Стаття розповідає про методи та техніку виготовлення пороху з алюмінієвої пудри та калійної селітри, а також про те, як правильно та безпечно зберігати та використовувати отриманий порох. При виготовленні пороху з алюмінієвої пудри і калійної селітри слід бути обережним і точно дотримуватися пропорцій інгредієнтів, так як неправильне співвідношення може призвести до дефектів у роботі пороху. Існують два основні методи виробництва пороху: мокрий та сухий. Мокрий метод застосовується при роботі з калійною селітрою і включає розчинення селітри у воді і змішування її з алюмінієвою пудрою. Сухий метод вимагає більш ретельної підготовки сировини та інструментів, проте дозволяє досягти більш високої якості пороху. Отримавши готовий порох, слід переконатися, що він сухий і містить будь-яких сторонніх включень. Для зберігання пороху необхідно вибрати місце, захищене від високих температур і вологості. Порох також слід використовувати з обережністю та лише відповідно до інструкцій до використання, щоб уникнути неприємних наслідків. Виготовлення пороху – це відповідальна та складна справа, проте при правильному підході та дотриманні всіх заходів безпеки, вона може принести задоволення від отриманого результату. Якщо ви вирішите зайнятися виробництвом пороху, обов'язково прочитайте докладну інструкцію та проконсультуйтеся з досвідченими фахівцями у цій галузі. Стаття: Виготовлення пороху – це відповідальне та складне заняття, яке вимагає від людини обережності та технічних знань.Тим не менш, багато людей, які захоплюються полюванням, стріляниною або піротехнікою, можуть захотіти зробити порох самостійно. У цій статті ми розповімо, як можна отримати порох із алюмінієвої пудри та калійної селітри, а також про те, як правильно його зберігати та використовувати.
Насамперед слід розуміти, що при виробництві пороху необхідно бути вкрай обережним. Для цього потрібно використовувати тільки якісні інгредієнти і точно дотримуватись пропорцій при їх змішуванні. Неправильне співвідношення може призвести до того, що порох не запрацює, або вибух. Існують два основні методи виготовлення пороху з алюмінієвої пудри та калійної селітри – мокрий та сухий. Мокрий метод виробництва пороху полягає в тому, що калійна селітра розчиняється у воді, а потім отриманий розчин додається алюмінієва пудра. Такий метод швидкий і простий, але порох, отриманий ним, який завжди виявляється рівномірним і однорідним. Сухий метод виробництва пороху потребує більш трудомісткої підготовки. Селітра та алюмінієва пудра поміщаються у ступку та ретельно перемішуються, щоб отримати однорідну суміш. Потім суміш поміщається до млина і подрібнюється до отримання дрібного порошку. Отриманий порох виглядає набагато якіснішим і рівномірнішим, ніж порох, отриманий мокрим методом. Коли ви отримаєте готовий порох, перевірте, чи він сухий і не містить якихось сторонніх включень. Для зберігання пороху потрібно вибрати відповідне місце. Це має бути місце, захищене від високих температур та вологості. Переконайтеся, що порох знаходиться у закритому контейнері, який ніхто не може випадково відчинити. Для використання пороху слід бути обережним і не бажати експериментів.Дотримуйтесь інструкцій щодо використання пороху, що знаходяться на упаковці. Ніколи не намагайтеся використовувати порох більш ніж у задуманому обсязі. Також не зберігайте порох поруч із іншими вибухонебезпечними предметами. Виготовлення пороху – це складна і відповідальна справа, але вона може бути безпечною і захоплюючою, якщо ви дотримуватиметеся всіх запобіжних заходів. Якщо ви зацікавилися виробництвом пороху, необхідно вивчити всі технічні аспекти цього процесу і, звичайно ж, не забувати про безпеку.
Йтиметься не про тих людей, доля яких виявилася пов'язаною із застосуванням вогнепальної зброї, а про тих, хто створював порох і шукав нові сфери його застосування.
