Inhoud

Inleiding 2 1 Geschiedenis 3 1.1 Buskruit 3 1.2 Dynamiet 3 1.3 TNT 4 2 Hedendaags gebruik en soorten springstoffen 5 2.1 Hedendaags gebruik van explosieven 5 2.2 Soorten springstoffen 8 3 Chemische reacties, verklaring en risico’s 12 3.1 Verklaring explosieve werking 12 3.2 Enkele begrippen 12 3.3 Chemische reacties 12 3.4 Risico’s 13 4 Fysische gevolgen 16 4.1 Gevolgen van een explosie 16 4.2 Begrippen 16 4.3 Snelheden van schokgolven 17 5 Structuur casus 19 Bronnen 20

1

InleidingExplosieven of springstoffen zijn ontplofbare stoffen. Deze stoffen kunnen in zeer korte tijd een ontledings- of verbrandingsreactie ondergaan waarbij veel energie wordt vrijgemaakt. Door de hoge temperatuur zijn de reactieproducten al gauw gasvormig en is er enorme volumetoename (de feitelijke ‘ontploffing’). Als dit gebeurt, is er een steekvlam en (meestal) een harde knal waarneembaar.

Explosieven zijn er in verschillende graderingen en worden gekenmerkt door: de hoeveelheid energie die vrijkomt per kilo materiaal; de snelheid van de voortplanting van het vlamfront of reactiefront. Hoe

sneller het vlamfront zich voortplant, hoe groter de brisantie (verbrijzelende effect) van de springstof. Bij zeer brisante springstoffen is de snelheid van het reactiefront 5-7 km per seconde;

de gevoeligheid, of de hoeveelheid energie die moet worden toegevoerd om de explosie te laten beginnen. Voor sommige explosieven (bijvoorbeeld joodstikstof) is de kleinste aanraking genoeg, voor andere zoals nitroglycerine volstaat een kleine stoot of wrijving, voor andere explosieven is een flinke mechanische schok, een elektrische vonk, of zelfs een kleine explosie van een ander materiaal nodig.

2

1 Geschiedenis

1.1 Buskruit

Wanneer en waar buskruit is uitgevonden weet men niet precies. Wetenschappers twijfelen tussen Chinezen, Arabieren en Bengalen als uitvinder van het buskruit. Maar algemeen wordt aangenomen dat de Chinezen het hebben uitgevonden.Ze hebben buskruit echter niet doelbewust uitgevonden maar zeer toevallig toen een wetenschapper een levenselixir probeerde te produceren. Maar wat hij uitvond was alles behalve een elixir dat je onsterfelijk maakte.Men weet wel dat de Chinezen al rond het begin van onze jaartelling wisten hoe ze buskruit moesten maken.In China had men al de nodige materialen. Zo werd er in het noorden van China salpeter gevonden, de staat had het alleenrecht op de winning en de verkoop hiervan. Ook zwavel komt er in de natuur voor en de productie van houtskool was natuurlijk al lang bekend.Oorspronkelijk gebruikten de Chinezen buskruit alleen voor vreedzame doeleinden, het werd dan bijvoorbeeld in allerhande vuurwerk gebruikt. Dit werd afgeschoten op feesten maar ook op begrafenissen.In Europa werd er pas omstreeks de 13e eeuw iets over de samenstelling van buskruit geschreven. Na 1300 werden er nog maar weinig oorlogen gevoerd waar buskruit geen grote rol speelde.Het zoeken van de grondstoffen was in Europa aanvankelijk niet zo gemakkelijk. Je kon hier relatief gemakkelijk zwavel en houtskool vinden maar salpeter(kaliumnitraat) moest oorspronkelijk worden ingevoerd vanuit India. De ontdekking dat met de as van berkenhout(potas) kaliumnitraat uit urine kon gehaald worden was dus een hele ‘vooruitgang’.

1.2 Dynamiet

In 1847 vond Ascanio Sobrero, een Italiaanse wetenschapper, nitroglycerine uit. Nitroglycerine (C3H5N3O9) is een stof die heel gemakkelijk explodeert, het is zo onstabiel dat het kan exploderen als het teveel beweegt. Daarom was het niet zo geschikt omwille van de veiligheid. Maar toen Alfred Nobel in 1867 er kiezelaarde (of kattengrind) aan toevoegde was de stof gestabiliseerd en het dynamiet was geboren.Nobel zag later dat zijn uitvinding ook voor slechte doeleinden gebruikt werd, dus zette hij in zijn testament dat mensen met een goede uitvinding of een vredelievend idee een prijs zouden winnen van het geld dat hij had verdiend met dynamiet.

