Thuốc nổ

Tập tin:17. Експлозивни својства на три различни типови експлозиви.webm

Thử nghiệm chứng minh các đặc tính nổ của ba chủng loại chất nổ khác nhau; bốn vụ nổ được thực hiện. Ba vụ được triển khai trên bệ đá cẩm thạch rắn, và một vụ được thực hiện trực tiếp trên lòng bàn tay của người hướng dẫn; mỗi lượt đều được kích nổ bằng một que đóm thí nghiệm

Thuốc nổ là một loại vật chất có tính phản ứng cao, tích lũy một lượng khổng lồ thế năng và có khả năng tạo ra một vụ nổ nếu nguồn năng lượng này được giải phóng một cách đột ngột, thông thường sẽ song hành cùng sự xuất hiện của ánh sáng, nhiệt, âm thanh và áp suất. Một lượng chất nổ được đong đếm định lượng quy chuẩn dã chiến được gọi là một khối lượng thuốc nổ. Phân lớp vật liệu này có thể được cấu thành hoàn toàn từ một thành phần độc lập duy nhất hoặc là một hỗn hợp phối trộn chứa ít nhất hai chất khác nhau. Chất nổ hoàn toàn có thể được ứng dụng gá lắp kết hợp cùng các linh kiện cơ khí hoặc điện tử để chế tạo thành một quả bom.

Nguồn thế năng tích lũy có thể được lưu trữ bên trong vật liệu nổ theo nhiều phương thức khác nhau. Trong phần lớn các kịch bản, nó được lưu trữ dưới dạng hóa năng, tiêu biểu như dòng thuốc súng đen, hợp chất nitroglycerin hoặc thậm chí là bụi ngũ cốc. Nguồn thế năng này cũng có thể được nén giữ dưới dạng khí nén, ví dụ như cấu trúc bên trong một bình khí nén, bình xịt aerosol, hoặc trong kịch bản thảm họa nổ bùng do chất lỏng sôi giãn nở hơi (BLEVE), hay hiếm gặp hơn là dưới dạng năng lượng hạt nhân tích tụ trong các đồng vị phân hạch như Uranium-235 và Plutonium-239.

Các phân lớp vật liệu nổ có thể được phân loại định danh dựa trên thông số tốc độ tịnh tiến giãn nở của chúng. Các vật liệu xảy ra hiện tượng nổ bùng phá hủy, nơi vách ngăn mặt trước của phản ứng hóa học tịnh tiến xuyên qua khối vật liệu với vận tốc vượt trội hoàn toàn so với tốc độ âm thanh, được giới chuyên gia gọi là "chất nổ mạnh" (high explosives). Ngược lại, các vật liệu chỉ diễn ra tiến trình xì cháy, nơi mặt trước của phản ứng dịch chuyển với vận tốc hạ thanh (chậm hơn tốc độ âm thanh), được định danh với danh xưng "chất nổ yếu" (low explosives). Về mặt cơ học, kết quả cục diện của phản ứng này chỉ là một tiến trình cháy cấp tập chứ tuyệt đối không cấu thành nên một vụ nổ bùng phá hủy đúng nghĩa như trên các dòng chất nổ mạnh. Bên cạnh đó, chất nổ cũng có thể được phân loại căn cứ theo độ nhạy nổ của chúng. Các vật liệu nhạy nổ bộc lộ đặc tính dễ dàng bị kích nổ chỉ bởi một lượng kích thích nhiệt năng hoặc áp lực tương đối nhỏ được xếp vào danh mục Chất nổ mồi (primary explosives); trái lại, các vật liệu bộc lộ đặc tính trơ và tương đối kém nhạy nổ sẽ được gọi là Chất nổ phá thứ cấp (secondary) hoặc tam cấp (tertiary explosives). Các vật liệu trơ này luôn đòi hỏi kỹ thuật viên bắt buộc phải lắp kèm một kíp nổ chuyên dụng để kích hoạt chu trình nổ, nếu không có linh kiện kích nổ này, cấu trúc của chúng ngoài sẽ chỉ cháy một cách điều hòa.

