“爆脾气”的硝基化合物(上)

来源: 百科知识

发布日期: 2020-09-22

本文讨论了硝基化合物的性质及其在炸药中的应用,特别是硝酸铵、苦味酸、TNT和硝酸甘油,解释了它们作为炸药的原理和历史背景。

当地时间8月4日下午,黎巴嫩首都贝鲁特港口发生巨大爆炸,造成严重人员伤亡和财产损失。据报道,爆炸是由港口区存放的2700吨硝酸铵引起的。能用作化肥的硝酸铵为何有这么大的破坏力?原来,它是“爆脾气”的硝基化合物大家族中的一员。硝基(NO2+)是指硝酸(HNO3)分子中去掉一个羟基(OH-)后剩下的基团。硝基与其他基团相连的化合物称为硝基化合物。

比如这个家族中的“杠把子”TNT—三硝基甲苯,属于芳香族硝基化合物;含有氧-硝基的硝酸酯类化合物,如硝酸甘油,它既是炸药,又是良药;含有氮-硝基的硝胺类化合物,出了不少高能炸药,如黑索今、奥克托今,CL-20(一种笼型多环硝胺)更是当今可实际应用的能量最高、威力最大的非核单质炸药。

爆炸反应的本质是氧化还原反应。

硝基中的氮呈现高价态,具有强氧化性,强烈倾向于生成稳定的氮气,而且硝基越多氧化性越强;有机物中的碳则具有还原性,本身还可燃烧,再加上硝基中的氧作为助燃剂。一旦外界施加一定的能量,就能发生剧烈的放热反应,生成的氮气等气体以高温高压气体冲击波的形式释放出来。硝酸铵虽然不是有机物,不含碳,但这并不妨碍氧化还原反应的发生。

因为硝酸铵中有两个价态不一样的氮,一个+5,一个-3,也就是说氧化剂和还原剂,硝酸铵一肩挑了。1659年,德国人格劳贝尔首次制得硝酸铵。随着合成氨工业的发展,硝酸铵生产获得了丰富的原料,一度成为氮肥的领先品种。虽然作为化肥使用的硝酸铵要经过钝化,但危险还是不小,所以现在已很少见,代之以碳酸氢铵、尿素、有机化肥等。

三硝基苯酚是苯酚的三硝基取代物,因有苦杏仁味且酸性很强,所以得名苦味酸。

苦味酸是世界上最早的合成炸药,早在1771年就由英国人沃尔夫合成出来,最初是作为黄色染料使用。1871年的一天,法国一家染料厂的工人想用榔头砸开盛装苦味酸的桶,结果造成爆炸,人们才发现这种黄色染料的另类用途。经过试验和调配,这种爆炸力巨大的黄色炸药取代了当时炮弹中充填的黑色火药。不过,苦味酸稳定性不强,受热、摩擦、撞击时会发生爆炸。

1863年,德国人威尔勃兰德发明了化学成分为2,4,6-三硝基甲苯的炸药,这就是鼎鼎大名的梯恩梯(TNT)。TNT是一种威力很强而又相当安全的炸药,即使被子弹击穿,也不容易爆炸,所以需要使用雷管作为引爆装置。雷管是装有引爆药的金属或纸、塑料等材质的小管,因最初装的引爆药是雷汞,所以得名雷管。另外,TNT熔点仅82℃,很容易变成液体,方便装填和塑形。

TNT逐渐取代苦味酸,广泛用于装填各种弹药和进行爆炸,并赢得了“炸药之王”的称号,以至于TNT还成为衡量爆炸威力的计量单位。一枚200万吨TNT当量的核武器,其爆炸产生的能量就相当于200万吨TNT爆炸产生的能量(每千克TNT炸药可产生4.2兆焦的能量)。

硝酸甘油全称为三硝酸甘油酯,是丙三醇(甘油)与硝酸发生酯化反应形成的。

与一般有机硝化物含有“碳-硝基”不同,它属于含有“氧-硝基”的硝酸酯类炸药。1846年,意大利化学家索布雷首次制成硝酸甘油,但对其研究和应用贡献最大的当属瑞典人阿尔弗雷德·诺贝尔。他降服了这种受轻微振动就会爆炸的危险液体,制成了高稳定性、防误爆的硝酸甘油钝化炸药,由此富甲一方,并留下了“诺贝尔奖”这一百年遗产。在这一过程中,他的家人也付出了生命的代价。另外,硝酸甘油制剂还是心脏病患者的救命药。

不必担心药片会爆炸,因为其中硝酸甘油含量很小。

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