爆炸的概念
【大綱考試內(nèi)容要求】：
1.了解爆炸的機理及其分類；
2.熟悉各種爆炸的反應(yīng)歷程；
3.了解爆炸極限的影響因素。
【教材內(nèi)容】：
第二節(jié)爆炸基本概念
一、爆炸的概念
(一)爆炸的機理及其分類
在自然界中存在各種爆炸現(xiàn)象。廣義地講，爆炸是物質(zhì)系統(tǒng)的一種極為迅速的物理的或化學的能量釋放或轉(zhuǎn)化過程，是系統(tǒng)蘊藏的或瞬間形成的大量能量在有限的體積和極短的時間內(nèi)，驟然釋放或轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。在這種釋放和轉(zhuǎn)化的過程中，系統(tǒng)的能量將轉(zhuǎn)化為機械功以及光和熱的輻射等。
爆炸可以由不同的原因引起，但不管是何種原因引起的爆炸，歸根結(jié)底必須有一定的能源。按照能量的來源，爆炸可以分為三類，即物理爆炸、化學爆炸和核爆炸。
(1)物理爆炸。
物理爆炸是由系統(tǒng)釋放物理能引起的爆炸。例如：
高壓蒸汽鍋爐當過熱蒸汽壓力超過鍋爐能承受的程度時，鍋爐破裂，高壓蒸汽驟然釋放出來，形成爆炸；
隕石落地、高速彈丸對目標的撞擊等物體高速碰撞時，物體高速運動產(chǎn)生的功能，在碰撞點的局部區(qū)域內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為熱能，使受碰撞部位的壓力和溫度急劇升高，并在碰撞部位材料發(fā)生急劇變形，伴隨巨大響聲，形成爆炸現(xiàn)象；
自然界中的雷電也屬于物理爆炸，它是由帶有不同電荷的云塊間發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，使能量在10-6～10-7s內(nèi)釋放出來，放電區(qū)達到極大的能量密度和高溫，導(dǎo)致放電區(qū)空氣壓力急劇升高并迅速膨脹，對周圍空氣產(chǎn)生強烈擾動，從而形成閃電雷鳴般的爆炸現(xiàn)象；
高壓電流通過細金屬絲時，溫度可達到2×104℃，使金屬絲瞬間化為氣態(tài)而引起爆炸現(xiàn)象；
此外，地震和火山爆發(fā)等現(xiàn)象也能屬于物理爆炸。
總之，物理爆炸是機械能或電能的釋放和轉(zhuǎn)化過程，參與爆炸的物質(zhì)只是發(fā)生物理狀態(tài)或壓力的變化，其性質(zhì)和化學成分不發(fā)生改變。
(2)化學爆炸
化學爆炸是由于物質(zhì)的化學變化引起的爆炸，如炸藥爆炸，可燃氣體(甲烷、乙炔等)爆炸。
懸浮于空氣中的粉塵(煤粉、面粉等)以一定的比例與空氣混合時，在一定的條件下所產(chǎn)生的爆炸也屬于化學爆炸。
化學爆炸是通過化學反應(yīng)，將物質(zhì)內(nèi)潛在的化學能，在極短的時間內(nèi)釋放出來，使其化學反應(yīng)產(chǎn)物處于高溫、高壓狀態(tài)的結(jié)果。
一般氣體爆炸和粉塵爆炸的壓力可以達到2×106Pa，高能炸藥爆炸時的爆轟壓可達2×1010Pa以上，二者爆炸時產(chǎn)物的溫度均可達到3×103~5×103K，因而使爆炸產(chǎn)物急劇向周圍膨脹，產(chǎn)生強沖擊波，造成對周圍介質(zhì)的破壞。化學爆炸時，參與爆炸的物質(zhì)在瞬間發(fā)生分解或化合，變成新的爆炸產(chǎn)物。
(3)核爆炸