Thực tế ghi nhận chỉ có một số lượng hạn chế hợp chất hóa học được gia công sản xuất là đủ cơ tính phù hợp để khai thác vận hành dưới vai trò chất nổ quốc phòng. Phân lớp số lượng hóa chất tồn dư còn lại bộc lộ các nhược điểm dã chiến như quá nguy hiểm, siêu nhạy nổ, độc tính cao, giá thành đắt đỏ, cơ tính kém ổn định, hoặc dễ bị phân hủy suy thoái phẩm cấp chất lượng trong những khoảng hành trình thời gian ngắn hạn. Ở một khía cạnh đối chiếu khác, một số vật liệu thông thường chỉ bộc lộ tính chất dễ bắt cháy hoặc dễ cháy nếu chúng chỉ cháy loang mà hoàn toàn không kích nổ. Tuy nhiên, ranh giới định nghĩa này ngoài thực tế không phải lúc nào cũng rõ rệt. Một số vật liệu cụ thể — tiêu biểu như các bụi mịn, hạt bột, các chất khí, hoặc chất lỏng hữu cơ dễ bay hơi — hoàn toàn có thể chỉ bộc lộ đặc tính dễ cháy đơn thuần trong các điều kiện môi trường thông thường, nhưng sẽ ngay lập tức biến đổi cơ tính trở thành một hỗn hợp nổ nguy hiểm trong các tình huống hoặc phom dáng đặc định, ví dụ như khi chúng cấu thành nên các đám mây bụi phát tán lơ lửng ngoài không trung, rơi vào trạng thái bị bao bọc phong tỏa kín, hoặc bị giải phóng áp lực một cách đột ngột.

Lịch sử

• Thế kỷ 9: Thuốc súng đen (Trung Quốc): Các nhà giả kim thuật Trung Quốc tình cờ phát hiện ra thuốc súng (hỗn hợp lưu huỳnh, than củi và kali nitrat) trong khi tìm kiếm thuốc trường sinh bất tử. Ban đầu nó được dùng cho pháo hoa và sau đó là vũ khí quân sự như hỏa tiễn và tạc đạn.
• Thế kỷ 13: Lan rộng sang châu Âu và Ả Rập: Công thức thuốc súng được truyền bá sang phương Tây, dẫn đến sự ra đời của đại bác và súng hỏa mai, chấm dứt kỷ nguyên của các hiệp sĩ mặc giáp trụ.
• Năm 1846: Nitroglycerin và Guncotton: Christian Friedrich Schönbein phát hiện ra Guncotton (xenlulozo nitrat) và Ascanio Sobrero chế tạo ra Nitroglycerin. Nitroglycerin có sức công phá cực mạnh nhưng cực kỳ kém ổn định và nguy hiểm khi vận chuyển.
• Năm 1867: Alfred Nobel và Dynamite: Để kiểm soát sự nguy hiểm của Nitroglycerin, Alfred Nobel đã trộn nó với đất diatomite (một loại đất sét) để tạo ra Dynamite. Đây là bước ngoặt giúp khai thác mỏ và xây dựng hạ tầng (đào hầm, kênh đào) an toàn hơn.
• Cuối thế kỷ 19: TNT (Trinitrotoluene): Được Joseph Wilbrand phát hiện năm 1863, nhưng mãi đến đầu thế kỷ 20 mới được sử dụng rộng rãi trong quân sự vì độ ổn định cao, khó bị kích nổ hơn Dynamite nếu không có kíp nổ chuyên dụng.
• Thế kỷ 20: Thuốc nổ dẻo và Vũ khí hạt nhân: Sự phát triển của C4 và các loại thuốc nổ dẻo mang lại tính linh hoạt cao. Đỉnh điểm của công nghệ phá hủy là sự ra đời của bom nguyên tử vào năm 1945 dựa trên phản ứng phân hạch hạt nhân thay vì phản ứng hóa học.