1.3 TNT

3

In 1891 werd TNT ontdekt, ook bekend onder de naam Trotyl. Trinitrotolueen - de feitelijke chemische benaming voor dit zeer brisante goedje - werd ontdekt door de Duitser Haussermann en is de bekendste springstof geworden. Sterker nog, de kracht van bommen wordt nog altijd uitgedrukt in TNT-equivalenten, zelfs voor kernwapens waarbij een dergelijke vergelijking in feite mank gaat (door de enorme verbrandingssnelheid - een fractie van een nanoseconde - ten gevolge van een kernfusie of kernsplitsing ontstaat er een zodanig grote schokgolf dat vergelijking met brisante kracht onjuist en onwerkelijk is). Tijdens WO I was trotyl samen met picrinezuur de voornaamste springstof. Trotyl heeft als heel voornaam voordeel boven picrinezuur dat het een betere werking heeft in brisantgranaten. Dit ontstaat omdat de detonatie snelheid van trotyl in vergelijking met picrinezuur 25% lager is. De scherfwerking van de granaat verbetert daardoor.

4

2 Hedendaags gebruik en soorten springstoffen

2.1 Hedendaags gebruik van explosieven

2.1.1 Bouw:

Afbraak van gebouwen e.d.

2.1.2 Mijnbouw:

Explosieven (dynamiet en TNT) om de tunnels verder uit te breiden.

2.1.3 Militair gebruik:

Mortieren, raketten, granaten,…Hieronder bevindt zich een lijst van explosieven met hun samenstelling gebruikt tijdens WOII. Vrijwel alle explosieven waren mengsels van TNT, RDX of het minder bekende PETN.

Baronal Bariumnitraat, TNT en aluminiumComposition A 88.3% RDX en 11.7% plasticComposition B RDX, TNT en waxH-6 45% RDX, 30% TNT, 20% aluminium en 5%

waxMinol-2 40% TNT, 40% ammoniumnitraat en 20%

aluminiumOctol 75% HMX en 25% TNTPentolites 50% PETN en 50% TNTPicratol 52% Picric acid (zuur) en 48% TNTPIPE 81% PETN en 19% OilPTX-1 30% RDX, 50% tetryl en 20% TNTPTX-2 41-44% RDX, 26-28% PETN en 28-33% TNTPVA-4 90% RDX, 8% PVA en 2% dibutyl phthalateRIPE 85% RDX en 15% OilTetrytols 70% Tetryl en 30% TNTTorpex 42% RDX, 40% TNT en 18% aluminium

2.1.4 Entertainment: vuurwerk, stunts in films,…Vuurwerk maakt ook gebruik van explosieven, maar wegens het grote aantal soorten gaan we er hier niet verder op in.

2.1.5 Opsporen van explosieven:

5

Honden, dovo(Dienst voor Opruiming en Vernietiging van Ontploffingstuigen.), op luchthavens,..

Explosieven OpruimingsdienstDe Explosieven Opruimingsdienst (EOD) is een onderdeel van de Koninklijke Landmacht dat tot taak heeft onontplofte bommen, mijnen en andere explosieven en munitie onschadelijk te maken.

De EOD werd op 6 november 1944, vlak voor het einde van de Tweede Wereldoorlog, opgericht. De onontplofte bommen, mijnen en andere munitie uit de oorlog zorgden toen voor veel gevaar. Hoewel de meeste mijnen na de oorlog snel waren geruimd, worden er (anno 2005) nog steeds onontplofte munitie en vliegtuigbommen aangetroffen.

Ook de Koninklijke Luchtmacht en de Koninklijke Marine hebben een explosievenopruimingsdienst. De EOD van de Landmacht is echter de enige organisatie die in Nederland zogenaamde geïmproviseerde explosieven mag ruimen. Dit zijn zelf in elkaar gezette explosieven door veelal terroristische groeperingen. Nederland kreeg hier in de jaren zeventig voor het eerst mee te maken maar op dit moment (2005) zorgen deze geïmproviseerde explosieven in Nederland vaker voor een dreiging dan oude bommen uit de Tweede Wereldoorlog. Voor de EOD zijn geïmproviseerde explosieven, die ook wel met het Engelse acroniem IED (Improvised Explosive Device) worden aangeduid, het lastigst te ruimen. Het is immers vooraf onbekend hoe deze in elkaar zitten.

De EOD van de Landmacht wordt in Nederland dan ook altijd door de politie ingeschakeld als verdachte pakketjes, die mogelijk een explosief bevatten, zijn aangetroffen.

2.1.6 Terrorisme:

Een explosieve riem (eveneens zelfmoordriem, zelfmoordvest of shaheed-riem genoemd) is een vest volgeladen met explosieven en gewapend met een ontsteker, gedragen door zelfmoordterroristen. Explosieve riemen zijn meestal gevuld met nagels, schroeven, bouten en andere objecten die dienen als granaatscherven om het aantal slachtoffers bij de explosie te verhogen.

Explosieve riemen werden geïntroduceerd door de Tamil Tijger groep in Sri Lanka. Het eerste gebruik ervan was in 1991 toen Thenmuli Rajaratnam, een Tamilterroriste, zichzelf opblies en Rajiv Gandhi doodde.

