Referat - Explosivstoffe

Explosivstoffe
Einleitung: 2
Was sind Explosivstoffe ? 3
Explosion: 4
Detonation: 4
Verschiedene Explosivstoffe: 5
Schwarzpulver: 5
Nitroglycerin und Dynamit: 6
Glycerintrinitratfreie Sprengstoffe: 7
Emulsionssprengstoffe: 8
Sprengstoffe für den Untertage-Bergbau: 8
Moderne Explosivstoffe: 9
Trinitrotoluol (TNT): 9
Triaminotrinitrobenzol (TATB): 9
Trinitroazetin (TNAZ): 9
Ammoniumdinitramid (ADN): 9
Trimethylentrinitramin (Hexogen, RDX): 10
Tetramethylentetranitramin (Octogen, HMX): 10
Nitrotriazolon (NTO), Oxynitrotriazol (ONTA): 10
Hexanitro-Isowurtzitan (CL20): 11
Zündung von Explosivstoffen: 12
Pentaerythrittetranitrat, PETN 12
Explosivstoffe in der Pyrotechnik: 13
Nachwort: 14
Literaturverzeichnis: 14








Einleitung:
Explosivstoffe werden sowohl für zivile als auch für militärische Zwecke genutzt. Im zivilen Bereich sind Explosivstoffe für Kanalbau, Tunnelbau, Gewinnung von Rohstoffen, Erzen, Mineralien und Kohle, Rodungen und Abrißarbeiten an Gebäuden und technischen Anlagen unentbehrlich geworden.
Im militärischen Bereich werden Explosivstoffe vor allem für Raketen, Bomben, Minen, Torpedos, Granaten und Artilleriegeschoße verwendet.
Aber auch in anderen Bereichen werden Explosivstoffe verwendet, wie zum Beispiel in der Industrie zur Gewinnung von Diamantenstaub aus Graphit oder in der Pyrotechnik. In diesen Bereichen wird jedoch nur mit geringen solcher Stoffe gearbeitet.



















Was sind Explosivstoffe ?
Viele Substanzen in verschiedensten Formen können zur Explosion gebracht werden, wie zum Beispiel Benzindämpfe, Kohlenstaub, Getreidestaub, u.s.w. . So würde zum Beispiel ein Stück Holz, das unter normalen Umständen langsam im Kamin verbrennen würde, zu feinem Staub zermahlen und ins Feuer gebracht, den Kamin explodieren lassen.
Generell werden jedoch nur solche Stoffe, die dafür vorgesehen sind, Explosionen herbeizuführen, Explosionsstoffe genannt.
Grundsätzlich bestehen Explosivstoffe aus chemischen Verbindungen oder Stoffgemengen aus verbrennbaren und sauerstoffliefernden Substanzen. Bei letzter Genannten handelt es sich meistens um Nitrite, Nitrate, Nitro- oder Nitroso-Verbindungen, Chlorate oder Perchlorate. Bei bestimmten Anregungen, entweder mechanische Beanspruchung (Schlag, Reibung), thermische Belastung (Funken, Flamme, glühende Gegenstände) oder durch Detonationsstoß, wird die brennbare Komponente oxidiert, dadurch wird sehr rasch Wärme und heiße Gase frei (e Explosion).
Man kann Explosivstoffe grob in zwei Gruppen einteilen:
• Treibladungen (zum Beispiel für Raketen): Diese Stoffe dienen dem Antrieb von Raketen, werden aber auch in Feuerwaffen verwendet. Bei Feuerwaffen war der erste Explosivstoff das Schwarzpulver. Es wurde aber zuerst durch Schießwolle, ein Cellulosenitrat, das durch Funken oder Flammen leicht zur Explosion gebracht werden kann, später dann durch rauchschwache Pulver ersetzt.Als Antriebsmittel von Raketen wird es heute nur noch in Feuerwerksraketen eingesetzt. Alle anderen Raketen benutzen ganz spezielle Explosivstoffe, die eigens für diesen Zweck entwickelt wurden und werden.
• Detonierende Explosivstoffe:Diese können in Initialsprengstoffe und hoch explosive Stoffe unterteilt werden.
Initialsprengstoffe müssen mit extremer Vorsicht gehandhabt werden. Materialien wie zum Beispiel Quecksilber(II)-fulminat explodieren bereits wenn man sie entzündet oder mit einer Flamme in Berührung bringt. Deshalb werden diese Stoffe in Sprengkapseln verwendet.
Hoch explosive Stoffe sind weniger empfindlich und können sogar verbrennen, ohne eine Explosion hervorzurufen. Diese Stoffe detonieren nur wenn sie einem Schock ausgesetzt werden, der wiederum von einem anderen Explosivstoff (Initialsprengstoff) erzeugt wird. Der Vorteil dieser Materialien liegt in ihrer Stabilität. Deshalb können auch große Mengen hoch explosiver Stoffe sicher transportiert und gelagert werden.