核爆炸是核裂變(如原子彈是用鈾235、钚239裂變)、核聚變(如氫彈是用氘、氚或鋰核的聚變)反應(yīng)所釋放出的巨大核能引起的。核爆炸反應(yīng)釋放的能量比炸藥爆炸時放出的化學能大的多，核爆炸中心溫度可達數(shù)107K，壓力可達1015Pa以上，同時產(chǎn)生極強的沖擊波、光輻射和粒子的貫穿輻射等，比炸藥爆炸具有更大的破壞力。化學爆炸和核爆炸反應(yīng)都是在微秒量級的時間內(nèi)完成的。
爆炸過程表現(xiàn)為兩個階段，在第一階段中，物質(zhì)的(或系統(tǒng)的)潛在能以一定的方式轉(zhuǎn)化為強烈的壓縮能；第二階段，壓縮急劇膨脹，對外做功，從而引起周圍介質(zhì)的變形、移動和破壞。不管由何種能源引起的爆炸，它們都同時具備兩個特征，即能源具有極大的能量密度和極大的能量釋放速度。
(二)化學爆炸反應(yīng)歷程
化學爆炸性物質(zhì)或混合物發(fā)生爆炸，有熱反應(yīng)和鏈式反應(yīng)兩種不同的歷程。按照鏈式反應(yīng)理論，爆炸性混合物(如可燃性氣體和氧氣)與火源接觸后，活化分子就會吸收能量而離解為游離基，并與其他分子相互作用形成一系列的鏈式反應(yīng)，釋放燃燒熱。鏈式反應(yīng)有直鏈式反應(yīng)和支鏈式反應(yīng)兩種。直鏈反應(yīng)是指每一個游離基都進行自己的連鎖反應(yīng)，如氯和氫屬于這一類反應(yīng)。即氯分子在光的作用下被活化成兩個氯的游離基，每一個氯的游離基都進行自己的連鎖反應(yīng)，而且每次反應(yīng)只引出一個新的游離基，即：
Cl2+hv(光量子) = Cl•+ Cl•
Cl•+H2 = HCl + H•
H•+ Cl2 = HCl + Cl•
Cl•+ H2 = HCl + H•
H+ Cl2 = HCl + Cl•
依此類推
Cl•+C•= Cl2
H•+H•= H2
支鏈反應(yīng)是指在反應(yīng)中一個游離基能生成一個以上的新的游離基，如氫和氧的連鎖反應(yīng)屬于此類反應(yīng)，其反應(yīng)歷程為：
I H2+ O2 = 2 OH•
ⅡOH•+H2 = H2O +H•
ⅢH•+ O2 = OH+O•
ⅣO•+H2= OH•+H•
鏈式反應(yīng)歷程大致分為3個階段：
(1)鏈引發(fā)，游離基生成。
(2)鏈傳遞，游離基作用于其他參與反應(yīng)的化合物，產(chǎn)生新的游離基。
(3)鏈終止，即游離基的消耗，使連鎖反應(yīng)終止。
鏈式反應(yīng)速度可用下式表示：
式中F(c)——反應(yīng)物濃度函數(shù)；
f s——鏈在器壁上銷毀因數(shù)；
f c——鏈在氣相上銷毀因數(shù)；
A——與反應(yīng)物濃度有關(guān)的函數(shù)；
a ——鏈的分支數(shù)，在直鏈反應(yīng)中a =l，支鏈反應(yīng)中a >1。
熱反應(yīng)歷程是指危險物受熱發(fā)生化學反應(yīng)，反應(yīng)在某一定空間內(nèi)進行時，如果散熱不良會使反應(yīng)溫度不斷提高，溫度的提高又會使反應(yīng)速度加快，使得熱大于失熱，導(dǎo)致爆炸發(fā)生。
