Неорганические соли в качестве компонентов пиротехнических составов

1.2 Неорганические соли в качестве компонентов пиротехнических составов

Неорганические соли в пиротехнике могут играть роль окислителей, горючих или сообщающих окраску пламени веществ. Для рассмотрения, как пример, приведем важнейшие из них и конкретно укажем их назначение.

1.2.1 Окислители

Смесь горючего с окислителем является основой всякого пиротехнического состава.

Сгорание горючих веществ на воздухе протекает обычно медленнее, чем сгорание их за счет кислорода окислителя, и поэтому смеси, не содержащие в себе окислителя, используются пиротехниками реже, чем составы с окислителями [5].

Кроме кислородных соединений, в качестве окислителей используются иногда и вещества, не содержащие в себе кислорода [5].

Окислителями могут быть и простые вещества – неметаллы, находящиеся при обычных условиях в твердом состоянии [5].

Так, в форме горения могут протекать реакции соединения между высококалорийными металлами (Mg, Al, Zr и др.) и такими неметаллами, как сера, фосфор, а также азот, углерод и бор [1]. Однако использование реакций такого типа ограничено. В некоторых многокомпонентных осветительных и зажигательных составах используется реакция [5]:

2Al+3S = Al₂S₃+140 ккал (582 кДж),(1.1)

что соответствует выделению 0,9 ккал (3,75 кДж) на 1 г смеси [5].

Из сложных веществ в качестве окислителей могут быть использованы только те, для разложения которых с выделением кислорода, галогенов или серы требуется значительно меньше тепла, чем выделяющееся при окислении горючего. Исключением является тот случай, когда образуется взвесь тонкодисперсного порошка горючего в воздухе [5].

В специальных пиротехнических смесях окислителями могут служить галогениды, а также сульфиды и нитриды малоактивных металлов (меди, свинца и др.). Соединение магния или алюминия с азотом протекает с выделением вполне ощутимого количества тепла [5]:

3Mg+N₂ = Mg₃N₂+115 ккал (482кДж),(1.2)

что соответствует 1,14 ккал (4,76 .кДж) на 1 г смеси реагирующих веществ [5].

Таким образом, весьма возможно, что способными к горению окажутся смеси Mg или Аl с некоторыми богатыми азотом органическими соединениями (например, гуанидином CN₃H₅). Также, очевидно, будут способны к горению и смеси Mg или Аl с комбинированным серно-азотным балансом, например смесь с тиомочавиной [5]:

(NH₂)₂C + S+4Mg = Mg₃N₂+MgS+2H₂(1.3)

Далее будут рассмотрены только те соединения, окислительное действие которых обуславливается содержащимся в них кислородом.

Легкость отщепления кислорода от молекул окислителей объясняется сравнительно малой прочностью непосредственной связи между кислородом и другими атомами, например, хлором, азотом [1].

По химическому составу окислители, применяемые в пиротехнике, можно разделить на следующие основные группы: 1) хлораты; 2) перхлораты; 3) нитраты; 4) окислы металлов [1].

Некоторые из окислителей одновременно служат и носителями цветности пиротехнического пламени. Они называются цветнопламенными окислителями. К ним принадлежат, например, хлорат бария и нитрат стронция.

1.2.1.1 Хлораты

Хлораты представляют собой соли хлорноватой кислоты HClO₃.

Хлорноватая кислота соединение неустойчивое, быстро разлагается; при разложении ее выделяется газ ClO₂ (двуокись хлора), который на воздухе поджигает такие вещества, как хлопок, бумага, дерево [3].

Хлорноватая кислота с различными металлами образует соли. В пиротехнике применяются, главным образом, хлорноватокислый калий KClO₃ и хлорноватокислый барий Ba(ClO₃)₂·H₂O, реже применяется хлорноватокислый натрий NaClO₃, отличающийся сравнительно большой гигроскопичностью[3].

Все хлораты разлагаются, выделяя тепло и свободный кислород.