Explosion:
Eine Explosion ist die Umsetzung von potentieller Energie (Energie der Lage ) in Ausdehnung und/oder Verdichtungsarbeit unter Auftreten von Stoßwellen, das sind Schockwellen, bei denen der Druck zuerst ansteigt (Verdichtungswelle), an einer sogenannten Stoßfront seinen Höhe - punkt erreicht und dahinter wieder auf null abfällt (Entlastungswelle). Diese werden durch große Mengen heißer Gase verursacht, die durch die schnelle chemische Reaktion explosiv -fähiger Stoffe bzw. Stoffgemische entstehen.
Die Geschwindigkeit, mit der eine Explosion stattfindet beträgt circa 1 bis 1000 Meter pro Sekunde. Es gibt verschiedene Arten von Explosionen:
• Explosionen von Gemischen aus brennbaren Gasen, Dämpfen oder Stäuben mit Luft: zum Beispiel Knallgas, Schlagwetter, u.s.w. .

• Geregelte, langsam schiebend verlaufende Explosionen fester Stoffe: um einerseits Geschosse zum Lauf hinauszustoßen (zum Beispiel in Feuerwaffen wie Gewehren, Geschützen, u.s.w.), aber auch bei Raketentreibstoffen (bei diesen werden meistens flüssige Stoffe verwendet).
• Ungeregelte, sehr rasch verlaufende, zertrümmernd wirkende Explosionen fester Stoffe: zum Beispiel in Bergwerken, um nützliche Arbeit zu verrichten, aber auch im Krieg, wo zerstörerische Arbeit im Vordergrund steht.
• Nukleare Explosionen: Kernwaffen
Detonation:
Eine Detonation ist eine Explosion, die mit höchster Geschwindigkeit, höchstem Druck und höchster Knallwirkung erfolgt: es werden Geschwindigkeiten zwischen 1000 und 10000 Meter pro Sekunde, Temperaturen zwischen 2500° und 6000° Celsius und Drucke bis 300 000 bar erreicht. Da detonierende Stoffe zerschmetternd auf ihre Umgebung wirken, werden sie besonders als Sprengstoffe verwendet.
Bei der Detonation zerfällt der Sprengstoff in gasförmige Substanzen - idealerweise in Kohlendioxid, Wasser und elementaren Stickstoff, als Verbrennungsprodukt organischer Sub-stanzen. Es entstehen jedoch auch unvollständig oxidierte Produkte, wie Stickoxide oder Kohlenmonoxid, aber auch in hochreaktive Teilchen, wie Radikale, Ionen oder Elektronen.
Die Explosionsgeschwindigkeit (Detonationsgeschwindigkeit) stellt einen Unterschei-dungsfaktor zwischen zivilen und militärischen Sprengstoffen dar. Während militärische Anwendungen Ge - schwindigkeiten bis 9000 Meter pro Sekunde erfordern, kommen zivile mit Geschwindigkeiten zwischen 2000 und 4000 Metern pro Sekunde aus. Weitaus wichtiger im zivilen Bereich ist die Ausbildung eines großen Gasvolumens, damit die gelösten Massen, zum Beispiel Gesteinsmassen, auseinandergeschoben werden.