Phân loại

• Theo thành phần: đơn chất (hóa hợp),

đa chất (hỗn hợp);

• Theo trạng thái: có lỏng, rắn, khí và dẻo;
• Theo công dụng: thuốc nổ chính và thuốc gây nổ;

Một số loại thuốc nổ thường dùng ở Việt Nam

Thuốc gây nổ Fuminat thủy ngân Hg(ONC)₂

Thuốc nổ ở dạng hóa hợp, có tinh thể màu trắng hoặc màu tro, độc, khó tan trong nước lã, nhưng tan trong nước sôi.

• Tính năng: rất nhạy nổ với va đập cọ xát, tốc độ nổ 5.040 m/s. Dễ bắt lửa, khi bắt lửa nổ ngay, ở nhiệt độ 160-170 °C tự nổ. Dễ hút ẩm, khi bị ẩm sức nổ kém đi và có thể không nổ. Tác dụng mạnh với axít, nếu là axít đặc tạo ra phản ứng nổ. Khi tiếp xúc với nhôm sẽ ăn nát nhôm phản ứng tỏa nhiệt.
• Công dụng: nhồi vào các loại kíp, đầu nổ của bom, đạn.

Thuốc nổ phá

Tô lít

Còn gọi là TNT (trinitrotoluen) công thức hóa học CH₃C₆H₂(NO₂)₃.

Thuốc nổ ở dạng hóa hợp, tinh thể cứng màu vàng nhạt, tiếp xúc với ánh sáng ngả màu nâu, vị đắng, khó tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ (cồn, ête, benzen, axeton), khói độc.

• Tính năng: an toàn khi va đập, cọ xát, đạn súng trường bắn xuyên qua không nổ, tốc độ nổ 7.000 m/s. Đốt khó cháy, ở nhiệt độ 81 °C thì chảy, 310  °C thì cháy, khi cháy có ngọn lửa đỏ, khói đen, mùi nhựa thông và không nổ, nếu cháy ở nơi kín có thể cháy nổ. Rất ít hút ẩm, thuốc đúc hầu như không hút ẩm, thuốc đúc và ép có thể dùng dưới nước, thuốc bột dễ ngấm nước, khi bị ẩm dù phơi khô vẫn nổ. Không tác dụng với kim loại. Gây nổ bằng kíp số 8.
• Công dụng: dùng rộng rãi trong phá các vật thể (đất, đá, gỗ...) làm thuốc nổ chính trong bom, mìn, đạn pháo, lựu đạn,...Trộn với thuốc nổ khác làm dây nổ.

Thuốc nổ dẻo C4

Thuốc nổ dẻo C4 là hỗn hợp có thành phần 85% hexogen, 15% xăng crep, có dạng dẻo dễ nhào nặn.

• Tính năng: va đập cọ xát an toàn, đốt khó cháy. Không hút ẩm, không tan trong nước, không tác dụng với kim loại. Gây nổ bằng kíp số 8.
• Công dụng: uy lực nổ lớn hơn TNT nên thường làm lượng nổ, nhồi vào đạn lõm. Với tính dẻo dễ nặn theo mọi hình thù nên thường dùng trong công trình công binh, sử dụng phá hoại công trình.

Uy lực sát thương: Đối với thuốc nổ TNT thì 4200–7000 m/s còn đối với C4 thì 7380 m/s. Nó không bị đạn súng trường gây nổ, Nó thường được làm thành từng bánh có khối lượng 200g hoặc 400g. Nó tự động nổ từ 202^oC trở lên.

Thuốc nổ đen

Là loại thuốc nổ hỗn hợp dạng bột vụn màu đen hay xanh thẫm, dạng viên nhỏ đường kính 5–10 mm, khói độc, thành phần của thuốc nổ gồm 75% nitrat kali, 15% cacbon, 10% lưu huỳnh.

• Tính năng: rất dễ bắt lửa, chỉ cần tàn lửa cũng làm thuốc bốc cháy và nổ. Rất dễ hút ẩm, bị ẩm nhiều không sử dụng được.
• Công dụng: làm thuốc dẫn lửa trong dây cháy chậm, làm thuốc phóng trong phóng đá, mìn, đầu đạn, rốc két, tên lửa...

Sử dụng

• Dùng để nhồi vào hạt lửa, bộ lửa đạn pháo, kíp nổ, đạn hỏa thuật, liều phóng các loại đạn dược... hoặc dùng trong công nghiệp...