Op de dag van vandaag worden zulke riemen voornamelijk gebruikt door Palestijnse militante groeperingen, zoals Hamas en de Islamitische Jihad, tegen doelen in Israël. Organisaties in Tsjetjenië en Irak hebben ze ook al in aanvallen gebruikt.

6

Beschrijving: De explosieve riem bestaat meestal uit verschillende cilinders gevuld met explosieven (feitelijk zelfgemaakte bommen, in een ijzeren buis), of in meer gesofistikeerde versies met platen van explosieven. Het explosief wordt omringd door een fragmentatiejas die granaatscherven, verantwoordelijk voor het grootste deel van de dodelijkheid van de bommen, produceert. Hierdoor wordt de jas effectief een ruwe op het lichaam gedragen “claymore-mijn”(een explosieve lading met een speciaal omhulsel, ontworpen om veel granaatscherven te produceren). Eens het vest tot ontploffing wordt gebracht, lijkt de ontploffing op een alzijdig gericht schot/explosie uit een geweer. De meest gevaarlijke en meest gebruikte granaatscherven zijn stalen ballen met 3 tot 7 mm diameter. Ander granaatscherfmateriaal kan alles zijn zolang het maar de juiste grootte en hardheid heeft, meestal nagels, schroeven, moeren en dikke draad. De granaatscherf is verantwoordelijk voor ongeveer 90% van alle slachtoffers veroorzaakt door dit soort instrument.

Een ‘geladen’ vest kan van 5 tot 20 kilogram wegen en kan verborgen zitten onder dikke kledij, meestal jassen of sneeuwmantels.

Er zijn verschillende explosieven die gebruikt worden in het Midden-Oosten. C-4 is het krachtigste, maar eveneens het zeldzaamste. Dit omdat het het moeilijkste is om te verkrijgen. Toenemende acties van de Palestijnse autoriteiten hebben geleid tot de arrestatie van de meest bekwame explosievenontwikkelaars en de bemoeilijking van het smokkelen. Dit leidt tot minder gebruik van TNT(trinotrotolueen,). Het vervangingsmiddel is het veel onstabielere en gevaarlijkere, maar gemakkelijk te produceren, TATP(triacetone triperoxide,mix van waterstof-peroxide en aceton, met een zuur als katalysator), gekend als Moeder van Satan door zijn instabiliteit. Deze verschuiving leidde tot veel slachtoffers onder de explosievenmakers, evenals burgers die zich in de buurt bevonden, aangezien de illegale laborotoria die explosieve riemen produceren meestal gelegen zijn in residentiële gebieden, en het is niet ongewoon tientallen of zelfs honderden kilogram TATP in één enkele locatie te vinden gedurende een inval. In sommige constructies wordt TATP enkel gebruikt als initiator en het explosief zelf is een huisgemaakte mix gelijkend op Ammonal(een explosieve mix van ammonium nitraat, trinitrotoluene en aluminiumpoeder).

Zelfmoordvesten bedekken de volledige buik en hebben meestal schouderbandjes.

Een vaak voorkomende veiligheidsoefening tegen verdachte zelfmoordterroristen dient om de verdachte minstens 15 meter van anderen te isoleren en hem te vragen zijn bovenkleding te verwijderen (jas, bloes, enz.) om te zien of er een explosief vest onder gedragen wordt. Deze oefening is problematisch wanneer het gaat om een vrouwelijke zelfmoordterrorist.

7

2.1.6 Vreedzaam gebruikNaast gebruik van explosieven in oorlogssituaties en bij terreurdaden worden deze stoffen ook veel voor vreedzame doeleinden gebruikt. In de mijnbouw, bij wegenaanleg en bij seismisch onderzoek zijn explosieven heel nuttige hulpstoffen. Ook is het mogelijk metalen met explosieven aan elkaar te lassen. Explosieve klinknagels zorgen voor verbindingen op moeilijk bereikbare plaatsen en een installateur kan met behulp van explosieven CV-buizen aan elkaar koppelen zonder dat het water uit de installatie afgetapt hoeft te worden. Een nieuwe buis wordt eenvoudig aan een oude 'vastgeschoten'.

2.2 Soorten springstoffen

2.2.1 Antitank explosieven:

Lading in de vorm van een explosief die het Neumanneffect (een ontwikkeling van het effect van Munroe) gebruikt om een zeer snelle straal van metaal in een staat van super plasticiteit te creëren die door een stevig pantser kan slaan.

De straal beweegt met hypersonische snelheden (tot 25 keer de snelheid van het geluid) in stevig materiaal en brengt daarom uitsluitend schade toe in het contactgebied van de straal en het pantsermateriaal. Het plaatsen is kritiek, aangezien de straal desintegreert en zich verspreidt na een vrij korte afstand, gewoonlijk aanzienlijk voor 2 meter afstand. Het straalmateriaal wordt gevormd door een kegel uit een voering van metaalfolie, gewoonlijk koper, hoewel tinfolie tijdens de Tweede Wereldoorlog meer gebruikt werd.

