассмотренным в разделе "Реактивные топлива". А для получения достаточной механической прочности заряда необходимо введение значительного количества горючего, служащего одновременно цементатором. Таким образом, реально необходимо рассчитать не двойную, а тройную смесь веществ.

Расчет тройных и многокомпонентных смесей

В некоторых случаях тройные смеси можно рассматривать как состоящие из двух двойных смесей содержащих в себе один и тот же окислитель. Однако это сравнение весьма приблизительно, так как наличие в составе двух разных горючих может резко изменить направление реакции и тогда этот подход становиться неприемлемым.

Так, например, в случае состава нитрат бария + алюминий + сера в результате его горения происходит взаимодействие между алюминием и серой с образованием Аl2O3 и SO2. В состав продуктов горения такого состава могут входить также: ВаО, Аl2O3, Ва(АlO2)2, BaS, BaSO4, Al2S3, SO2, N2 и другие.

Состав продуктов горения зависит не только от соотношения компонентов в составе, но и от условий горения: давления, начальной температуры, условий теплоотвода и теплопередачи, плотности состава и так далее. При весьма приближенных расчетах тройных смесей, содержащих в себе окислитель, металлическое горючее и органическое горючее, например, какой-либо цементатор может использоваться следующий прием.

Пример: найти рецепт тройной смеси нитрат бария + магний + идитол. Составляя уравнение реакции