Phản ứng hóa học của thuốc nổ

Một phản ứng hóa học của thuốc nổ là một hợp chất hoặc hỗn hợp, dưới tác dụng của nhiệt và sốc, phân rã hay tái sắp xếp cực kỳ nhanh chóng, thu được rất nhiều khí và nhiệt. Một số chất không được xếp vào hàng thuốc nổ có thể thực hiện một hoặc hai trong số các việc kể trên. Ví dụ như, một hỗn hợp của nitro và oxy có thể phản ứng cực nhanh và tạo ra sản phẩm khí là NO, nhưng hỗn hợp trên không phải là thuốc nổ vì không sinh ra nhiệt mà hấp thụ nhiệt.

N₂ + O₂ → 2NO - 43.200 calories (hay 180 kJ) cho một mol N₂

Để một chất hóa học trở thành thuốc nổ nó phải có biểu hiện về:

• Sự giãn nở nhanh (sản sinh nhanh khí hay nung nóng nhanh khí xung quanh)
• Tỏa nhiệt
• Phản ứng nhanh
• Sự khởi đầu của phản ứng.

Thuốc nổ trong quân đội

Để xác định tính tương thích của một chất nổ với mục đích của quân đội, những đặc tính vật lý của nó phải được kiểm nghiệm kỹ lưỡng. Tính hữu dụng của một chất nổ chỉ có thể được đánh giá cao khi những đặc tính này đã được hiểu xuyên suốt. Rất nhiều loại thuốc nổ đã được nghiên cứu trong những năm gần đây để xác định tính tương thích với các mục đích của quân đội và phần lớn tỏ ra không phù hợp. Một số loại có thể được chấp nhận nhưng vẫn còn một số tính chất ngoài ý muốn và vì thế hạn chế tính hữu dụng của chúng trong các ứng dụng của quân đội. Yêu cầu cho chất nổ trong quân đội rất nghiêm ngặt và rất ít chất nổ sở hữu những tính chất tiêu chuẩn này. Một số tính chất khá quan trọng là:

Tính khả dĩ và giá thành

Trong bối cảnh của chiến tranh hiện đại, khối lượng thuốc nổ cần sử dụng rất khổng lồ. Vì thế thuốc nổ phải được sản xuất từ các vật liệu thô rẻ tiền, không có tính chiến lược và đáp ứng được nhu cầu với số lượng lớn. Hơn nữa, quy trình sản xuất phải đáp ứng được yêu cầu đơn giản, rẻ tiền và an toàn.

Tính nhạy nổ

Khi nói tới chất nổ, tính chất này đại diện cho điều kiện mà nó có thể bắt cháy hoặc phát nổ, ví dụ như lượng và cường độ của sốc, nhiệt hay ma sát tối thiểu. Khi cụm từ tính nhạy nổ được sử dụng, nên cẩn thận để làm rõ là tính nhạy nổ gì. Tính nhạy nổ tương đối của một loại chất nổ với va chạm có thể khác xa với ma sát hay nhiệt. Một số phương pháp kiểm tra để xác định tính nhạy nổ như sau:

• Tính nhạy nổ do va chạm: được biểu thị bằng khoảng cách mà một khối lượng tiêu chuẩn khi rơi xuống khiến cho chất đó phát nổ.
• Tính nhạy nổ do ma sát: được biểu thị bằng mức độ xảy ra khi một con lắc chà ngang vật liệu (chỉ chà xát, lách tách, bắt cháy hoặc phát nổ)
• Tính nhạy nổ do nhiệt: được biểu thị bằng nhiệt độ mà sự nhá sáng hay nổ của vật liệu xảy ra

Tính nhạy nổ là một điều quan trọng cần lưu tâm tới khi lựa chọn một loại thuốc nổ cho mục đích riêng biệt nào đó. Thuốc nổ trong một quả pháo phải tương đối kém nhạy, nếu không thì sóng chấn động có thể khiến nó nổ trước khi nó xuyên tới nơi mong muốn. Hay như thấu kính chất nổ xung quanh một trái bom hạt nhân phải cực kỳ kém nhạy để giảm thiểu nguy cơ nổ do tai nạn.