Найдавніший винахід
Спочатку віддамо належне попереднику бездимного пороху – його димного «собрата». Димний порох (його також називають чорним) є ретельно перемішаною сумішшю калійної селітри KNO.3, деревного вугілля та сірки. Головна перевага пороху полягає в тому, що він може горіти без доступу повітря. Горючі речовини – вугілля та сірка, а кисень, необхідний для горіння, постачає селітра. Інша важлива властивість пороху – він утворює при горінні велику кількість газів. Хімічне рівняння горіння пороху:
Перша згадка про рецепт приготування горючої суміші з селітри, сірки та вугілля (отриманого з бамбукової тирси) зустрічається в стародавньому китайському трактаті I ст. н. е., тоді порох застосовували для виготовлення феєрверків. Широке використання чорного пороху як бойової вибухової речовини почалося Європі наприкінці XIII в. Горючі компоненти пороху вугілля та сірка були цілком доступні.Однак селітра була дефіцитним продуктом, оскільки єдиним джерелом нітрату калію3 служила так звана калієва чи індійська селітра. У Європі природних джерел калієвої селітри не було, її привозили з Індії та використовували лише для виробництва пороху. Оскільки пороху з кожним століттям потрібно все більше, а привізної селітри, до того ж дуже дорогий, не вистачало, було знайдено інше її джерело – гуано (від ісп. guano). Це залишки, що розклалися природним чином, посліду птахів і кажанів, що являють собою суміш кальцієвих, натрієвих і амонійних солей фосфорної, азотної та деяких органічних кислот. Основна складність у виробництві пороху з такої сировини полягала в тому, що гуано містить не калієву, а переважно натрієву селітру NaNO3. Її не можна використовувати для виготовлення пороху, оскільки вона притягує вологу і такий порох швидко відволожується. Для того, щоб перетворити натрієву селітру на калієву, використовували просту реакцію:
Кожна з цих сполук розчинна у воді і не випадає з реакційної суміші осад, тому отриманий водний розчин містить всі чотири сполуки. Тим не менш, провести поділ можливо, якщо використовувати різну розчинність сполук при підвищенні температури. Розчинність NaCl у воді невелика і до того ж дуже мало змінюється з температурою, а розчинність KNO3 у киплячій воді майже в 20 разів вище, ніж у холодній. Тому змішують насичені гарячі водні розчини NaNO3 і KCl, а потім суміш охолоджують, кристалічний осад, що випав, містить досить чистий KNO3.
Однак не всі проблеми було вирішено. Більшість складових частин гуано розчиняються у воді і легко розмиваються дощами.Тому в Європі скупчення гуано можна було знайти тільки в печерах, де раніше гніздилися колонії птахів або кажанів. Печери, що містили скупчення гуано, були знайдені, наприклад, у передгір'ях Криму, що дозволило організувати невеликий пороховий завод на печерній сировині в Севастополі під час англо-франко-російської війни 1854–1855 рр.
Звичайно, всі європейські запаси були невеликі, і їх швидко виробили. На допомогу прийшли величезні запаси гуано вздовж тихоокеанського узбережжя Південної Америки. Мільйонні колонії птахів, що харчуються рибою, – чайки, баклани, крачки, альбатроси – гніздилися на скелястих берегах уздовж узбережжя Перу, Чилі та прибережних островах (рис. 1). Оскільки в цьому районі майже не буває дощів, гуано накопичувалося на узбережжі багато століть, утворивши в деяких місцях поклади товщиною в десятки метрів і довжиною понад 100 км. Гуано було як джерело селітри, а й цінне добриво, попит нею постійно зростав. У результаті 1856 р. США було навіть прийнято спеціальний «Закон про островах гуано» (іноді його називають «Законом про гуано»). Відповідно до цього закону гуанові острови вважалися володінням США, що сприяло прискореному захопленню таких островів та створенню контролю за джерелами цінного ресурсу.
