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

1. 68 % Ba(NO3) 2 на 32 % Mg.

2. 88 % Ba(NO3) на 12 % идитола.

Считая, что содержание 4 % идитола в составе обеспечивает достаточную механическую прочность осветительной звездки, выбираем соотношение двойных смесей равным 2:1, осуществляем расчет (число 3, стоящее в знаменателе приводимых дробей, получается при сложении массовых частей обоих смесей).

Нитрат бария… (68∙2)/3 + (88∙1)/3 = 75%

Магний… (32∙2)/3 = 21%

Идитол… (12∙1)/3 = 4%

Очевидно, что выбранное наудачу соотношение между двумя двойными смесями не является оптимальным и требует экспериментального уточнения с учетом достижения максимального специального эффекта, ожидаемого от осветительных составов. Можно привести еще несколько примеров составления рецептур тройных составов, однако, в любом случае окончательную точку ставит эксперимент.

Для практической работы проще составить рецепт основной смеси, а затем экспериментально подобрать количество вспомогательного вещества, являющегося горючим, одновременно корректируя введение окислителя в большую сторону. Достаточно сказать, что рецептура типичного тройного состава черного пороха была подобрана задолго до возникновения химической науки, причем эта рецептура практически не изменилась по сию пору.

Расчет составов с отрицательным кислородным балансом

Во многих случаях специальный эффект пиротехнических составов повышается, если в процессе горения горючее окисляется не только кислородом окислителя, но также и кислородом воздуха. В этом случае повышается теплота горения состава, которая при прочих равных условиях тем больше, чем больше в нем будет содержаться полностью сгорающего горючего и меньше окислителя. Это возможно тогда, когда в окислении принимает участие кислород воздуха, который должен легко окислять применяемое в составе горючее.

Наиболее распространенным горючим, сгорание которого в составе может происходить также и за счет кислорода воздуха, является магний. Во многих случаях могут применяться составы, где лишь половина магния окисляется за счет кислорода окислителя, другая же половина сгорает за счет кислорода воздуха.

Трудноокисляемые горючие (грубодисперсные частицы алюминия, кремния) должны полностью окисляться кислородом окислителя, так как они не могут полностью сгореть за счет кислорода воздуха.

Количество горючего, которое может сгореть за счет кислорода воздуха определяется опытным путем, сжиганием исследуемого горючего с различным количеством окислителя и последующим анализом продуктов горения. Пиротехнические составы, содержащие в себе избыток окислителя сверх того, что необходимо для полного окисления горючего, называют составами с положительным кислородным балансом, однако, избыток окислителя, не участвующий в процессе горения, является безусловно вредным и в пиротехнике практически не применяется кроме специальных случаев, например, в хлоратных кислородных свечах (смотри раздел "Пиротехнические источники газов").

Составы, содержащие в себе количество окислителя, необходимое для полного сгорания горючего до высших окислов, называют составами с нулевым кислородным балансом.

Составы, содержащие в себе окислитель в количестве недостаточном для полного окисления горючего называют составами с отрицательным кислородным балансом.

Большинство применяемых в настоящее время пиротехнических составов являются составами с отрицательным кислородным балансом.

Под термином "кислородный баланс (n) состава" понимают то количество кислорода в граммах, добавление которого необходимо для полного окисления всего горючего в 100 г состава.

Отношение количества окислителя, которое содержится в составе, к количеству окислителя, необходимому для полного сгорания всего содержащегося в составе горючего, называют коэффициентом обеспеченности состава окислителем (k). Кислородный баланс, при наличии которого в составе получается наилучший специальный эффект, называют оптимальным кислородным балансом.

При расчетах двойных смесей магния или алюминия с нитратами щелочных или щелочноземельных металлов используются понятия "активный" и "полный" кислородный баланс.

"Активный" баланс — это отдача окислителем только непрочно связанного, так называемого "активного" кислорода.

Sr(NO3)2 + 5Mg = SrO + N2 + 5MgO

"Полный" баланс — в расчет принимается весь кислород, содержащийся в окислителе, а уравнение составляется так, как будто металл, содержащийся в окислителе восстанавливается до свободного состояния.

Sr(NO3)2 + 6Mg = Sr + N2 + 6MgO

Составы с "полным" кислородным балансом фактически являются составами с отрицательным кислородным балансом, поскольку только в редких случаях окислитель может отдать весь содержащийся в его составе кислород на окисление горючего.

При расчете составов с отрицательным балансом задается необходимый кислородный баланс в граммах кислорода.

Пример: рассчитать двойную смесь хлората калия с магнием, при условии, что ее кислородный баланс n = — 20 г O2, то есть недостаток кислорода для сгорания состава с указанным n составит 20 г, каковое количество будет почерпнуто из воздуха.

В таблицах 1 и 4 находим для хлората калия и магния числа 2,55 и 1,52, соответственно. Вычисляем, что 20 г кислорода окисляют 20∙1,52 = 30,4 г магния.

Остающиеся 69,6 г состава должны быть рассчитаны обычным путем на нулевой кислородный баланс.

Содержание хлората калия в составе (2,55∙69,6)/(2,55 + 1,52) = 43,6 %.

Магния в составе будет 100 — 43,6 = 56,4 %. За счет кислорода окислителя будет сгорать 56,4 — 30,4 = 26,0 % магния.

Коэффициент обеспеченности горючего окислителем будет в данном случае равен к = 26,0/56,4 = 0,46.

Аналогичный расчет может быть осуществлен и для многокомпонентных смесей.

Вычисление кислородного баланса n и коэффициента k в готовых составах дает возможность судить о степени необходимости горящего состава в контакте с кислородом воздуха, выяснить причины искрения состава, возможность его затухания и тому подобное.

Порядок вычисления пик для имеющихся готовых составов показан в примере.

Пример: рассчитать пик для состава желтого огня, имеющего рецепт:

— хлорат калия… 60%

— оксалат натрия… 25%

— шеллак… 15%

Из таблицы 1 и 5 находим, что для сгорания в углекислый газ и воду 0,47 г шеллака или 8,37 г оксалата натрия необходимо 2,55 г хлората калия, следовательно, для сгорания 15 г шеллака требуется (2,55∙15)/0,47 = 81,5 г хлората калия, а для сгорания 25 г оксалата натрия требуется (2,55∙25)/8,37 = 7,6 г хлората калия.

Коэффициент обеспеченности состава окислителем: k = 60/(81.5 + 7.6) = 0.67

Значение кислородного баланса: n = (60 — (81.5 + 7.6))/2.55 = -11.4 г O2

Расчет металлогалогенных составов

В металлогалогенных составах роль окислителя выполняет хлор или фторорганическое соединение, а роль горючего — активный металл.

Окислитель берется в таком количестве, чтобы содержащегося в нем хлора или фтора хватило на полное окисление металла до высшего хлористого или фтористого соединения.

Например:

С2Сl6 + 3Zn = 2С + 3ZnCl2

Для расчетов используется таблица 6*, в которой указывается количество окислителя отдающего при распаде 1 г хлора или фтора и количество металла, соединяющегося с 1 г галогена.

Пример: Рассчитать содержание компонентов в двойной смеси гексохлорэтаналюминий, используя данные таблицы 6:

— Гексахлорэтан… 1,11 г

— Алюминий… 0,27 г

Всего смеси… 1,38 г

Или в процентах: гексахлорэтан (1,11∙100)/1,38 = 80,5 %, алюминий 100 —