至于什么情況下發(fā)生熱反應(yīng)，什么情況下發(fā)生鏈式反應(yīng)，需根據(jù)具體情況而定，甚至同一爆炸性混合物在不同條件下有時也會有所不同。圖2 3所示為氫和氧按完全反應(yīng)的濃度(2H2+O2)組成的混合氣發(fā)生爆炸的溫度和壓力區(qū)間。從圖中可以看出，當壓力很低且溫度不高時(如在溫度500℃和壓力不超過200 Pa時)，由于游離基很容易擴散到器壁上銷毀，此時連鎖中斷速度超過支鏈產(chǎn)生速度，因而反應(yīng)進行較慢，混合物不會發(fā)生爆炸；當溫度為500℃，壓力升高到200Pa和6666 Pa之間時(如圖中的a和b點之間)，由于產(chǎn)生支鏈速度大于銷毀速度，鏈反應(yīng)很猛烈，就會發(fā)生爆炸；當壓力繼續(xù)提高，超過b點(大于6666 Pa)以后，由于混合物內(nèi)分子的濃度增高，容易發(fā)生鏈中斷反應(yīng)，致使游離基銷毀速度又超過鏈產(chǎn)生速度，鏈反應(yīng)速度趨于緩和，混合物又不會發(fā)生爆炸了。
圖2—3中a和b點時的壓力，即200Pa和6666 Pa，分別是混合物在低限和爆炸高限。隨著溫度增加，爆炸極限會變寬。這是由于鏈反應(yīng)需要有鏈分支反應(yīng)速度隨溫度升高而增加，而鏈終止的反應(yīng)卻隨溫度的升高而降低，故升高溫度對產(chǎn)生鏈反應(yīng)有利，結(jié)果使爆炸極限變寬，在圖上呈現(xiàn)半島形，當壓力再升高超過c點(大于666610 Pa)時，開始出現(xiàn)下列反應(yīng)：
H•+ O2——HO2•
HO2•+ H2——H•+ H2O2
HO2•+ H2O——OH•+ H2O2
產(chǎn)生游離基H•和OH•這兩個反應(yīng)是放熱的，結(jié)果使反應(yīng)釋放出的熱量超過從器壁散失的熱量，從而使混合物的溫度升高，進一步加快反應(yīng)，促使釋放出更多的熱量，導(dǎo)致熱爆炸的發(fā)生。
【例題】：懸浮于空氣中的粉塵(煤粉、面粉等)以一定的比例與空氣混合時，在一定的條件下所產(chǎn)生的爆炸，屬于（）。
A.物理爆炸
B.化學爆炸
C. 碰撞爆炸
D. 機械爆炸
【答案】：B
【大綱考試內(nèi)容要求】：
1.了解爆炸的機理及其分類；
2.熟悉各種爆炸的反應(yīng)歷程；
3.了解爆炸極限的影響因素。
【教材內(nèi)容】：
第二節(jié)爆炸基本概念
一、爆炸的概念
(一)爆炸的機理及其分類
在自然界中存在各種爆炸現(xiàn)象。廣義地講，爆炸是物質(zhì)系統(tǒng)的一種極為迅速的物理的或化學的能量釋放或轉(zhuǎn)化過程，是系統(tǒng)蘊藏的或瞬間形成的大量能量在有限的體積和極短的時間內(nèi)，驟然釋放或轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。在這種釋放和轉(zhuǎn)化的過程中，系統(tǒng)的能量將轉(zhuǎn)化為機械功以及光和熱的輻射等。
爆炸可以由不同的原因引起，但不管是何種原因引起的爆炸，歸根結(jié)底必須有一定的能源。按照能量的來源，爆炸可以分為三類，即物理爆炸、化學爆炸和核爆炸。
(1)物理爆炸。
物理爆炸是由系統(tǒng)釋放物理能引起的爆炸。例如：
高壓蒸汽鍋爐當過熱蒸汽壓力超過鍋爐能承受的程度時，鍋爐破裂，高壓蒸汽驟然釋放出來，形成爆炸；
隕石落地、高速彈丸對目標的撞擊等物體高速碰撞時，物體高速運動產(chǎn)生的功能，在碰撞點的局部區(qū)域內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為熱能，使受碰撞部位的壓力和溫度急劇升高，并在碰撞部位材料發(fā)生急劇變形，伴隨巨大響聲，形成爆炸現(xiàn)象；