Мал. 1.
Колонія морських птахів
"виробників" гуано
Потреба гуано досягла такого розмаху, що на початку XX ст. його експорт становив мільйони тонн, всі розвідані запаси почали швидко виснажуватися. Виникла проблема, подібні до якої хімія завжди вміла вирішувати, був створений принципово інший порох, для його виготовлення селітра взагалі не була потрібна.
Все починалося з полімерів
Людство дуже давно навчилося використовувати природні полімери (бавовна, шерсть, шовк, шкіри тварин). Форми виробів, що отримуються – волокна для виготовлення тканин або пласти шкіри – залежать від вихідного матеріалу. Щоб змінити форму принципово, необхідно було в будь-який спосіб хімічно модифікувати вихідний матеріал. Саме целюлоза відкрила шлях до подібних перетворень, що зрештою призвело до створення хімії полімерів. З целюлози складається бавовняна вата, деревина, лляні нитки, прядив'яні волокна і, природно, папір, який виготовляють із деревини.
Полімерний ланцюг целюлози зібраний із циклів, з'єднаних кисневими перемичками, зовні це нагадує намисто (рис. 2).
Мал. 2.
Полімерний ланцюг целюлози
Оскільки у складі целюлози знаходиться багато гідроксильних НО-груп, саме їх стали піддавати різним перетворенням. Один із перших успішних реакцій – нітрування, тобто. введення нітрогруп NO2 дією на целюлозу азотної кислоти HNO3 (Рис. 3).
Мал. 3.
Нітрування целюлози
Щоб зв'язати воду, що виділяється і тим самим прискорити процес, в реакційну суміш додають концентровану сірчану кислоту. Якщо бавовняну вату обробити зазначеною сумішшю, а потім відмити від слідів кислот і висушити, то зовні вона буде виглядати так само, як вихідна, але на відміну від натуральної бавовни така вата легко розчиняється в органічних розчинниках, наприклад, в ефірі. Ця властивість була відразу ж використана, з нітроцелюлози стали виготовляти лаки – вони утворюють чудову блискучу поверхню, що легко піддається поліруванню (нітролаки). Довгий час нітролаки застосовували для покриття кузовів автомобілів, наразі їх змінили акрилові лаки.До речі, лак для нігтів теж роблять із нітроцелюлози.
Не менш цікаво, що з нітроцелюлози була виготовлена перша в історії полімерної хімії пластмаси. У 1870-ті роки. на основі нітроцелюлози, змішаної з камфорою пластифікатором, був вперше створений термопластик. Такому пластику надавали певну форму при підвищеній температурі та під тиском, а коли речовина остигала, задана форма зберігалася. Пластик отримав назву целулоїд, З нього стали робити перші фото-і кіноплівки, більярдні кулі (замінивши тим самим дорогу слонову кістку), а також різні побутові предмети (гребінці, іграшки, оправи для дзеркал, окулярів та ін.). Недоліком целулоїду було те, що він легко спалахував і дуже швидко згоряв, причому зупинити горіння було майже неможливо. Тому целулоїд був поступово витіснений іншими, менш пожежонебезпечними полімерами. З цієї причини досить швидко відмовилися від штучного шовку з нітроцелюлози.
Популярний колись целулоїд не забутий і сьогодні. Відомий рок-гурт Tequilajazz випустила альбом під назвою «Целлулоїд». До альбому увійшли деякі мелодії, написані для фільмів, а слово целулоїд вказує на матеріал, з якого раніше робили кіноплівку. Якби автори хотіли дати більш сучасну назву альбому, його слід було назвати «Ацетат целюлози», оскільки він менш пожежонебезпечний і тому витіснив целулоїд, а ультрасучасною назвою було б «Поліефір», який починає успішно конкурувати з ацетатом целюлози при виготовленні кіноплівки.
