TERMOQUÍMICA EXPLOSIVOS

8/16/2019 TERMOQUÍMICA EXPLOSIVOS

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ASIGNATURA DE TRONADURA Cuarto Civil de Minas

TERMOQUIMICA DE LOS EXPLOSIVOS Y EL PROCESO DE DETONACIÓN.

1 INTRODUCCIÓN

Los explosivos comerciales son una mezcla de substancias combustibles unas y otras

oxidantes, que, iniciadas debidamente dan lugar a una reacción exotérmica muy rápida que genera

una serie de productos gaseosos a alta temperatura, químicamente más estables, y que ocupan un

mayor volumen.

El factor tiempo de explosión es tan sumamente importante que an teniendo los explosivos

comerciales un poder calorífico peque!o comparado con otras substancias combustibles, la

velocidad de reacción de un explosivo es tal que al detonar sobre una planc"a de metal puede

producir un orificio en ella, pues no da tiempo a que la energía desarrollada se distribuya "acia los

lados o "acia donde se opondrá la resistencia del aire.

Los gases producidos acumulan el calor generado, dilatándose "asta un volumen que puede ser unas

#$.$$$ veces mayor que el del barreno donde se alo%a el explosivo.

2 DEFLAGRACIÓN Y DETONACIÓN

Los explosivos químicos, segn las condiciones a que estén sometidas, pueden ofrecer un

comportamiento distinto del propio de su carácter explosivo. Los procesos de descomposición de

una sustancia explosiva son& la combustión propiamente dic"a, la deflagración y, por ltimo, la

detonación. 'anto la naturaleza de la propia sustancia como la forma de iniciación y condiciones

externas gobiernan el desarrollo de la descomposición&

#.( )ombustión

*uede definirse como toda reacción química capaz de desprender calor, pudiendo ser percibido por

nuestros sentidos.

+.( eflagración

Es un proceso exotérmico en que la trasmisión de la reacción de descomposición se basa

principalmente en la conductividad térmica. Es un fenómeno superficial en el que el frente de

deflagración se propaga por el explosivo en capas paralelas a una velocidad ba%a que, generalmente,no supera los #.$$$ m-s.

.( etonación

Es un proceso físico(químico caracterizado por su gran velocidad de reacción y formación de gran

cantidad de productos gaseosos a elevada temperatura, que adquieren una gran fuerza expansiva. En

los explosivos detonantes la velocidad de las primeras moléculas gasificadas es tan grande que no

ceden su calor por conductividad a la zona inalterada de la carga, sino que lo transmiten por c"oquedeformándola y produciendo su calentamiento y explosión adiabática con generación de nuevos

gases. El proceso se repite con un movimiento ondulatorio que afecta a toda la masa explosiva y se

denomina onda de c"oque.

La energía de iniciación puede ser suministrada de varias formas, segn el explosivo de que

se trate. En los explosivos deflagrantes o pólvoras basta con la energía de una llama, mientras que

en los explosivos detonantes se necesita generalmente en forma de ondas de c"oque.

/0-

#




1na vez iniciado el explosivo, el primer efecto que se produce es la generación de una onda

de c"oque o presión que se propaga a través de su propia masa. Esta onda es portadora de la energía

necesaria para activar las moléculas de la masa del explosivo alrededor del foco inicial energizado,

provocando así una reacción en cadena.

2 la vez que se produce esta onda, la masa de explosivo que "a reaccionado produce una grancantidad de gases a una elevada temperatura. 3i esta presión secundaria acta sobre el resto de la

masa sin detonar, su efecto se suma al de la onda de presión primaria, pasando de un proceso de

deflagración a otro de detonación.

En el caso que la onda de presión de los gases acte en sentido contrario a la masa de

explosivo sin detonar, se produce un régimen de deflagración lenta, ralentizándose la reacción

explosiva de forma de ir perdiendo energía, la onda de detonación primaria llega incluso a ser

incapaz de energizar el resto de la masa de explosivo, produciéndose la detención de la detonación.

3.- PROCESO DE DETONACIÓN DE UN EXPLOSIVO

)omo se "a indicado anteriormente la detonación consiste en la propagación de una reacción

química que se mueve a una velocidad superior a la del sonido en dic"o material, transformando a

éste en nuevas especies químicas. La característica básica de estas reacciones es que es iniciada y

soportada por una onda de c"oque supersónica.

/0-

+




)omo se describe en la 0igura + , en cabeza via%a un c"oque puro que inicia la transformación

química del explosivo, que tiene lugar a través de la zona de reacción, para terminar en el plano

llamado de )"apmant( 4ouguet 5 )(4 6 donde se admite el equilibrio químico, por lo menos en las

detonaciones ideales.