De sleutel tot de doeltreffendheid van een HEAT-shot is de diameter van de kop van het explosief. Terwijl de penetratie verdergaat door het pantser, vermindert de breedte van het gat, hetgeen leidt tot een kenmerkende ‘vuist tot vinger’ penetratie, waarbij de grootte van de uiteindelijke ‘vinger’ op de grootte van de originele ‘vuist’ gebaseerd is. In het algemeen kan er verwacht worden dat HEAT-hulzen in een pantser van 150% tot 250% van hun eigen breedte kunnen doordringen, hoewel moderne versies resultaten tot 700% op hun naam hebben staan.

HEAT-shots zijn minder efficiënt als ze tollen, de normale methode om een huls nauwkeurigheid te geven. De middelpuntvliedende kracht verspreidt de straal, dus het kopontwerp moet aangepast worden voor het gebruik met kanonnen, of het moet afgevuurd worden met gladloopswapens. Een verder probleem is dat als de kop zich in de loop bevindt, zijn diameter beperkt is tot het kaliber van het wapen. Het verhogen van het kaliber om een grotere diameter toe te kunnen staan maakt het wapen zwaarder. De wapens zonder terugslag die lichtere lopen en onderstellen gebruiken om HEAT-shots af te vuren (vb. de Britse WOMBAT (120mm) of de Zweedse Carl Gustav (84mm)) blijken efficiënt te zijn.

8

Waar HEAT gebruikt wordt als kop voor geleide raketten, geweergranaten of sponmortieren, is de kopgrootte geen beperkende factor, omdat deze zich niet binnen de loop van het vuurwapen bevinden.

Pantser tegen explosieven.Een bepantsering die reageert tegen explosieven is opgebouwd uit “bakstenen” of “tegels” van explosief dat tussen twee platen (bijna altijd uit metaal) wordt geklemd, deze worden de reactieve of dynamische elementen genoemd.

Hoofdzakelijk werken alle antitankwapens door het pantser te doorboren en alle bemanning binnenin te doden.

Het beschermingsmechanisme van bepantsering die reageert tegen explosieven tegen HEAT geladen koppen brengt het produceren van een explosie met zich mee wanneer het geraakt wordt door een wapen. Hierdoor gaan de reagerende elementen bewegen en dus de straal van gesmolten metaal die de kop produceert, verstoren, hetgeen zijn doordringingsvermogen beduidend vermindert.

De verstoring wordt veroorzaakt door twee mechanismen. Ten eerste, veranderen de bewegende platen de effectieve snelheid en invalshoek van de HEAT geladen straal, waardoor de invalshoek wordt verminderd en de effectieve straalsnelheid wordt verhoogd tegenover het plaatelement. Ten tweede, aangezien de platen omgebogen zijn in vergelijking met de gewoonlijke richting van de impact van de HEAT geladen kop, wanneer de platen naar buiten toe bewegen, beweegt het punt van de inslag op de platen ook, waardoor de straal ook door nieuwe platen moet branden. Dit tweede effect verhoogt de effectieve plaatdikte tijdens de inslag beduidend.

De meeste bepantsering die reageert tegen explosieven is van weinig nut tegen kinetische energieprojectielen, die veel dikker en zwaarder zijn dan de platen, maar de dikkere bewegende platen van zware bepantsering die reageert tegen explosieven zoals de Russische Kontakt-5 kunnen een penetrerende huls die langer is dan de ERA diep is uiteenhalen, hetgeen het doordringend vermogen opnieuw beduidend verlaagt.

9

De effecten op de HEAT geladen koppen is ontdekt in 1967-68 door een Duitse onderzoeker, Manfred Held, terwijl hij in Israël werkte. Hij en zijn team hebben de grote hoeveelheden vernielde tanks van de Zesdaagse Oorlog gebruikt om de omhulsels te testen. Ze hebben toen per toeval ontdekt dat tanks die nog steeds zwaar geschut bevatten een HEAT lading kunnen verstoren door de explosie van de omhulsels, de basis van de bepantsering die reageert tegen explosieven. Dit concept verkreeg een patent in 1970.

Sinds 1980 staan de voormalige Sovjet-Unie en zijn huidige onafhankelijke samengestelde staten heel positief tegenover bepantsering die reageert tegen explosieven, en bijna elke tank in de oosterse militaire inventaris van vandaag is ofwel gemaakt om bepantsering die reageert tegen explosieven te gebruiken of heeft bepantsering die reageert tegen explosieven eraan toegevoegd, zelfs de zeer oude T-55 en T-62 tanks van 40 en 50 jaar geleden, die vandaag bij de reservetroepen gebruikt worden.

