Строение и свойства дымного и бездымного порохов

На развитие человечества оказали огромное влияние взрывчатые вещества. К ним относятся дымные и бездымные пороха. Появление бездымного пороха явилось революцией в военном деле. В течение нескольких десятилетий полностью сменилось стрелковое и артиллерийское вооружение всех стран, появились новые виды оружия. Работы по созданию порохов привели к развитию химической промышленности, появлению новых искусственных материалов.

Большой вклад в производство пороха в России внес наш гениальный химик Дмитрий Иванович Менделеев.

Д. И. Менделеев сочетал глубину теоретического мышления с большим размахом практической деятельности. Научная деятельность его охватывала многочисленные отрасли знания. Из 431 опубликованных работ – 40 посвящены химии,106 физико-химии, 99 физике, 22 географии, 99 технике и промышленности,36 экономическим и общественным вопросам и 29 другим темам. "Сам удивляюсь, чего только я не делывал в своей научной жизни", - признавался он.

Морское и военное министерство поручают Менделееву (1891) разработку вопроса о бездымном порохе, и он (после заграничной командировки) в 1892 г. блестящим образом выполняет эту задачу. Предложенный им «пироколлодий» оказался превосходным типом бездымного пороха, притом универсальным и легко приспособляемым ко всякому огнестрельному оружию.

Мне хотелось заглянуть в историю изобретения пороха, рассмотреть типы и виды порохов, их строение, свойства и применение, и выяснить в чем заслуга нашего соотечественника.

Глава I. Обзор исследований по истории порохов, их применению, строению и свойствам.

§1. История применения черного пороха в России.

Если не считать искусственного приготовления огня в доисторический период, то можно смело сказать, что ни одно изобретение, основанное на химических процессах, не оказало большего влияния на развитие человечества, чем взрывчатые вещества. Первым из взрывчатых веществ появился черный (дымный порох). Наиболее вероятно, что он появился в Китае, а затем стал известен арабам.

Порох - взрывчатое вещество и применяется главным образом в огнестрельном оружии для сообщения снаряду необходимой скорости. В качестве военного средства дымный порох начали применять в Европе, в том числе в России в 14 веке. Этот вид пороха до 19 века оставался единственным взрывчатым веществом для горных работ.

Применение пороха и появление огнестрельного оружия на Руси связано с именем Дмитрия Донского. Впервые на Руси порох и огнестрельное оружие были применены 24 августа 1382 года при штурме Московского Кремля татарами под предводительством хана Тахтамыша. Здесь же впервые упоминаются первые ружья, называемые тюфяками. Один из самых первых русских тюфяков хранится в Артиллерийском музее в Ленинграде.

Вначале порох привозился от иноземцев, но очень скоро его стали делать на Руси. "Зелье" в Москве производилось в таком количестве, что послужило причиной знаменитого порохового пожара, от которого в 1422 году выгорела вся столица.

Мощный толчок выделка пороха получила при Иване Грозном в войне с Казанским ханством. Позже, только применение пороха обеспечило покорение Сибирского ханства. Новая эпоха русского пороходелия начиналась при Петре I в1682-1725 гг. , окно в Европу надо было прорубать не топором, а порохом.

Но в 19 веке, с развитием военной техники и оружия, применяемый в военном деле дымный порох уже не мог удовлетворять тех требований, которые предъявлялись к нему. Он достиг своего потолка уже много столетий назад и на фоне технических достижений 19 века начинал устаревать. Поэтому с середины 19 века в исследовательских лабораториях крупнейших стран мира шли лихорадочные поиски создания бездымного пороха.

§2. История создания бездымного пороха.

Вопросом создания бездымных порохов в 19 веке занималось большое количество исследователей в разных странах. Ученые установили, что основой бездымного пороха была нитроклетчатка. Большое количество опытов было проделано между продуктами растительного происхождения (крахмал, бумага, вата, опилки) и азотной кислотой.

В 1864 г. германский капитан Эдуард Шульце изобрел способ получения древесного бездымного пороха из нитроцеллюлозы (нитрованные древесные опилки). Порох Шульце был запатентован в Австрии, и там производился под названием нитроксилин. Порох Шульце применяли сначала для охотничьих ружей. Дробовой сыпучий заряд охотничьего ружья оказывает незначительное сопротивление, и поэтому в стволе давление возникает небольшое, но скорость пули и кучность выстрела усиливаются, по сравнению с использованием дымного пороха.

Для нарезного оружия военного образца порох оказался неподходящим по слишком сильному действию; он был чересчур быстрогорящий и при большом сопротивлении тяжелой боевой пули развивал в стволе слишком большое давление. Это приводило к разрыву ствола.