Існують вироби, де целулоїд застосовують досі, він виявився незамінним при виготовленні кульок для настільного тенісу; на думку гітаристів, найкращий звук дають медіатори (плектри) із целулоїду. Ілюзіоністи використовують невеликі палички з цього матеріалу, щоб продемонструвати яскраве полум'я, що швидко зникає.
Зайва нітроцелюлози, що перервала її «кар'єру» в полімерних матеріалах, відкрила широку дорогу зовсім в іншому напрямку.
Вогонь без диму
Ще в 1840-х роках. дослідники помітили, що при обробці деревини, картону та паперу азотною кислотою утворюються швидко згоряючі матеріали, проте найбільш вдалий спосіб отримання нітроцелюлози був відкритий випадково. У 1846 р. швейцарський хімік К.Шонбейн під час роботи пролив на стіл концентровану азотну кислоту і для її видалення скористався бавовняною ганчіркою, яку потім повісив сушитися. Після висихання тканина від піднесеного полум'я миттєво згоріла. Шонбейн докладніше вивчив хімію цього процесу. Саме він уперше вирішив додавати при нітруванні бавовни концентровану сірчану кислоту. Нітроцелюлоза світиться дуже ефектно. Якщо покласти на долоню клаптик «нітрованої» вати та підпалити, то вата згорить так швидко, що рука не відчує жодного опіку (рис. 4).
Мал. 4.
Горіння нітроцелюлози
Виготовити порох на основі цього пального матеріалу вдалося в 1884 французькому інженеру П. Вьелю. Необхідно було створити композицію, що легко переробляється, крім того, потрібно, щоб вона була стійка при зберіганні і безпечна в користуванні. Розчинивши нітроцелюлозу в суміші спирту та ефіру, В'єль отримав в'язку масу, яка після подрібнення та подальшого висушування дала чудовий порох.За потужністю він набагато перевершував чорний порох, а при горінні не давав диму, тому його назвали бездимним. Остання властивість виявилася дуже важливою для ведення бойових дій. При використанні бездимного пороху поля боїв не огорталися клубами диму, що дозволяло артилерії вести прицільний вогонь. Відсутня також зрадницька хмара диму після пострілу, яка раніше видавала противнику місце розташування стрільця. Наприкінці ХІХ ст. всі розвинені країни почали виробляти бездимний порох.
Легенди та реальність
Кожен хімічний продукт проходить складний шлях від лабораторних дослідів до промислового виробництва. Потрібно створювати різні сорти пороху, одні – придатні для артилерії, інші – для гвинтівкової стрільби, порох повинен бути стабільним за якістю, стійким під час зберігання, а його виробництво безпечним. Тому з'явилося кілька способів виробництва пороху.
Д.І.Менделєєв
(1834–1907)
У організації порохового виробництва, у Росії помітну роль зіграв Д.И.Менделеев. У 1890 р. він здійснив поїздку Німеччиною та Англією, де знайомився з виробництвом пороху. Існує навіть легенда, що до цієї поїздки Менделєєв визначив склад бездимного пороху, скориставшись відомостями про кількість сировини, яку щотижня завозили на завод з виробництва пороху. Можна вважати, що для хіміка такого високого класу не становило жодних труднощів на основі отриманих відомостей зрозуміти загальну схему процесу.
Повернувшись із поїздки до Петербурга, він почав детально вивчати нітрування целюлози. До Менделєєва багато хто вважав, що що сильніше нітрована целюлоза, то вище її вибухова сила. Менделєєв довів, що це негаразд.Виявилося, існує оптимальна ступінь нітрування, при якій частина вуглецю, що міститься в пороху, окислюється не вуглекислий2, а у чадний газ СО. У результаті одиницю маси пороху утворюється найбільший обсяг газу, тобто. порох має максимальне газоутворення.