Tegels van bepantsering die reageert tegen explosieven worden gebruikt als randapparatuur bij de meest kwetsbare onderdelen van een bewapend oorlogsvoertuig, vooral de voorkant van de romp en de voor- en zijkanten van de geschutkoepel. Ze vereisen tamelijk zware bepantsering op het voertuig zelf, aangezien de exploderende bepantsering die reageert tegen explosieven anders het voertuig zou beschadigen en het personeel in het voertuig zou verwonden of doden. Meestal wordt bepantsering die reageert tegen explosieven niet geplaatst op de zijkanten of de achterkant van een voertuig omdat de onderliggende bepantsering niet zo zwaar is op die plaatsen. Exploderende bepantsering die reageert tegen explosieven vormt ook een gevaar voor bevriende troepen die zich in de dichte nabijheid van het voertuig bevinden. Hoewel het ooit nogal gebruikelijk was dat circa een dozijn infanteristen meereden aan de buitenkant van de romp van de tank, wordt dit, om voor de hand liggende redenen, niet gedaan bij de voertuigen die bepantserd zijn met bepantsering die reageert tegen explosieven.

2.2.2 GlyceryltrinitraatDe vader van Alfred, Immanuel Nobel, had een munitiefabriek in Rusland. Hij leverde buskruit voor gebruik in de Krimoorlog (1854-1856), maar was op zoek naar een vervanger. Hij kwam terecht bij nitroglycerine, dat ook bekend is onder de naam glyceryltrinitraat. De Italiaanse chemicus Ascanio Sobrero had in 1847 voor het eerst nitroglycerine gemaakt, maar kon er niet veel mee beginnen. Het stofje explodeerde al bij de geringste aanraking. Alfred Nobel ontdekte dat absorptie van nitroglycerine in kiezelgoer (zeer poreus kiezel) een relatief veilige springstof opleverde. Andere bindmiddelen, zoals zaagsel, kaf en katoen leverden de diverse soorten dynamiet op. Vaak wordt ammoniumnitraat als extra zuurstofbron toegevoegd. Dynamiet wordt vooral voor vreedzame doeleinden gebruikt in onder andere de mijnbouw en bij het winnen van kalksteen.

10

2.2.3 KneedbommenPlastic of kneedbommen zijn, in tegenstelling tot wat hun naam doet vermoeden, niet van plastic gemaakt. Het zijn mengsels van diverse explosieve stoffen in een kneedbaar bindmiddel. De kneedbare, plastische stof kan bijenwas zijn, maar ook stopverf. Er is een hele reeks explosieve stoffen die in kneedbommen voorkomen. Ze hebben meestal handelsnamen, zoals RDX en HMX, of ze worden aangeduid met een afkorting van hun scheikundige naam. TNT is de afkorting van Trinitro-tolueen en PETN is de afkorting van Pentaerytritoltetranitraat. Semtex is een mengsel van RDX en PETN. Alle explosieven van deze soort bevatten nitraten of nitrogroepen om de benodigde zuurstof te leveren. Vulmiddelen zoals zaagsel, aluminiumpoeder, koolstof of bijenwas verbranden tijdens de explosie in zeer korte tijd en hebben weinig invloed op de chemische reacties die plaatsvinden.

De kneedbommen ontploffen niet spontaan, wanneer men deze bommen mengt, zullen ze dus niet ontploffen. Er is een ontsteking voor nodig om de explosie op gang te brengen. Dat kan met behulp van eenvoudige slagpin, maar ook met een elektrische ontsteking. Een batterij en een klok zijn al voldoende om een tijdontsteking te maken. De schok van de slagpin of de vonk van de elektrische ontsteker doen de kneedbom exploderen. Ook dynamiet wordt met een elektrische ontsteking tot ontploffing gebracht. In Westerns gebeurt dat door een cowboy die een hendel op een kistje naar beneden duwt. In de kist zit een dynamo die voor stroom zorgt.

2.2.4 ExplosiesnelheidBij de explosie van buskruit reageren de verschillende stoffen zeer snel met elkaar. Zoals eerder vermeld, ontstaan er dan grote hoeveelheden gassen. Die gassen zorgen voor de explosieve druk. De snelheid van de reactie is echter lager dan de geluidssnelheid (deflagratie, meer informatie hierover bij het hoofdstuk fysica). Bij moderne explosieven is die reactiesnelheid veel groter. De explosiesnelheid van Semtex ligt rond de 10 kilometer per seconde! Bij deze snelheden spreekt men van detonatie. Een detonatie heeft een veel groter verwoestend effect dan een deflagratie. Alfred Nobel was een van de eersten die erin slaagde om een explosief te maken dat detoneerde. De fabricage van dynamiet leverde hem heel wat geld op.

11

3 Chemische reacties, verklaring en risico’s

3.1 Verklaring explosieve werking

Chemisch gezien lijken springstoffen op het eerste gezicht veel minder spectaculair: het zijn chemische verbindingen die na een chemische reactie een zeer groot volume innemen. Ook ontstaat er warmte (zo’n reactie noemt men exotherm, er wordt geen energie toegevoegd). Maar omdat deze reactie uiterst snel verloopt, ontstaat er in een gesloten systeem een zeer snelle opbouw van een extreem hoge druk, die uiteindelijk de oorzaak is van de explosieve werking.