Хлорноватокислый калий (бертолетова соль) KClO₃ (молекулярный вес 122,56) впервые был получен ученым Бертолле, по имени которого и называется [3].

Хлорат калия получается хлорированием извести с последующим обменным разложением хлорноватокислого кальция с солями калия по уравнениям [3]:

6Ca(OH)₂ + 6Cl₂ = Ca(ClO₃)₂ + 5CaCl₂ + 6H₂O,(1.4)

Ca(ClO₃)₂, + 2KCl = CaCl₂ + 2KClO₃.(1.5)

Полученный таким образом хлорноватокислый калий в случае надобности может быть очищен перекристаллизацией из горячей воды [3].

Хлорат калия с трудом растворяется в воде при низких температурах; при охлаждении горячего концентрированного раствора хлорат калия выкристаллизовывается. По внешнему виду он представляет собой мелкие белые ромбические кристаллы. Температура плавления 357,1°С, температура разложения 364°С. При этой температуре хлорат калия разлагается сравнительно медленно, часть кислорода, которая выделяется при разложении KСlO₃, окисляет оставшийся неразложившимся KСlO₃ в соединение KСlO₄ (хлорнокислый калий) по уравнению [3]:

4KClO₃ = 3KClO₄ + KCl + Q,(1.6)

где Q – тепло, выделяющееся при разложении [3].

В присутствии примесей, играющих роль катализаторов разложения (например, некоторые окислы металлов, песок, стекло и др.), или веществ, способных легко окисляться (горючих), хлорат калия разлагается очень энергично; реакция идет с выделением большого количества кислорода по уравнению [3]:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂ + Q.(1.7)

Реакция разложения хлората калия экзотермична.

В присутствии примесей хлорат калия разлагается настолько энергично, что иногда вызывает взрыв. Смесь бертолетовой соли с горючими веществами легко воспламеняется от действия небольшого количества концентрированной серной кислоты. Это явление объясняется тем, что при действии серной кислоты на бертолетову соль выделяется свободная хлорноватая кислота, которая разлагается с образованием двуокиси хлора. Последняя, как указано выше, обладает свойством зажигать горючие вещества [3].

Реакцию образования ClO₂ можно представить уравнениями [3]:

2KClO₃ + H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2HClO₃,(1.8)

3HClO₃ = 2ClO₂ + HClO₄ + H₂O.(1.9)

Эта реакция используется в пиротехнике для воспламенения некоторых составов.

Хлорат калия в чистом виде негигроскопичен. Однако примеси, в частности, хлористого кальция, вызывают некоторую его гигроскопичность[2].

Хлорат калия применяется в пиротехнике в качестве окислителя, главным образом, в цветнопламенных составах. Составы с бертолетовой солью очень чувствительны к механическим воздействиям. Поэтому работа с такими составами требует осторожности, чистоты и аккуратности [2].

Хлорноватокислый барий Ва(СlО₃)₂·Н₂О (молекулярный вес 322,29) получается из природного минерала витерита действием на него хлора при нагревании (может быть также получен электролизом из насыщенного при 75°С раствора хлористого бария BaCl₂) [3].

Хлорат бария растворяется в воде, нерастворим в спирте, кристаллизуется в прозрачные призматические кристаллы, при температуре 300 – 310°C разлагается, в сухом виде при нагревании до более высокой температуры взрывает [3].

Реакция разложения хлората бария проходит аналогично разложению хлората калия по уравнению [3]:

Ba(ClO₃)₂ = BaCl₂ + 3O₂ + Q.(1.10)

В смеси с горючими хлорат бария дает энергичную вспышку; составы с хлоратом бария чувствительны к механическим воздействиям [3].

Пламя, образуемое составами с хлоратом бария, имеет ярко-зеленую окраску. Следовательно, хлорат бария в составах является одновременно окислителем и носителем цветности.

Хлорат бария применяется, главным образом, для составов зеленого огня. При работе с ним следует применять те же меры предосторожности, что и при работах с хлоратом калия [2].