Tính bền vững

Tính bền vững là khả năng của một chất nổ có thể được lưu trữ mà không bị giảm chất lượng. Những nhân tố sau có ảnh hưởng đến sự bền vững của một chất nổ:

• Thành phần hóa học: một mặt rất điển hình là các chất nổ thông thường có thể phát nổ khi bị nung lên, chứng tỏ có gì đó không bền trong cấu trúc của chúng. Mặc dù chưa có một giải thích chính xác nào được tạo ra cho vấn đề này, người ta nhận thấy rằng một số nhóm chức như nitrit (-NO₂), nitrat (-NO₃), azide (N₃) tạo nên trạng thái "căng" bên trong. Tăng thêm sự căng này bằng cách nung nóng lên có thể tạo ra sự đứt gãy đột ngột của phân tử và sự nổ dây chuyền. Trong một số trường hợp, trạng thái không bền này của phân tử lớn đến nỗi sự phân rã xảy ra ngay cả ở điều kiện thường.
• Nhiệt độ lưu trữ: mức độ phân rã của một loại chất nổ tăng khi nhiệt độ tăng. Tất cả chất nổ của quân đội được xem là có mức bền vững cao ở nhiệt độ từ -10 tới +35 °C, nhưng mỗi loại có một nhiệt độ cao mà sự phân rã gia tăng nhanh chóng và tính bền vững giảm rõ rệt. Như điều không thể phá vỡ, phần lớn các chất nổ trở nên không bền một cách nguy hiểm khi nhiệt độ vượt quá 70 °C.
• Sự chiếu sáng: nếu tiếp xúc với tia cực tím của mặt trời, nhiều loại chất nổ có chứa nhóm nitrogen sẽ phân rã nhanh chóng, ảnh hưởng đến tính bền vững của chúng.
• Sự phóng điện: sự tích điện hay tia lửa điện để phát nổ rất thường thấy trong các loại chất nổ. Tĩnh điện hoặc sự giải phóng điện tích có thể đủ để gây nổ trong một số trường hợp. Kết quả là để an toàn khi giữ những chất nổ hay pháo hiệu cần phải nối đất cho chúng.

Sức mạnh

Từ "sức mạnh" (hoặc chính xác hơn là sự hoạt động) được áp dụng cho một chất nổ để ám chỉ cho khả năng để thực hiện công. Trong thực tế nó được định nghĩa như khả năng của chất nổ để thực hiện theo mục đích chủ định trước. (như bắn các mảnh vỡ, luồng khí vận tốc cao, sốc khi nổ dưới nước,...). Sức mạnh của một loại chất nổ được xác định bởi một loạt các kiểm tra để xác nhận tính thích hợp với mục đích sử dụng.

Tính phân tán

Bên cạnh sức mạnh, thuốc nổ còn biểu thị một tính chất khác, đó là hiệu ứng phân tán hay tính phân tán, được phân biệt với tổng khả năng thực hiện công. Một bồn propane khi nổ có thể giải phóng nhiều năng lượng hóa học hơn một ounce nitroglycerin, nhưng cái bồn chỉ bị xé ra thành từng mảnh to bị xoắn lại trong khi vỏ kim loại bao quanh nitrolgycerin sẽ hóa thành bụi mịn. Tính chất này rất quan trọng trong thực tiễn khi xác định tính hiệu quả của chất nổ trong vỏ pháo, quả bom, lựu đạn và những thứ tương tự. Độ nhanh chóng mà một loại thuốc nổ đạt được áp suất đỉnh điểm là sự đo lường cho tính phân tán. Giá trị của tính phân tán được sử dụng chủ yếu ở Pháp và Nga.