У процесі виробництва нітроцелюлози її ретельно відмивають водою від слідів сірчаної та азотної кислот, після чого висушують від слідів вологи. Раніше це робили за допомогою потоку теплого повітря. Такий процес висушування був малоефективним і до того ж вибухонебезпечним. Менделєєв запропонував висушувати вологу масу, промиваючи її спиртом, у якому нітроцелюлоза нерозчинна. Вода при цьому надійно віддалялася. Цей метод був прийнятий у всьому світі і став класичним технологічним прийомом при виготовленні бездимного пороху.
Віце-адмірал
С.О.Макаров
(1849–1904)
У результаті Менделєєву вдалося створити хімічно однорідний і безпечний у користуванні бездимний порох. Свій порох він назвав піроколодієм – Вогненним клеєм. У 1893 р. було проведено випробування нового пороху під час стрільби з далекобійних морських знарядь, і Менделєєв отримав вітальну телеграму від відомого океанографа і чудового флотоводця віце-адмірала С.О.Макарова.
На жаль, виробництво піроколодійного пороху, незважаючи на його явні переваги, не налагодилося в Росії. Причиною цього було схиляння керівних чиновників Артилерійського управління перед усім іноземним і недовіру до російських розробок. В результаті на Охтінському заводі все виробництво пороху йшло під контролем запрошеного французького фахівця Мессена.Він не зважав навіть на думку Менделєєва, який помітив недоліки виробництва, і вів справу суворо за своїми інструкціями. Натомість піроколодійний порох Менделєєва був озброєний в американській армії і вироблявся у величезних кількостях на заводах США в період першої світової війни. Причому американці примудрилися навіть узяти патент на виробництво піроколодійного пороху через п'ять років після того, як його створили Менделєєва, але цей факт ніяк не схвилював російське військове відомство, яке свято вірило у переваги французького пороху.
На початку ХХ ст. у всьому світі було налагоджено виробництво кількох видів бездимного пороху. Найпоширенішими серед них були піроколодійний порох Менделєєва, крім того, близький до нього за складом, але має піроксиліновий порох В'єля (про нього було розказано раніше), а також порохова суміш, названа кордитом. З виробництвом кордита пов'язана одна незвичайна історія, про яку йтиметься далі.
Хімік-президент
Х.Вейцман
(1874–1952)
З початку ХХ ст. військова галузь промисловості Англії була на кордитний порох. До його складу входили нітроцелюлоза та нітрогліцерин. На стадії формування використовувався ацетон, який надавав підвищену пластичність суміші. Після формування ацетон випаровувався. Складність полягала в тому, що до початку першої світової війни основну масу ацетону Англія імпортувала зі США морським шляхом, але на морі вже повністю «господарювали» німецькі підводні човни. У Англії виникла гостра необхідність виробляти ацетон самостійно. На допомогу прийшов мало кому відомий хімік Хаїм Вейцман, який незадовго до цього емігрував до Англії із села Мотол (під м. Павло).Пінському у Білорусії).
Працюючи на хімічному факультеті Манчестерського університету, він опублікував статтю, де описав ферментативне розщеплення вуглеводів. При цьому виходила суміш ацетону, етанолу та бутанолу. Британське військове відомство запросило до себе Вейцмана, щоб з'ясувати, чи можна за допомогою відкритого ним процесу організувати виробництво ацетону в кількості, яка потрібна для військової галузі промисловості. На думку Вейцмана, таке виробництво можна створити, якщо вирішити невеликі технічні проблеми. Для відділення ацетону цілком застосовна проста перегонка завдяки помітній різниці в температурах кипіння присутніх сполук. Однак за організації виробництва виникла зовсім інша складність. Джерелом вуглеводів у процесі Вейцмана було зерно, але власне виробництво зерна в Англії повністю споживалося харчовою галуззю промисловості. Додаткове зерно доводилося ввозити зі США морським шляхом, у результаті німецькі підводні човни, що загрожували імпорту ацетону, так само загрожували імпорту зерна. Здавалося, що коло замкнулося, але все ж таки вихід з цієї ситуації було знайдено. Хорошим джерелом вуглеводів виявилися кінські каштани, які, до речі, не мали ніякої харчової цінності. В результаті в Англії було організовано масову кампанію зі збору кінських каштанів, у ній брали участь усі школярі країни.