Инженер Вьелль во Франции в результате своих опытов стал полностью желатинировать нитроцеллюлозу эфиром, а после испарения растворителя делать из полученной массы, мелко нарезанные кусочки. В середине восьмидесятых годов Вьелль применил пироксилин для изготовления бездымного пороха коллоидального типа. Пироксилиновый порох давал при горении не триста, а восемьсот литров газа на килограмм и позволял при том же давлении в стволе и при меньшем заряде вдвое увеличить начальную скорость снаряда.

Вскоре бездымный порох Вьелля был применен для военного и охотничьего оружия, но для этого пришлось создать новый патрон с пулей уменьшенного калибра, покрытой твердой оболочкой; сделать прочный с более твердым каналом ствол и более крутые нарезы в стволе, чем это было при дымном порохе и пулях из мягкого свинца. Получилась винтовка с отличными баллистическими свойствами, значительно превосходящими баллистику винтовок прежнего типа, под патроны с дымным порохом. Первоначально новая винтовка появилась во Франции.

Ко времени изобретения бездымного пороха основные принципы получения бездымных взрывчатых веществ также были понятны; необходимое сырье - нитроклетчатка и нитроглицерин - было открыто. Тем не менее, получение бездымного пороха оказалось труднейшей научно-технической задачей. Производство пороха было очень опасным, пожары и взрывы на пороховых заводах того времени были постоянными.

В России производство бездымного пороха пришлось организовывать почти самостоятельно, и эта задача была выполнена быстро и своевременно. Кто не знает знаменитую русскую винтовку "образца тысяча восемьсот девяносто первого года дробь тридцатого" - легендарную трехлинейку, воспетую в стольких солдатских песнях, честно и беспорочно несшую службу в нашей армии в течение шестидесяти лет?

Трехлинейка была первым огнестрельным оружием, предназначенным специально для бездымного пороха. Уже в конце 1888 года первый русский бездымный порох (типа пироксилинового) был получен.

Хуже обстояло дело с артиллерийским порохом, особенно для морских орудий крупных калибров. Пироксилиновый порох, в те годы не удавалось еще получить в виде достаточно крупных зерен.

§3. Работа Д. И. Менделеева по созданию бездымного пороха.

В 1890 году морской министр Чихачев обратился с просьбой о помощи к Д. И. Менделееву о создании бездымного пороха. Менделеев понимал важность предложенного ему дела для обороны страны и, несмотря на нанесенные ему обиды, согласился.

Прежде всего, Менделеев отправился в Париж и Лондон для ознакомления с пороховым делом Европы. Будучи за границей, Менделеев обратил внимание на чрезвычайно опасную операцию - сушку пироксилинового пороха, вызывающую частые пожары с большим числом жертв. Ученый предложил заменить сушку пироксилина обезвоживанием его спиртом, что является совершенно безопасным. С тех пор во всем мире эта стадия производства пироксилина проводится только по способу Менделеева.

Но главное, над чем работает в эти месяцы Менделеев, - получение нового вида пороха. Логический ход его мысли был примерно таков. Пироксилин - нитроклетчатка, содержащая тринадцать с половиной процента азота, - хорошо взрывается, но плохо растворяется, и потому из него очень трудно делать порох. Коллоксилин с его одиннадцатью - процентами азота прекрасно растворим, но является не слишком сильной взрывчаткой. Для этого ему не хватает кислорода, вводимого вместе с азотом. Вот если бы можно было получить продукт, еще растворимый как коллодий, но уже взрывчатый, как пироксилин. И Менделеев создал такой продукт, назвав его пироколлодием, потому что он объединял свойства и пироксилина и коллодия.

Пироколлодий содержал двенадцать с половиной процентов азота, обладал мощной взрывчатой силой и растворялся в спиртоэфирной смеси, "как сахар". Он оказался прекрасным исходным материалом при изготовлении пороха для оружия любых калибров. Вплоть до 1893 года шли интенсивные работы по испытанию и проверке нового пороха. Комиссия морской артиллерии во время опытной стрельбы установила, что канал двенадцатидюймового орудия "был так чист, что не пачкал носового платка" и что порох обнаружил "бесподобные баллистические свойства". Руководитель опытов адмирал С. О. Макаров телеграммой поздравил Менделеева с выдающимися результатами.

Но в дальнейшем, дело застопорилось. Между военным и морским министерствами возникли разногласия. Охтинский пороховой завод не проявил заинтересованности в новом порохе и заявил, что "пироксилиновый порох вполне тождествен с пироколлодием" и что в последнем нет "никакой новизны". Менделеев был вынужден уйти из созданной им лаборатории. Порох Менделеева на его родине не нашел признания. Заказы на крупные партии артиллерийского пороха были переданы в Германию. За эту недальновидную политику царскому правительству скоро довелось жестоко расплатиться. Во время войны с Германией пироколлодиевый порох пришлось заказывать в. Америке, потому что уже в 1895 году предприимчивые американские офицеры Бернаду и Конверс взяли на пироколлодиевый порох патент. Они не скрывали, что основой их изобретения были работы русского ученого.