Verschiedene Explosivstoffe:
Schwarzpulver:
Schwarzpulver war der erste Explosivstoff. Es wurde bereits um 1000 in China in Form von Bomben und explosiven Granaten verwendet.
In Europa gilt der Mönch Berthold SCHWARZ als Erfinder des Schwarzpulvers, das ab dem 14. Jahrhundert verwendet wurde. Im 19. Jahrhundert wurde es einerseits durch rauchschwa -
che Pulver (für Feuerwaffen), andererseits durch wirkungsvollere Sprengstoffe ersetzt.
Heute wird Schwarzpulver vor allem für Feuerwerksartikel, Zündschnüre, aber auch für Sprengungen verwendet, da es nicht so sehr zerschmetternd, sondern eher schiebend wirkt und sich dadurch größere Blöcke absprengen lassen.
Schwarzpulver ist ein schiefergraues bis blauschwarzes Gemisch, das sich aus 75 Prozent Kalisalpeter, 15 Prozent Kohlepulver und 10 Prozent Schwefel zusammensetzt. Der Kali-salpeter, das ist der Name für natürlich vorkommendes Kaliumnitrat (KNO3), wirkt als Oxidationsmittel, der Schwefel erleichtert die Entzündung und beschleunigt die Verbrennung des Pulvers. Bei der Herstellung wird die Mischung mit 5 bis 10 Prozent Wasser angefeuchtet, um die Entzündungsgefahr zu senken.
Schwarzpulver wird in verschiedenen Korngrößen verwendet:
• 8 mm: als Sprengpulver
• über 2 mm: als Böllerpulver
• 0,2 bis 0,7 mm: als Zündschnurpulver
• 0,15 bis 0,43 mm: als feines Jagdpulver
In Feuerwerken wird meistens ungekörntes Pulver, auch Mehlpulver genannt, verwendet. Gekörntes Pulver brennt hingegen leichter ab und stäubt weniger.
Wenn man einen Explosivstoff eindämmt, erhöht das seine Detonationsbereitschaft - Schwarz- pulver ist dafür ein ideales Beispiel. Streut man zum Beispiel Schwarzpulver auf eine Fläche und entzündet es danach, wird es nur verbrennen, da sich die Gase nicht schnell genug ausdehnen, um einen explosiven Effekt zu produzieren. Dämmt man jedoch das selbe Pulver ein (zum Beispiel in Papier, wie bei Knallkörpern) und entzündet es, wird es explodieren.