自然界中的雷電也屬于物理爆炸，它是由帶有不同電荷的云塊間發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，使能量在10-6～10-7s內(nèi)釋放出來，放電區(qū)達到極大的能量密度和高溫，導(dǎo)致放電區(qū)空氣壓力急劇升高并迅速膨脹，對周圍空氣產(chǎn)生強烈擾動，從而形成閃電雷鳴般的爆炸現(xiàn)象；
高壓電流通過細金屬絲時，溫度可達到2×104℃，使金屬絲瞬間化為氣態(tài)而引起爆炸現(xiàn)象；
此外，地震和火山爆發(fā)等現(xiàn)象也能屬于物理爆炸。
總之，物理爆炸是機械能或電能的釋放和轉(zhuǎn)化過程，參與爆炸的物質(zhì)只是發(fā)生物理狀態(tài)或壓力的變化，其性質(zhì)和化學成分不發(fā)生改變。
(2)化學爆炸
化學爆炸是由于物質(zhì)的化學變化引起的爆炸，如炸藥爆炸，可燃氣體(甲烷、乙炔等)爆炸。
懸浮于空氣中的粉塵(煤粉、面粉等)以一定的比例與空氣混合時，在一定的條件下所產(chǎn)生的爆炸也屬于化學爆炸。
化學爆炸是通過化學反應(yīng)，將物質(zhì)內(nèi)潛在的化學能，在極短的時間內(nèi)釋放出來，使其化學反應(yīng)產(chǎn)物處于高溫、高壓狀態(tài)的結(jié)果。
一般氣體爆炸和粉塵爆炸的壓力可以達到2×106Pa，高能炸藥爆炸時的爆轟壓可達2×1010Pa以上，二者爆炸時產(chǎn)物的溫度均可達到3×103~5×103K，因而使爆炸產(chǎn)物急劇向周圍膨脹，產(chǎn)生強沖擊波，造成對周圍介質(zhì)的破壞。化學爆炸時，參與爆炸的物質(zhì)在瞬間發(fā)生分解或化合，變成新的爆炸產(chǎn)物。
(3)核爆炸
核爆炸是核裂變(如原子彈是用鈾235、钚239裂變)、核聚變(如氫彈是用氘、氚或鋰核的聚變)反應(yīng)所釋放出的巨大核能引起的。核爆炸反應(yīng)釋放的能量比炸藥爆炸時放出的化學能大的多，核爆炸中心溫度可達數(shù)107K，壓力可達1015Pa以上，同時產(chǎn)生極強的沖擊波、光輻射和粒子的貫穿輻射等，比炸藥爆炸具有更大的破壞力。化學爆炸和核爆炸反應(yīng)都是在微秒量級的時間內(nèi)完成的。
爆炸過程表現(xiàn)為兩個階段，在第一階段中，物質(zhì)的(或系統(tǒng)的)潛在能以一定的方式轉(zhuǎn)化為強烈的壓縮能；第二階段，壓縮急劇膨脹，對外做功，從而引起周圍介質(zhì)的變形、移動和破壞。不管由何種能源引起的爆炸，它們都同時具備兩個特征，即能源具有極大的能量密度和極大的能量釋放速度。
(二)化學爆炸反應(yīng)歷程
化學爆炸性物質(zhì)或混合物發(fā)生爆炸，有熱反應(yīng)和鏈式反應(yīng)兩種不同的歷程。按照鏈式反應(yīng)理論，爆炸性混合物(如可燃性氣體和氧氣)與火源接觸后，活化分子就會吸收能量而離解為游離基，并與其他分子相互作用形成一系列的鏈式反應(yīng)，釋放燃燒熱。鏈式反應(yīng)有直鏈式反應(yīng)和支鏈式反應(yīng)兩種。直鏈反應(yīng)是指每一個游離基都進行自己的連鎖反應(yīng)，如氯和氫屬于這一類反應(yīng)。即氯分子在光的作用下被活化成兩個氯的游離基，每一個氯的游離基都進行自己的連鎖反應(yīng)，而且每次反應(yīng)只引出一個新的游離基，即：
Cl2+hv(光量子) = Cl•+ Cl•
Cl•+H2 = HCl + H•
H•+ Cl2 = HCl + Cl•
Cl•+ H2 = HCl + H•
H+ Cl2 = HCl + Cl•
依此類推
Cl•+C•= Cl2
H•+H•= H2