§4. Классификация порохов и их строение.

Пороха применяются в огнестрельном оружии для сообщения пуле или снаряду необходимой скорости. Известно два типа порохов.

1. Смесевые пороха (гетерогенные системы, состоящие из горючего и окислителя). Самым первым смесевым порохом является дымный или черный порох, состоящий из калийной селитры (KNO3) являющейся окислителем, серы (S) и древесного угля (С).

2. Пластифицированные системы на основе нитроцеллюлозы (бездымные пороха). Они делятся на три группы:

• пироксилиновые пороха;

• кордиты;

• баллиститы.

Пироксилиновый порох был получен французом П. Вьелем в 1884 году. Пироксилин - это полный тринитрат целлюлозы (азотнокислый эфир целлюлозы). Его получают реакцией этерификации целлюлозы смесью азотной и серной кислот.

[C6 H7 O2 (OH)3 ]n + 3nHNO3 = [C6 H7 O2 (ONO2)3 ]n + 3nH2O

Продукт полного нитрования (тринитроклетчатка) должен содержать по формуле 14,1 % азота. На практике получают продукт с несколько меньшим содержанием азота (примерно 12,5%). Содержание азота в пироксилиновом порохе 12,2 – 12,5%. Тринитроцеллюлозу получают нитрованием разрыхленной и высушенной целлюлозы нитрующей смесью. Полученный продукт многократно промывают водой раствором соды (чтобы нейтрализовать остатки кислоты), опять водой и обезвоживают (например: этиловым спиртом).

Нитрат целлюлозы, в котором 20 – 30% гидроксильных групп остаются свободными называется коллоксилин и отвечает по составу динитроклетчатке. В нём содержание азота составляет 10,7 – 12,2%. Он прекрасно растворяется, но не является сильной взрывчаткой.

[C6 H7 O2 (OH)3 ]n + 2nHNO3 = [C6 H7 O2 (OH)(ONO2)2 ]n + 2nH2O

В 1887 г. Альфред Нобель (Швеция), специалист по взрывчатым веществам, создал нитроглицериновые пороха типа кордит, под названием баллистит. Нобель употребил для изготовления баллистита растворимый пироксилин, желатинированный нитроглицерином с примесью камфары. В смеси с нитратом целлюлозы глицерин образует желатинообразную массу «гремучий студень», которая не взрывается, а сравнительно медленно горит. Баллистные пороха в 30-х годах XX столетия нашли применение в ракетных снарядах.

§5. Свойства дымного и бездымного порохов и их применение.

Преимущества бездымных порохов перед дымным порохом неоспоримы, но старый боец еще не ушел в отставку. Дымный порох и теперь применяется в военном деле для изготовления огнепроводного ("бикфордова") шнура и некоторых детонаторов. Им широко пользуются охотники, потому что скорость его горения равномерна и почти не повышается с возрастанием давления и температуры. Это свойство пороха исключает возможность разрыва ружейных стволов. Кроме того, он почти не изменяется при хранении и в сухих помещениях может сохранять свои качества долгие годы. Черный порох незаменим в пиротехнических составах и фейерверках. Нередко он идет в ход и в горном деле. В таком случае он по традиции называется не дымным, а минным. Минный порох очень удобен на карьерах при добыче дорогого декоративного камня. Ведь мрамор, облицовочный гранит, порфир надо не дробить, как руду, а откалывать крупными глыбами, чтобы их можно было, затем распилить на плиты. Тут "маломощность" пороха оборачивается его достоинством, а не недостатком. Так что дымный порох еще долго будет метать, дробить и светить, показывая пример в универсальности и долголетии.

Охотники-промысловики на пушного зверя в нашем регионе довольно часто используют дымный порох для снаряжения дробовых зарядов, так как он более дешев, в сухой охотничьей избушке храниться может годами, не изменяя своих свойств. Стрельба ведется на небольшое расстояние (до 50 метров), выстрелы, как правило, одиночные, и дым, образованный при выстреле, не мешает. Наоборот, большое количество дыма при выстреле помогает охотнику. Охотник стреляет холостым выстрелом (без дробового заряда) в нору, каменистую россыпь, дупло, и образовавшийся дым заставляет зверька покинуть свое убежище. Бездымный же порох используется в патронах для нарезного оружия, либо им снаряжаются патроны для гладкоствольного оружия и используются для добычи крупного зверя на больших дистанциях стрельбы, или там, где требуется мощный заряд.