3.2 Enkele begrippen

ZuurstofbalansOnder zuurstofbalans verstaat men de massa zuurstof die men uit 100g explosieve stof overhoudt (positieve zuurstofbalans) of de zuurstof die eraan moet toegevoegd worden (negatieve zuurstofbalans) om alle oxideerbare bestanddelen volledig te oxideren (oxideren=chemische term voor verbranden). Bij de explosie van stoffen met een negatieve zuurstofbalans ontstaan reactieproducten die niet volledig of helemaal niet geoxideerd zijn, zoals CO (koolstofmonoxide), H2 (waterstof), C (koolstof),…Wanneer de zuurstof die aanwezig is in de explosieve stof net voldoende is om alle elementen volledig te oxideren, spreekt men van een neutrale zuurstofbalans. Explosieven met een neutrale of positieve zuurstofbalans kunnen ook onder water gebruikt worden.

GasvolumeHet specifieke gasvolume van een explosieve stof kan experimenteel bepaald worden uit de reactievergelijking. Het gasvolume heeft een effect op de gasdrukwerking.

3.3 Chemische reacties

Reactie van nitroglycerineNitroglycerine is een van de eerste krachtige springstoffen die werd ontdekt. Het werd aanvankelijk gebruikt voor tunnelbouw, wegenaanleg, enz…, maar door de grote gevoeligheid ervan (het explodeert al bij een kleine slag of stoot) was het vervoer een groot probleem en moest het vlak bij de gebruiksplaats worden gefabriceerd. Ondanks allerlei voorzorgsmaatregelen gebeurden er vaak ernstige ongelukken.Als nitroglycerine explodeert, vindt theoretisch de volgende reactie plaats:

4 C3H5N3O9 12 CO2 + 10 H2O + 6 N2 + O2

12

Zoals te zien is in de reactievergelijking, ontstaan er alleen maar gassen (koolstofdioxide, waterdamp, stikstof en zuurstof). Dit is een van de redenen waarom nitroglycerine een krachtige springstof is. Zoals ook te zien is ontstaat er een los zuurstofmolecuul (positieve zuurstofbalans). Omdat er geen zuurstof benodigd is voor de detonatie, wordt nitroglycerine ook gebruikt als springstof onder water.

Reactie van buskruitBij de ontploffing van buskruit treden hoofdzakelijk de volgende oxidatie- en reductiereacties op:

Oxidatie van zwavelbloem:S + O2 -> SO2

Oxidatie van koolstof:C + O2 -> CO2

Ontbinding van kaliumnitraat:2 KNO3 -> 2 KNO2 + O2

Bij oxidatie wordt zuurstof gebonden, bij reductie wordt zuurstof vrijgegeven. Bij buskruit is kaliumnitraat de zuurstofleverancier. Het verbranden van zwavel in een gewone omgeving is niet explosief. Hiervoor is meer zuurstof nodig, en die wordt geleverd door de ontbinding van kaliumnitraat.Afhankelijk van de verhouding in het buskruitmengsel treedt onder andere volgende reactie op:

2 KNO3 + S + 3 C -> K2S + N2 + 3 CO2 + 572 kJ

K2S (dikaliumsulfaat) vormt een dikke witte rook. Doordat in de afgesloten ruimte plots een grote hoeveelheid gassen en energie vrijgegeven wordt, ontstaat een ontploffing of explosie.Buskruit is een voorbeeld van een deflagerende springstof. Dit zijn springstoffen waarbij het reactiefront zich met een snelheid kleiner dan de geluidssnelheid (ongeveer 330 m/s) voortbeweegt. De meeste mengsels die gebruikt worden voor vuurwerk zijn deflagerend. Ze bestaan telkens uit een zuurstofleverende stof (bijvoorbeeld nitraat) en een brandbare stof (bijvoorbeeld zwavel of koolstof).

3.4 Risico’sVeiligheid is erg belangrijk. Om dit te illustreren volgt hieronder een voorbeeld van wat er kan gebeuren als men onachtzaam met (chemisch) afval omspringt.

Het afval van allerlei raffinageprocessen belandt in een verzamelvat. Bovenop een waterige olie-emulsie drijft een laag met vluchtige koolwaterstoffen. Een stoomspiraal verwarmt langzaam de onderste laag. Na zo’n tien dagen zijn de

13

dichtheid van de onderste laag en de stroperigheid ervan afgenomen. Gestimuleerd door de opstijgende dampbellen, mengen de lagen zich. De vluchtige bestanddelen kunnen nu ineens verdampen. Het is vrijwel windstil. De nevel verspreidt zich in de lucht buiten de tank en vindt een ontstekingsbron. Een geweldige explosie volgt, alsof er zo’n veertig ton trotyl (een soort springstof) ontploft. Op kilometers afstand sneuvelen de ramen, maar van een krater ontbreekt enig spoor.