Nitroglycerin und Dynamit:
Nitroglycerin ist die falsche Bezeichnung dieses Stoffes, da keine Nitroverbindungen (C-NO2) sondern Nitrate (C-O-NO2) vorhanden sind. Die richtige Bezeichnung dieses Sprengstoffes ist daher Glycerintrinitrat.
Glycerintrinitrat wurde erstmals im Jahre 1846 von dem italienischen Chemiker Ascanio SOBRERO synthetisiert. Es ist eine ölige, geruchlose, schwachgelbe, giftige, brennend schmeckende Flüssigkeit, die unter gewöhnlichen Temperaturen unzersetzt haltbar ist. Bei rascher und plötzlicher Erhitzung, bei Erschütterung, Schlag oder Stoß explodiert Glycerintri- nitrat sofort. Dabei zerfällt es in folgende Bestandteile:
4 C3H5(NO3)3 "12 CO2 + 10 H2O + 6 N2 + O2
Glycerintrinitrat ist ein Ester der Salpetersäure. Hergestellt wird dieser Sprengstoff durch die
Reaktion von Glycerin und Salpetersäure. Dabei entsteht unter Abspaltung von Wasser der Ester der Salpetersäure, das Glycerintrinitrat.
Glycerintrinitrat wird nicht nur als Sprengstoff, sondern auch im medi -zinischen Bereich in sehr geringen Mengen bei Asthma, Angina pectoris, Herzinsuffizienz und Arterienverkalkung verwendet. Obwohl Glycerintrinitrat über eine große Sprengkraft verfügt (Geschwindigkeit von 7600 Metern pro Sekunde und Explosionswärme von 6770 Kilojoule pro Kilogramm), ist es aufgrund seiner Sensibilität fast nicht als Sprengstoff zu verwenden. Sogar der Erfinder selbst gab den Versuch auf, da Herstellung, Transport und Anwendung einfach zu gefährlich war und immer wieder Todesopfer forderte. Außerdem hat Glycerintrinitrat einen weiteren entscheidenden Nachteil: im Gegensatz zu Schwarzpulver läßt es sich nicht einfach durch eine Flamme entzünden.
Erst ab 1866 konnte Glycerintrinitrat genutzt werden. Alfred NOBEL fand einen Stoff, mit dem Glycerintrinitrat nicht reagierte und daher das ideale Adsorptionsmittel war. Dieser Stoff war das Kieselgur, ein feinkörniges, locker leichtes Sediment. Bei Mischung der beiden Stoffe ergibt sich ein fester Körper, der beliebig portionierbar ist. Dieses neue Material mit dem Namen Gurdynamit war in seiner Handhabung deutlich sicherer und wies auch eine fünf mal stärkere Sprengkraft als das Schwarzpulver auf.
Dieser Stoff hat jedoch einige Nachteile. Er ist in Wasser löslich und seine Sprengkraft ist um ein Viertel geringer als bei Glycerintrinitrat. Deshalb löste NOBEL das Sprengöl in Schieß -
wolle, einem Cellulosenitrat. Er erhielt einen gallertartigen Stoff, die Sprenggelatine. Dieser Stoff hat den Vorteil, daß sein Sprengkraft aufgrund des höheren Glycerintrinitratgehalts stärker ist als bei Gurdynamit. Außerdem ist dieser Stoff nicht in Wasser löslich und kann deshalb unter Wasser zur Detonation gebracht werden.
Da jedoch eine solche Energiedichte gar nicht benötigt wurde, streckte man den Sprengstoff mit Chilesalpeter und verbrennbaren organischen Stoffen wie Sägemehl oder Kohlenstaub, was die Mischung zusätzlich stabilisiert und die Energiedichte senkt. Später wurde der Chilesalpeter durch Ammoniumnitrat ersetzt, da es vollständig in gasförmige Substanzen zerfällt und dadurch die Sprengkraft erhöht.
Heute ist Dynamit größtenteils durch andere Sprengstoffe auf Ammoniumnitratbasis ersetzt.
Glycerintrinitratfreie Sprengstoffe:
Die sichere Herstellung von Glycerintrinitrat ist sehr aufwendig. Daher suchte man schon im letzten Jahrhundert nach Alternativen. Ammoniumnitrat war als Oxidationsmittel, das bei hohen Anregungstemperaturen detonationsfähig ist, schon länger bekannt.
Ammoniumnitrat (NH4NO3) besteht aus durchsichtigen, farblosen, gewöhnlich rhombischen Kristallen. Es ist ein starkes Oxidationsmittel, das sich in folgender Weise zersetzt:
2 NH4NO3 " 2 N2 + O2 + 4 H2O
Bei höheren Temperaturen kann sogar eine Detonation stattfinden. Ammoniumnitrat wurde bis zum 2. Weltkrieg als Sprengstoff verwendet. Weiters findet es Anwendung in Raketen- treibstoffen, als sauerstoffliefernde Substanz. Heute werden circa 90 Prozent der Ammoniumnitratproduktion für Dünger verwendet. Außerdem wird ein geringer Teil für die Produktion von Lachgas verwendet.
Eine Mischung aus verbrennbaren Substanzen wie Dieselöl läßt sich leichter als Ammonium -
nitrat alleine zur Reaktion bringen. Dieser Sprengstoff heißt ANFO (ammonium nitrate plus fuel oil) und wird beim Bergbau verwendet. Zunächst wurden die beiden Stoffe 1:1 gemischt. Der Sprengstoff konnte jedoch nur in großen Bohrlöchern (von 200 und mehr Millimetern Durchmesser) und mit sensiblen Sprengstoffen gezündet werden. Im Laufe der Zeit verbesserte man die Zündfähigkeit, so daß ANFO der billigste Massensprengstoff wurde und heute etwa 80 Prozent des Sprengstoffmarktes ausmacht, obwohl er nicht an die Explosionskraft glycerintrinitrathältiger Produkte heranreicht.
Das Prinzip wurde aber noch verfeinert. Man gibt der Mischung zum Beispiel molekulare Explosivstoffe wie Trinitrotoluol (TNT) oder Hexogen zu. Außerdem werden auch oxidierbare Bestandteile wie Zucker, Mineralöle, Kohlenstaub oder Aluminiumpulver zugesetzt. Aluminiumpulver ist ein ganz besonders wichtiger Bestandteil, da dessen hohe Verbrennungswärme die bei der Detonation entstehenden Gase weiter aufheizt und so für einen hohen Gasdruck sorgt. Damit sich die Komponenten aber nicht entmischen, setzt man Quellmittel wie Agar-Agar, Stärke oder andere Stoffe ein, deren Makromoleküle die flüssigen Bestandteile einbetten.
Je nach Zusammensetzung entstehen entweder schlammartige, fließfähige Sprengstoffe, die so genannten Slurries, oder feste in Patronen abfüllbare, die Water Gels genannt werden. Wasser reagiert weder mit den Brennstoff noch mit den Oxidationsmittel. Das heißt, Wasser verhält sich gegenüber diesen beiden Stoffen inert und stabilisiert sogar Slurries gegen Schlag und Reibung. Probleme gab es nu...


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