Tỉ trọng

Tỉ trọng của một khối thuốc nổ là khối lượng trên một đơn vị thể tích. Một số phương pháp có thể được sử dụng, như khối viên (pellet loading), khối ném (cast loading), và khối nén (press loading), và phương pháp được sử dụng tùy thuộc vào tính chất của loại chất nổ. Dựa trên phương pháp được sử dụng, một tỉ trọng trung bình có thể đạt được và nằm trong khoảng 80-99% tỉ trọng trên lý thuyết của loại thuốc nổ đó. Tỉ trọng cao có thể giảm độ nhạy bằng cách khiến cho vật liệu tăng sự chống chịu với ma sát bên trong. Tuy nhiên, nếu tỉ trọng tăng đến mức tinh thể bị nén chặt, thuốc nổ có thể trở nên nhạy hơn. Tăng tỉ trọng còn cho phép sử dụng nhiều thuốc nổ hơn, nhờ đó tăng sức mạnh của đầu đạn. Ta có thể nén một khối thuốc nổ vượt qua mức nhạy nổ, còn gọi là mức nén chết (dead-pressing), khi đó nó không còn khả năng phát nổ một cách đáng tin cậy nữa.

Tính dễ bay hơi

Tính dễ bay hơi, hay mức độ sẵn sàng bay hơi của một chất, là một tính chất không mong muốn của chất nổ sử dụng trong quân đội. Thuốc nổ chỉ được bay hơi rất nhẹ trong điều kiện chúng được chuyên chở và ngay cả ở nhiệt độ cao nhất mà chúng được lưu trữ. Sự bay hơi quá mức thường dẫn đến áp suất ngay trong viên đạn và tách hỗn hợp ra thành các thành phần cấu tạo. Tính bền vững, như được đề cập ở trên, là khả năng của một loại thuốc nổ có thể chịu được điều kiện lưu trữ mà không bị phân rã. Sự dễ bay hơi tác động đến cấu cạo hóa học của thuốc nổ như vậy có thể làm giảm tính bền vững và tăng sự nguy hiểm khi giữ chúng. Mức độ cho phép bay hơi tối đa là 2ml khí trong vòng 48 giờ.

Tính hút ẩm

Sự thấm hút của nước vào thuốc nổ là điều cực kỳ không mong muốn bởi nó làm giảm độ nhạy, sức mạnh và vận tốc phát nổ của thuốc nổ. Tính hút ẩm được sử dụng như xu hướng hấp thụ hơi nước của một loại vật liệu. Độ ẩm có ảnh hưởng không tốt vì đóng vai trò như một chất làm trơ và hấp thu nhiệt khi bay hơi hoặc như một dung môi và gây ra các phản ứng hóa học ngoài ý muốn. Độ nhạy, sức mạnh và vận tốc phát nổ bị suy giảm bởi chất trơ bởi nó làm giảm tính liên tục của khối chất nổ. Khi phần ẩm bốc hơi trong quá trình nổ, sự làm mát diễn ra, do đó làm giảm nhiệt độ của phản ứng. Tính bền vững cũng bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của hơi ẩm do nó kích thích quá trình phân rã và hơn nữa, ăn mòn vỏ kim loại chứa chất nổ. Do tất cả các nguyên nhân nói trên, tính hút ẩm phải được khắc phục trong chất nổ cho quân đội.

Mức độc hại

Do cấu trúc hóa học của chúng, phần lớn các loại thuốc nổ đều độc hại trên một phương diện nào đó. Bởi hiệu ứng của chất độc có thể rất khác nhau từ đau đầu nhẹ cho tới tổn thương nội tạng nghiêm trọng, phải luôn cẩn trọng với thuốc nổ để giảm thiểu nguy cơ bị nhiễm độc. Khí sản sinh ra bởi thuốc nổ cũng có thể là khí độc.

Chế tạo

Thuốc nổ đen có thể được chế tạo thủ công bằng cách trộn theo tỷ lệ trọng lượng 75%KNO₃, 15%C, 10%S. Cacbon có thể được thu bằng cách đốt gỗ (như thân cây xoan) trong tình trạng hiếm khí rồi lọc qua lưới để được bột mịn. Lưu huỳnh và KNO₃ cũng cần đem phơi khô rồi lọc qua lưới để được bột mịn.

Liên kết ngoài

• Tư liệu liên quan tới Thuốc nổ tại Wikimedia Commons