De hierboven beschreven situatie is een zogenaamde dampwolkexplosie. Dit soort explosies vond voor het eerst plaats eind jaren zestig, maar de oorzaak was indertijd volledig onbekend. Latere explosies midden in de jaren zeventig bleken achteraf dezelfde oorzaak te hebben.Door de toename van het aantal (chemische) ongelukken groeide het inzicht dat veel onschuldig lijkende chemische stoffen eigenlijk erg gevaarlijk waren. Er ontstond een behoefte aan een systematische aanpak van deze veiligheidsproblemen. Hiervoor waren goede testmethoden nodig en technische installaties moesten betrouwbaarder worden.

Over de oorzaak van ontploffingen was weinig bekend. Later bleek dat sommige stoffen zich bij experimenten in een laboratorium onschuldiger gedragen dan wanneer er sprake is van grote hoeveelheden of grotere containers. Dit geld onder andere voor ammoniumnitraat (kunstmest).

Ondanks alle vooruitgang is voor de ingenieur nog steeds de wet van Murphy van kracht: “Alles wat mis kan lopen, loopt een keer mis”. Dampwolkexplosies voorspellen is dus nog steeds erg moeilijk en onbetrouwbaar.

Tot slot van het onderdeel chemie volgt hier een overzicht van enkele bekende springstoffen met hun structuur en toepassingen.

14

Naam Chemische structuur GebruikTNT 2,4,6-trinitrotolueen Tijden WO II door de

Duitsers gebruikt in granaten

Picrinezuur 2,4,6-trinitrofenol GranatenAmmoniumpicraat (chemische naam)

ammoniumpicraat Kneedbommen en antitankwapens

Tetryl 2,4,6-trinitrofenylmethylnitramine

Diverse toepassingen

HMX (high melting explosive)

1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetra-azacyclo-octaan

Diverse toepassingen

RDX (research department explosive)

1,3,5-trinitro-1,3,5-tri-azacyclo-hectaan

Vulling voor bommen en granaten

Nitroglycerine 1,2,3-propaantriol-trinitraat o.a. tunnelbouw

15

4 Fysische gevolgen

4.1 Gevolgen van een explosie

De gevolgen van een explosie zijn fysisch duidelijk merkbaar. Stoffen die aanwezig zijn in de buurt van een explosie, ontleden door de hitte of vallen uit elkaar door de immense druk. Drukgolven planten zich hoorbaar en voelbaar voort en de steekvlam die vaak ontstaat, kan tientallen meters hoog zijn.

4.2 Begrippen

4.2.1 Energieontwikkeling en vermogen:

Het effect op het materiaal in de buurt van de explosie is niet zozeer te wijten aan het vrijkomen van een grote hoeveelheid energie, maar aan de snelheid waarmee deze energie vrijkomt, dus aan het ontwikkelde vermogen.bv. Men laat 100g springgelatine in de vorm van een patroon van 10cm

detoneren, dan duurt de gehele detonatie 1/70 000 s. De vrijgekomen energie is 586 kJ (kilo-joule). Dit is niet extreem veel, maar houden we rekening met de tijd, dan volgt onderstaande berekening:586 x 70 000= 41 000 MW (megawatt) !

Welk deel van de vrijgekomen energie gebruikt wordt hangt echter sterk af van de omstandigheden, zoals bv. obstakels, het volume waarin de explosie plaatsvind,… Meestal gaat er ongeveer ²/3 van de energie verloren in de vorm van warmte.

4.2.2 Schokgolf:

Een schokgolf bestaat uit een positieve periode, een smalle strook waarin de druk zeer hoog is (voorwaartse beweging van de deeltjes), gevolgd door een breed gebied waarin de druk kleiner is dan de oorspronkelijke (achterwaartse beweging van de deeltjes). Door de het samenpersen van de deeltjes in de positieve periode van de schokgolf en de chemische reactie ontstaat een zeer hoge detonatiedruk van ca 50 000 tot 400 000 bar. Deze druk is zowel voor het zich voortplanten van de detonatie als voor de brisante (vernielende) werking verantwoordelijk. De gasdrukwerking is zelfs groot genoeg om het stukgeslagen materiaal nog te versnellen. Op grote afstand van de springstof is de gasdrukwerking minder hevig, maar zorgt de schokgolf nog altijd voor schade.

4.2.3 Brisantie:

16

Brisantie is de vernielende werking in de directe omgeving van de springstof. Er treedt geen brisante werking meer op wanneer de afstand tot de explosie meer is dan 1/3 van de straal van een springstof. Om het meeste effect te krijgen dient de springstof dus tegen het te vernielen object te liggen. Kan dit niet, dan moet men de tussenruimte opvullen met materiaal van overeenstemmende dichtheid. Hierdoor kan de detonatiedruk toch tot het te vernielen materiaal doordringen.