Разумеется, что наука не стоит на месте, новые сорта пороха появляются, время от времени, но в основе производства пироксилиновых порохов стоит открытие Д. И. Менделеевым пироколлодия в 1892 году.

Глава II. Экспериментальное подтверждение свойств дымного и бездымного (пироксилинового) пороха.

В лабораторных условиях мной был получен черный (дымный) и бездымный (пироксилиновый) пороха методом эксперимента. Работа проводилась с выполнением всех правил техники безопасности.

Опыт 1. Получение и горение черного пороха.

Оборудование и реактивы: чистые ступки с пестиками, железная или керамическая подставка, нитрат калия, сера, древесный уголь.

Дымный порох был получен из смеси трех веществ: нитрата калия, серы, древесного угля в соотношении (%): нитрат калия – 75, древесный уголь – 15, сера – 10. Все вещества были растерты в отдельной ступке, смесь была тщательно перемешана. Щепотка смеси была помещена на керамическую подставку и подожжена лучинкой. При возгорании смеси было получено большое количество дыма из несгоревших частичек пороха, осталось большое количество несгоревших твердых веществ (нагара).

3KNO3 + 3C + S = K2 S + 3CO2 + N2

Интересный факт. В прошлом веке все крупные сражения (Бородинское, Битва под Ватерлоо и др. ) оканчивались сильными дождями, так как частички порохового дыма выступали ядрами конденсации, на которых осаждались и накапливались пары воды, и шёл дождь.

Опыт 2. Получение и горение бездымного (пироксилинового) пороха.

Оборудование и реактивы: химический стакан, стеклянная палочка, водяная баня, фильтровальная бумага, фарфоровая чашка, лучинка, азотная кислота, серная кислота, гигроскопическая вата, бумага.

Нитрующая смесь была приготовлена в химическом стакане следующим образом: смешали 5 мл азотной и 10 мл серной кислот. Смесь слегка охладили и поместили в неё комочек гигроскопической ваты. Стакан нагревали до температуры 70˚C на водяной бане. Через 5 – 8 минут вату промывали водой, отжимали между слоями фильтровальной бумаги и высушивали в фарфоровой чашке на кипящей водяной бане. Опыт делали с двумя видами ваты: хлопковой и искусственной (полученной из древесины). Хлопковая вата мягкая на ощупь; вата, полученная из древесины, неприятно скрипит между пальцами.

Оба образца сожгли в вытяжном шкафу. Вата в обоих случаях сгорает моментально, без образования дыма.

VΙ. Результаты и выводы.

Изучив теоретический материал о порохах, и, изготовив экспериментально дымный и бездымный пороха, я сравнил их свойства и пришел к следующим выводам.

Дымный порох – это гетерогенная система (смесь трёх веществ - нитрата калия, серы и древесного угля), состоящая из горючего (S, C) и окислителя (KN +5O3). При сгорании дает густой белый дым и большое количество нагара в ружьях. Только 40% его превращается в газы, остальное переходит в нагар. Так как сила газов, толкающая пулю невелика, то дальность стрельбы небольшая. Большое загрязнение канала ствола пороховым нагаром после нескольких выстрелов заметно ухудшает кучность боя.

Бездымный порох на основе нитроцеллюлозы имеет много преимуществ перед дымным порохом. Отсутствует дым при стрельбе, поэтому стрелок не обнаруживает себя противнику. Бездымный порох при сгорании образует в 2,8 раза больше газов, поэтому вдвое увеличивается начальная скорость снаряда. Из-за высокой скорости снаряда выше кучность стрельбы и дальность выстрела. При этом происходит крайне малое загрязнение канала ствола пороховым нагаром. При стрельбе патронами с бездымным порохом уменьшается звук выстрела и отдача ружья. Но для бездымного пороха пришлось создавать новый патрон уменьшенного калибра, покрытый твердой оболочкой и сделать прочный с более твердым каналом ствол и более крутые нарезы в стволе.

При всех достоинствах бездымного пороха дымный (черный) порох еще рано списывать со счетов. В настоящее время он применяется очень широко: для изготовления «бикфордова» шнура, им пользуются охотники-промысловики. Черный порох незаменим в пиротехнике и фейерверках, нередко идет в ход в горном деле.

Бездымный порох в военном деле практически вытеснил дымный порох. Он широко применяется для снаряжения патронов для стрелкового оружия и зарядов для артиллерийских орудий, а также в качестве топлива для ракет.

Несмотря на то, что со времени создания Д. И. Менделеевым пироколлодия прошло более 100 лет, до настоящего времени его открытие широко используется во всем мире при производстве пороха.