En los explosivos comerciales se producen reacciones químicas importantes por detrás del

plano )(.4 , particularmente reacciones de los ingredientes en forma de partículas de gran tama!o yde los combustibles metálicos. Estas reacciones secundarias pueden afectar al rendimiento del

explosivo, pero no influyen en la estabilidad de la detonación.

En un explosivo potente la zona de reacción primaria es normalmente muy estrec"a, del orden

de milímetros, mientras que en los explosivos de ba%a densidad y potencia esa zona de reacción es

muc"o más anc"a, llegando a tener en el caso del 2nfo una dimensión de varios centímetros.

*or detrás del plano )(4 se encuentran los productos de reacción, y en algunos casos las

partículas inertes. La mayoría de los productos son gases que alcanzan temperaturas del orden de#.7$$ a 8.$$$ 9) y presiones que oscilan entre + y #$ :*a. Los gases en estas condiciones de

presión y temperatura se expanden rápidamente y producen un c"oque u onda de tensión alrededor

del medio que les rodea.

En la figura se representa un perfil simplificado de una columna de explosivo. La onda de

detonación, que se caracteriza por una elevación muy brusca de la presión, se desplaza "acia la

derec"a a una velocidad supersónica. *or detrás del nivel máximo de presión se produce una

contracción como consecuencia de la conservación del momento, esto es que para compensar elimpulso impartido "acia delante se genera una onda de retrodetonación que se transmite en

dirección opuesta.

El plano )(4 se mueve a muy alta velocidad ;<=, mientras que la velocidad de movimiento de

los productos de explosión, determinada por )oo> con fotografías de rayos ?, alcanza un valor de

$.+7 la velocidad de detonación. *or esto, si la presión máxima de la onda explosiva es&

/0-




pc U VD PD @@ ρ =

donde &

* A *resión de detonación 5 >*a 6

c ρ A ensidad del explosivo 5 g-cc 6

< A <elocidad de detonación 5m-s 6

1 p A <elocidad de partícula

B teniendo en cuenta que& 1p A $.+7@ <, se obtiene&

8

@ +

VD PD

c ρ

=

La presión termoquímica o presión máxima disponible para efectuar el traba%o ;*E ; se considera

que vale generalmente la mitad de la presión de detonación. 3i la carga explosiva está en contacto

íntimo con la pared rocosa del barreno, la presión e%ercida sobre la misma por los gases de

explosión es igual a la presión termoquímica.En lo referente a la iniciación de los explosivos, es preciso suministrar en un punto de estos

un determinado nivel de energía por unidad de volumen. 1na de las teorías para explicar el

mecanismo de iniciación es la denominada de los ;puntos calientes o "ot spots ;, que son peque!os

elementos de materia en los cuales se encuentra la energía aportada globalmente al explosivo. Los puntos calientes se pueden formar por compresión adiabática de peque!as burbu%as de aire, gas o

vapor retenidas dentro del explosivo, por fricción entre los cristales constituyentes de la sustancia

explosiva y por el calentamiento producido en el movimiento viscoso de la masa explosiva en

condiciones extremas.)uando los puntos calientes reciben una determinada cantidad de energía, la masa explosiva

que les rodea se descompone, produciéndose un desprendimiento de energía que a su vez puede

crear más puntos calientes, iniciándose así un proceso en cadena. Esta es la base de la

sensibilización de algunos agentes explosivos mediante la adición de microesferas de vidrio, partículas sólidas, etc.

TEMPERATURA DE EXPLOSIÓN

La temperatura teórica puede ser calculada asumiendo que la reacción de detonación toma

lugar ba%o una condición adiabática, y que la reacción toma lugar en un proceso de presión

constante con una temperatura ambiente '#. En este caso, la temperatura de explosión ' +, es

calculada expresando la entalpía de los productos como una función de sus temperaturas. Laentalpía C es expresada en términos de '# y '+ para n moles de producto como&

( )∫ =+

#

T

T

p dT C nQ 5#6

Expresando pC , capacidad molal, como una función cuadrática de la temperatura,

/0-

8




+cT bT aC p ++= , donde a, b, c son constantes experimentales derivadas y disponibles en los

textos de química. Dntegrando la ecuación 5#6, el calor de formación es&

( ) ( ) ( )

−+−+−=

#

+

+

#

+

+#+

+T T

cT T

bT T anQ 5+6

*ara reacciones que envuelvan más de un producto, la entalpía de cada producto es obtenida en la

forma de la ecuación 5+6. La suma de todos los productos es igualada al calor de formación de la

reacción 5basada sobre un mol del explosivo6, y la temperatura de explosión es determinada.

