Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир - Джей Берресон

Порох (черный порох) — первая взрывоопасная смесь, придуманная человеком, — уже в древности использовался в Китае, Индии и в Аравии. В древних китайских текстах упоминается “огненное зелье”. Состав пороха был впервые описан только в начале 1000-х годов, но и тогда точная пропорция нитратной соли, серы и углерода не была известна. Нитратная соль (селитра, “китайский снег”, “китайская соль”) представляет собой нитрат калия, химическая формула которого такова: KNO3. Углерод для пороха брали в виде древесного угля, что и объясняло черный цвет порошка.

Сначала порох использовали для салютов и фейерверков, однако к середине XI века военные научились пускать огненные стрелы. В 1067 году производство серы и селитры было взято китайским правительством под контроль.

Мы точно не знаем, когда порох прибыл в Европу. Францисканский монах Роджер Бэкон, родившийся в Англии и обучавшийся в университетах Оксфорда и Парижа, упомянул о порохе около 1260 года, за несколько лет до того, как Марко Поло вернулся в Венецию с рассказами о китайском “огненном зелье”. Бэкон был ученым и экспериментатором. Он занимался вопросами, которые сейчас мы отнесли бы к области астрономии, химии и физики. Он знал арабский язык, так что, возможно, читал и о порохе. Бэкон мог знать о разрушительной силе пороха, поскольку дал его описание в виде анаграммы, которую следовало расшифровать: семь частей селитры, пять — древесного угля, пять частей серы. Загадка оставалась нераскрытой на протяжении 650 лет, пока ее не разгадал один английский полковник[8].

Современные типы пороха несколько различаются по составу, однако все содержат значительно больше селитры, чем указал Бэкон. Химическую реакцию взрыва пороха можно записать следующим образом:

Из этой химической реакции можно узнать соотношение реагирующих веществ и образующихся продуктов. Буквы “тв” в скобках говорят о том, что данное вещество твердое, а буква “г” указывает на то, что это — газ. Из уравнения видно, что все реагирующие вещества твердые, но в результате реакции образуется восемь газообразных молекул: три молекулы двуокиси углерода, три — окиси углерода и две — азота. Именно горячие расширяющиеся газы, образующиеся при быстром горении пороха, толкают пушечное ядро или пулю. Образующиеся твердые карбонат и сульфид калия распыляются в виде мельчайших частичек и являются причиной появления плотного дыма, сопровождающего взрыв пороха.

Первое огнестрельное оружие, появившееся между 1300 и 1325 годом, представляло собой железную трубку, заваренную с одного конца. Ее наполняли порохом, который поджигали раскаленной проволокой. По мере развития оружия — фитильный, колесцовый, кремневый замки — возникала потребность в порохе с разной скоростью возгорания. Порох для пистолетов должен был гореть быстро, ружейный — медленнее, для пушек и ракет — еще медленнее. Смесь воды и спирта использовали для получения прессованного пороха, который можно было измельчить и разделить на тонкую, среднюю и грубую фракцию. Чем мельче порошок, тем быстрее горение. Так стало возможным получать порох для различных нужд. Вместо воды для изготовления пороха часто брали мочу рабочих пороховых заводов, поскольку считалось, что моча людей, пьющих много вина, способствует получению наиболее мощного пороха. Для получения пороха высшего качества также подходила моча священника, а лучше епископа.

Движущей силой взрыва является образование газов и их быстрое расширение под действием реакционного тепла. Газы занимают гораздо больший объем, чем аналогичное количество твердого вещества или жидкости. Разрушительное действие взрыва связано с ударной волной, вызванной очень быстрым изменением объема вещества при образовании газов. Ударная волна, образующаяся при взрыве пороха, распространяется со скоростью несколько сотен метров в секунду, однако в случае более мощной взрывчатки (такой как тринитротолуол или нитроглицерин) скорость ударной волны может достигать шести тысяч метров в секунду.

При любом взрыве выделяется большое количество тепла. Реакции, сопровождающиеся выделением тепла, называют экзотермическими. Большое количество тепла способствует активному расширению газов: чем выше температура, тем больше объем газовой смеси. Выделение тепла связано с различием между молекулами, расположенными в двух частях уравнения реакции. Образующиеся молекулы (находящиеся в правой части уравнения) обладают меньшей энергией, запасенной в их химических связях, чем исходные молекулы (находящиеся слева). Образующиеся вещества более устойчивы. В частности, в реакциях взрыва нитросоединений образуется чрезвычайно устойчивая молекула азота N2. Стабильность этой молекулы связана с прочностью тройной связи, соединяющей два атома азота.

Структура молекулы азота

Прочность тройной связи означает, что для ее разрыва требуется много энергии. Напротив, при образовании тройной связи высвобождается большое количество энергии, что и происходит при взрыве.

Кроме образования газов и выделения тепла, третьим важным свойством реакций взрыва является их высокая скорость. Если бы реакция протекала медленно, выделяющееся тепло успевало бы рассеяться, а газ диффундировал в окружающую среду, не оказывая значительного давления и не вызывая разрушительной ударной волны. Требующийся для реакции кислород должен содержаться в самой взрывчатке. Атмосферный кислород нельзя использовать по той причине, что он не может поступать в реакцию достаточно быстро. Именно по этой причине нитросоединения, в которых азот и кислород соединены между собой, часто бывают взрывоопасными, а другие соединения, содержащие не связанные между собой азот и кислород, таковыми не являются.

Сказанное можно проиллюстрировать на примере изомеров. Как мы уже знаем, изомеры — это вещества с одинаковой химической формулой, но разной структурой. Лоро-нитротолуол и пара-аминобензойная кислота с одинаковой химической формулой C7H7NO2 имеют по семь атомов углерода, семь атомов водорода, одному атому азота и два атома кислорода, но атомы в этих двух молекулах расположены в разной последовательности.

n-нитротолуол