Расчеты пиротехнических смесей.
Преамбула
Вы когда-нибудь пробовали спросить что-нибудь у программиста? В 99,9% случаев внятного ответа вы не получите! Но тут не форум программистов, и я не собираюсь надувать щеки, потеть очками и нести только одному мне понятную ахинею.
У меня стоит задача, научить, а не показать свою «ученость». И так начнем с самого простого.
Теория
Вся пиротехника, применительно к пиротехническим смесям, это частный случай химии, где что-то сгорает или взрывается. Давайте рассмотрим процесс горения глазами химика. Все знают, что наш мир состоит из веществ и их, этих веществ, существует превеликое множество. Все они обладают разными свойствами: сыпучие, вонючие, твердые, жидкие, газообразные и так далее… Но нас интересует в первую очередь горение, поэтому сузим круг до горючих веществ и не горючих. Не горючие, пока тоже отставим в сторону, но не далеко.
Простой пример - горит костер. За счет чего горят дрова? Ну это знает каждый школьник, за счет кислорода воздуха. И это правильно! Непременным условием горения является наличие кислорода + тепла + того что должно гореть.
Все пиротехнические смеси построены именно по такому принципу. Топливо + окислитель. Окислитель это и есть то вещество, которое этот кислород содержит и выделяет его в процессе сгорания пиротехнического состава, для поддержания горения. Все эти реакции называются окислительно-восстановительными, а пиротехнические смеси: ТОС (топливно-окислительная смесь).
Давайте по ближе разберемся с топливами. Это прежде всего горючие вещества, такие как углерод (уголь), сера, фосфор, сахар, уротропин и т.д. Туда же нужно отнести порошки металлов: железо, магний, титан, алюминий (всем знакомая серебрянка) и прочая экзотика.
С топливами более менее разобрались, теперь обратим внимание на окислители. Как я уже обращал внимание, это такие вещества, которые при нагревании легко выделяют кислород. Ими могут быть калийная/натриевая селитры, бертолетова соль, окислы некоторых металлов (железный/свинцовый сурик), перманганат калия (марганцовка) и т.д.
Тут «водичка» заканчивается.
Будем учиться рассчитывать простейшие ТОС-ы. Дальнейшее повествование подразумевает наличие начальных знаний химии у читающего, на уровне школьной программы. До сих пор в тексте не было ни одной формулы, и сейчас мы это исправим!
Практика
Для примера возьмем простейшую смесь нитрата калия (KNO3) и магния(Mg). В первую очередь надо написать уравнение реакции горения данной смеси, но для этого надо знать какие продукты будут получатся в результате её сгорания. Сразу оговорюсь, что с этим не все так просто, надо учитывать температуру, давление и некоторые другие факторы протекания реакции, но для упрощения примера, чтоб показать принцип расчета, примем что нитрат калия развалится до К2O и N2, а магний окислится кислородом отнятым от селитры. В итоге, реакция будет иметь вид:
KNO3 + Mg → K2O + N2 + MgO
То что мы написали вполне отражает ход реакции, но для расчетов не подходит.
Для этого нам нужно уравнение, а у нас знак равенства пока не стоит, а стоит всего лишь
стрелочка.
Чтобы стрелочку поменять на знак равенства, левая и правая части уравнения должны быть равны.
Другими словами, количество атомов вещества с права, должно совпадать количеству атомов этого же вещества с лева.
Для этого существует такая жуткая вещь которая называется коэффициенты!
( Не знаю почему, но когда учился в школе, всех отличниц-зубрилок, эта задача высаживала в мутный осадок... хотя сложность действий на уровне арифметики "три плюс два"... Для меня это до сих пор остается загадкой!)
Коэффициент поставленный перед формулой вещества, умножает количество всех атомов входящих в формулу этого вещества на свое значение. Давайте разбираться с нашим примером. Смотрим на калий. В левой части имеем один атом калия, а в правой имеем два калия! Не порядок! Поставим перед формулой нитрата калия коэфициент "2". Теперь Условно фрмула нитрата калия приобретет вид "К2N2O6", но так ни кто не пишет, а просто перед формулой ставится двойка.
"К2N2O6" + Mg → K2O + N2 + MgO
Смотрим что получилось. С калием все в порядке! За одно и с азотом все сошлось! Но вот неувязка с магнием и кислородом... Но это легко поправить. Смотрим сколько у нас кислородов с лева, а их 6. С права всего два - один висит в К2О и еще один в МgO. Чтобы воцарился порядок, надо перед магнием, в левой и правой части поставить коэффициент "5".
"К2N2O6" + 5Mg → K2O + N2 + "Mg5O5"
БИНГО!!! Все играет!!! Теперь у нас уравнение!!!
2KNO3 + 5Mg = K2O + N2 + 5MgO
Правда офигенно трудная задача? 
Теперь про старые бабушкины валенки которые МОЛЬ трахнула...
Если про насекомых, которые очень любят кушать на завтрак обед и ужин нафталин все понятно, то с
химическим термином МОЛЬ у некоторых возникают непонятки...
МОЛЬ это специальная еденица которая принята для упрощения расчетов. Её суть сводится к тому, что в одном моле вещества содержится одинаковое колличество молекул. То есть это буквально значит, что в одном моле нитрата калия, хлорида натрия, воды, всего чего угодно, содержится столько же молекул, сколько в одном моле например серы или сахара.
А что это нам дает? Не пинцетом же эти молекулы отмерять? Конечно же нет! Просто тут мы подошли в плотную к
определению молярная масса вещества. Это масса вещества которую имеет 1 моль этого вещества, и выражается она в г/моль и обозначается буквой "М".
Находится она очень просто из таблицы Д.И. Менделева по сумме атомных весов элементов входящих в состав молекулы этого вещества. Из нашего примера:
М(KNO3)=(атомный вес калия)+(атомный вес азота)+(три атомных веса кислорода)=39+14+16*3=101г/моль
М(Mg)=(атомный вес магния)=24г/моль
С молярной массой определились...
Но так все же "Скока вешать в граммах?" Для этого смотрим уравнение нашей реакции, из которой видно, что
на каждых две молекулы нитрата калия идет пять молекул магния. Чтобы все было "в кедах" Пересчитываем согласно этому соотношению.
масса KNO3 которую надо отвесить для реакции 101 х 2 = 202г
масса Mg которую надо отвесить для реакции 24 х 5 = 120г
Полученные значения можно пропорционально умножать или делить на любое число, главное что соотношения
сохраняются. Для удобства можно пересчитать в проценты, приняв всю массу смеси за 100% и получить процентные соотношения компонентов.
Mg - 37%
КNO3 – 63%
Можно было пойти по несколько другому пути, задаться определенным количеством одного из компонентов, например топливом, просчитать какое необходимо количество кислорода для его полного сгорания, затем просчитать какое количество окислителя способно его отдать.
Оба пути правильные и в обоих случаях получим то же самое процентное соотношение компонентов. Сути это не меняет. Вот собственно все, что хотел написать по данному вопросу. Не хотел углубляться в подробности, потому что ставил перед собой задачу показать на простом примере сам принцип, а не заворачивать мозги. Запутаться вы еще успеете. Для более детального изучения могу порекомендовать того же Шидловского или любой другой учебник по пиротехнике.
Отредактировано judas (2010-10-22 16:40:35)