El e%emplo siguiente involucra al 20F para ilustrar el cálculo de la temperatura de explosión. Las

constantes para la capacidad calórica de los productos son mostrados a continuación&

/0-

7




CONSTANTES CAPACIDAD CALÓRICA Cal/ml.!"

Ga#$# F%&m'la a (1)-3

C 1)-*

E+,ala0al/ml

D%4 4$ C )F+ G.H7 H.7 (+.8H (I8.$7

A5'a 67a& 8 J+F G.HI .+H ($.8 (7K.H$N,&%5$+ + G.$ #.H+ ($.7 $

O5$+ F+ G.# +.II (I.H# $

E%emplo& encontrar la temperatura de detonación del 20F

3olución&

P$#Cm+$+,$ P&$+,a9$ Ma#a a,%ma Ma#a a,%ma

G/ml 5/ml

NA I8.7 H$ K7.G$

FO 7.7 #8 $.KK

'otal & KG.K

mol->g A 5#$$$g->g6 - 5 KG.K 6 A #,$I mol->g

)alor de formación basado en cal-mol&

Entalpía&

A 5 ( H$.G8 cal->g 6 - 5 #.$I mol->g 6

A (G#.I cal - mol

*ara #.$I moles de 20F, # mol de 20F produce&

$.#7K moles de )F+ M +.#$8 moles de J+F M $.I moles de + M $.#88 moles de F+ A .# moles

de gas productos.

3ubstituyendo '# A +IHN O en la ecuación 5+6 para cada gas producido, resulta lo siguiente&

( ) ( )( ) ( )( )[ ]

+

G++

+

++ +IH#$-8H.++IH#$+-7.H+IHH7.G#7K.$ −−−+−=

−−

T T T CO

( ) ( )( ) ( )( )[ ]

+

G++

+

++ +IH#$-8.$+IH#$+-+H.+IHHI.G#$8.+ −−−+−=

−−

T T T O H

( ) ( )( ) ( )( )

+

G++

+

++ +IH#$-7.+IH#$+-H+.#+IH$.GI$.$ −−−+−=

−−

T T T N

( ) ( )( ) ( )( )[ ]

+G++

+

++ +IH#$-H#.$+IH#$+-II,++IH#.G#88.$ −−−+−=

−−

T T T O

La suma es igual a PG#,I cal-mol, y la ecuación cbica es&

( ) GHG7#$#.7$$7#G.$#K.++$

+

K+

++ −−+= −

T T T

/0-

G




La solución de la ecuación cbica tiene tres raíces 5determinadas gráficamente o resuelta

numéricamente6, una de las cuales se coloca entre los valores de +$$$ a 7$$$N O. La solución

gráfica da la temperatura de explosión para el 20F de ++$8N O.

PRESIÓN DE DETONACIÓN

La ecuación de estado para los gases explosivos producidos por las detonacionesdebe definir las relaciones temperatura(presión(volumen a altas temperaturas y presión.

/uc"as ecuaciones de estado "an sido propuestas para calcular la presión de los gases

ideales, 5)oo>, #I7HQ 0ic>ett y anis, #IKIQ /ader, #IKI6.

Estas soluciones requieren de una gran cantidad de códigos computacionales y elconocimiento de constantes empíricas derivadas de experimentos a alta presión.

1na expresión simple usada para estimar la presión es la ecuación de covolumen de

estado&

( ) nRT V P e =−α

donde eV es el volumen específico del explosivo 5inverso de la densidad del explosivo, ρ

6, ' es la temperatura de explosión en grados Oelvin 5N O6, n es el nmero de moles de gas,

y R es la constante del gas, H+.$G cm(atm - mol(N O.El covolumen α es una medida del volumen actual de las moléculas de gas. La

presión está relacionada al inverso de α − P , o volumen libre. <alores experimentales son

dados por )oo> 5#I7H6 como una función de ρ y aproximado por&

( )8.$#$

ρ α

−

= e cm->g

E%emplo& )alcular la presión de detonación para el 20F.

3olución&

ado # >g de mezcla de 20F,

n A 8.+H7 moles ' A ++$8 N O

ρ A $.H7α A K##.H cm->g

eV A 5#$$$ g->g6-5 ρ 6 A ##KG cm->g

( )

−

−−

=

kg

cm

kg

cm

K atm

psi

K mol

atmcm

kg

moles

P

H.K##7.##KG

N++$8K.#8N

$G.H++H7.8

* A $,+8K 5#$G6 psi 5 #,K :pa 6

/0-

K




*ara explosivos que no son balanceados en oxígeno tales como el '', datosexperimentales para n son requeridos y varían ampliamente entre los experimentalistas.

)oo> 5#I7H6 entre otros dan datos experimentales para el ''.

/0-

H

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