支鏈反應(yīng)是指在反應(yīng)中一個游離基能生成一個以上的新的游離基，如氫和氧的連鎖反應(yīng)屬于此類反應(yīng)，其反應(yīng)歷程為：
I H2+ O2 = 2 OH•
ⅡOH•+H2 = H2O +H•
ⅢH•+ O2 = OH+O•
ⅣO•+H2= OH•+H•
鏈式反應(yīng)歷程大致分為3個階段：
(1)鏈引發(fā)，游離基生成。
(2)鏈傳遞，游離基作用于其他參與反應(yīng)的化合物，產(chǎn)生新的游離基。
(3)鏈終止，即游離基的消耗，使連鎖反應(yīng)終止。
鏈式反應(yīng)速度可用下式表示：
式中F(c)——反應(yīng)物濃度函數(shù)；
f s——鏈在器壁上銷毀因數(shù)；
f c——鏈在氣相上銷毀因數(shù)；
A——與反應(yīng)物濃度有關(guān)的函數(shù)；
a ——鏈的分支數(shù)，在直鏈反應(yīng)中a =l，支鏈反應(yīng)中a >1。
熱反應(yīng)歷程是指危險物受熱發(fā)生化學反應(yīng)，反應(yīng)在某一定空間內(nèi)進行時，如果散熱不良會使反應(yīng)溫度不斷提高，溫度的提高又會使反應(yīng)速度加快，使得熱大于失熱，導(dǎo)致爆炸發(fā)生。
至于什么情況下發(fā)生熱反應(yīng)，什么情況下發(fā)生鏈式反應(yīng)，需根據(jù)具體情況而定，甚至同一爆炸性混合物在不同條件下有時也會有所不同。圖2 3所示為氫和氧按完全反應(yīng)的濃度(2H2+O2)組成的混合氣發(fā)生爆炸的溫度和壓力區(qū)間。從圖中可以看出，當壓力很低且溫度不高時(如在溫度500℃和壓力不超過200 Pa時)，由于游離基很容易擴散到器壁上銷毀，此時連鎖中斷速度超過支鏈產(chǎn)生速度，因而反應(yīng)進行較慢，混合物不會發(fā)生爆炸；當溫度為500℃，壓力升高到200Pa和6666 Pa之間時(如圖中的a和b點之間)，由于產(chǎn)生支鏈速度大于銷毀速度，鏈反應(yīng)很猛烈，就會發(fā)生爆炸；當壓力繼續(xù)提高，超過b點(大于6666 Pa)以后，由于混合物內(nèi)分子的濃度增高，容易發(fā)生鏈中斷反應(yīng)，致使游離基銷毀速度又超過鏈產(chǎn)生速度，鏈反應(yīng)速度趨于緩和，混合物又不會發(fā)生爆炸了。
圖2—3中a和b點時的壓力，即200Pa和6666 Pa，分別是混合物在低限和爆炸高限。隨著溫度增加，爆炸極限會變寬。這是由于鏈反應(yīng)需要有鏈分支反應(yīng)速度隨溫度升高而增加，而鏈終止的反應(yīng)卻隨溫度的升高而降低，故升高溫度對產(chǎn)生鏈反應(yīng)有利，結(jié)果使爆炸極限變寬，在圖上呈現(xiàn)半島形，當壓力再升高超過c點(大于666610 Pa)時，開始出現(xiàn)下列反應(yīng)：
H•+ O2——HO2•
HO2•+ H2——H•+ H2O2
HO2•+ H2O——OH•+ H2O2
產(chǎn)生游離基H•和OH•這兩個反應(yīng)是放熱的，結(jié)果使反應(yīng)釋放出的熱量超過從器壁散失的熱量，從而使混合物的溫度升高，進一步加快反應(yīng)，促使釋放出更多的熱量，導(dǎo)致熱爆炸的發(fā)生。
【例題】：懸浮于空氣中的粉塵(煤粉、面粉等)以一定的比例與空氣混合時，在一定的條件下所產(chǎn)生的爆炸，屬于（）。
A.物理爆炸
B.化學爆炸
C. 碰撞爆炸
D. 機械爆炸
【答案】：B