Ллойд Джордж, колишній прем'єр-міністром Великобританії за часів першої світової війни, висловлюючи свою вдячність Вейцману за його зусилля щодо зміцнення військової могутності країни, представив його міністру закордонних справ Девіду Балфору. Балфор спитав Вейцмана, яку нагороду він хотів би здобути.Бажання Вейцмана виявилося зовсім несподіваним, він запропонував створити єврейську державу на території Палестини – історичній батьківщині євреїв, яка перебувала на той час уже протягом багатьох років під контролем Англії. У результаті 1917 р. з'явилася декларація Балфора, що увійшла в історію, в якій Англія виступила з пропозицією виділити територію для майбутнього єврейської держави.
Ця декларація зіграла свою роль, але не відразу, а лише через 31 рік. Коли весь світ дізнався про звірства фашистів під час Другої світової війни, необхідність створення такої держави стала очевидною. У результаті 1948 р. було створено державу Ізраїль. Хаїм Вейцман став його першим президентом, як людина, яка вперше запропонувала світовій спільноті цю ідею. Науково-дослідний інститут в ізраїльському р. Реховот носить тепер його ім'я. А починалося все з виробництва бездимного пороху.
Повернення старовинної «професії»
Довгий час використання пороху у військовій справі обмежувалося двома завданнями: перше – привести в рух кулю або снаряд, що знаходиться в стовбурі зброї, друга – бойовий заряд, розташований у голівці снаряда, повинен був вибухати при попаданні в ціль і виробляти руйнівну дію. Бездимний порох дозволив відродити на новому рівні ще одну, забуту можливість пороху, для якої, власне, він і був створений у Стародавньому Китаї – запуск феєрверків. Поступово військова промисловість дійшла думки використовувати бездимний порох як паливо, що дозволяє рухати ракету за рахунок реактивної тяги, що утворюється при викиді газів із сопла ракети.Перші такі досліди проводилися ще першій половині ХІХ ст., а поява бездимного пороху вивело ці роботи новий рівень – виникла ракетна техніка. Спочатку створювали твердопаливні ракети з урахуванням порохових зарядів, невдовзі з'явилися ракети рідкому паливі – суміші вуглеводнів з окислювачами.
Склад пороху на цей момент було дещо змінено: у Росії замість легколетких розчинників почали використовувати добавку тротилу. Новий піроксилино-тротиловий порох (ПТП) горів абсолютно без диму, з величезним газоутворенням та цілком стабільно. Його стали застосовувати у вигляді пресованих шашок, які дещо нагадують хокейну шайбу. Цікаво, що перші такі шашки були виготовлені на тих пресах, якими користувався Менделєєв за часів свого захоплення пороховою справою.
Одне з перших незвичайних застосувань твердопаливних ракет на основі ПТП було запропоновано у 1930-х роках. – Використовувати їх як прискорювач літаків. На землі це дозволяло різко скоротити довжину стартового пробігу літаків, а в повітрі забезпечувало короткочасне різке збільшення швидкості польоту, коли необхідно було наздогнати противника або ухилитися від зустрічі з ним. Можна уявити відчуття перших випробувачів, коли збоку від кабіни пілота вивергався смолоскип скаженого вогню.
Вітчизняне ракетобудування у 1930-х роках. очолили видатні діячі в галузі ракетної техніки – І.Т.Клейменов, В.П.Глушко, Г.Е.Лангемак та С.П.Корольов (майбутній творець космічних ракет), які працювали у спеціально створеному Реактивному науково-дослідному інституті (РНДІ) .