4.2.4 Gasdrukwerking: De snel uitzettende gasvormige reactieproducten oefenen tot op vrij grote afstand van de springstof een gasdruk uit. Deze afstand bedraagt ruwweg enkele tientallen malen de straal van een springstof. Door de relatief langdurige werking kunnen grote hoeveelheden materiaal verplaatst worden. De intensiviteit van de gasdrukwerking wordt hoofdzakelijk bepaald door het volume van de vrijgekomen gassen en door de ontwikkelde warmte. Om de gasdrukwerking optimaal te benutten dient men de brisantie zoveel mogelijk uit te schakelen om de vrijgekomen energie te sparen voor de gasdrukwerking. Men kan dit bereiken door een open ruimte tussen de springstof en het te vernielen materiaal te laten. Voor het meten van de gasdrukwerking kan men gebruik maken van de loodblok van Trauzl. Hiervoor laat men 10g springstof detoneren in de cilindrische uitholling (62cm3) van de loodcilinder (straal=10cm, hoogte= 20cm). De volumevergroting van de holte kan met water worden gemeten. Deze uitslag is een maat voor de gasdrukwerking.

4.3 Snelheden van schokgolven

Op basis van reactiesnelheid onderscheid men twee soorten explosieven:

4.3.1 Detonatie:

Een detonatie is een explosie waarbij de verbranding zich met supersone snelheid voortplant door een schokgolf. Een schokgolf is een zich voortplantende drukverhoging die tijdens het passeren stoffen samenperst, waardoor deze tot reactie worden gebracht. De snelheid waarmee een schokgolf zich voortplant heet "detonatiesnelheid". Deze ligt bij explosieve gasmengsels tussen 1500 en 3000 m/s en bij vaste stoffen en vloeistoffen tussen 2000 en 8000 m/s. Een detonatie geeft altijd een luide, scherpe knal.

4.3.2 Deflagratie:Een deflagratie is een explosie waarbij de verbranding zich voortplant door warmteoverdracht.

17

De snelheid waarmee een deflagrerende explosieve verbranding zich voortplant heet "lineaire brandsnelheid". Deze ligt bij explosieve gasmengsels tussen 0,1 en 200 m/s en bij vaste stoffen en vloeistoffen tussen 0,001 en 1 m/s. Een explosieve verbranding in de open lucht geeft geen knal. Bij gehele of gedeeltelijke opsluiting geeft een explosieve verbranding een doffe knal (boem).

18

5 Structuur casusOnderwerp casestudy, opgelegd door meter (mevrouw Dupain):

Werk een voorstel uit voor de afbraak van een gebouw (zie plan) en maak hiervoor gebruik van springstoffen. Houd er rekening mee dat het gebouw zich in een bewoond gebied bevindt.

Onze aanpak: uitzoeken uit welke materialen het huis is opgebouwd; berekenen welke kracht nodig is om deze materialen af te breken; op basis van bovenstaande gegevens één of meerdere soorten geschikte

springstoffen kiezen; berekenen van benodigde hoeveelheid springstof; eventuele schade aan de omgeving berekenen; rekening houden met veiligheidsrichtlijnen.

19

Bronnen

PASMAN, H., ‚Chemische risico’s beheerst’, internet, Natuur en Techniek, 1999 jaargang 67 aflevering 9, (http://www.kennislink.nl/web/show?id=77935).

DE NEDERLANDSE BRANDWEER, Explosies, internet, 2005-11-24, (http://www.brandweer.nl/cms/show?id=155824#content451900).

MINING SYSTEMS, Explosives, internet, (http://www.digistar.mb.ca/minsci/SYSTEMS/explosives/explosives.htm).

‚Mega structures: port of Rotterdam’, internet, National Geographic Channel, (http://www.nationalgeographic.be/channel/?PHPSESSID=d9195f82c2e017c7fc5d457657e675fc).

STOUT, G., ‚Kruit en knal’, internet, Natuur en Techniek, 1990-12-01, (http://www.kennislink.nl/web/show?id=4519&vensterid=811&cat=60360).

Geschiedenis van de artillerie, internet, (http://www.grebbeberg.nl/bibliotheek/bewapening/weap0018.html).

Springstoffen - vroeger en nu, internet, (http://www.wereldoorlog1418.nl/vuurkracht/02springstoffen.html).

VAN HERK, B., Nitroglycerine, internet, 2005-10-08, (http://nl.wikipedia.org/wiki/Nitroglycerine).

Buskruit, internet, (http://nl.wikipedia.org/wiki/Buskruit).

C-4 (explosief), internet, (http://nl.wikipedia.org/wiki/C-4).

Geschiedenis van explosies gebruiken, internet, (http://proto5.thinkquest.nl/~lle0361/artikelen.php?style=default&show=Geschiedenis%20van%20explosies%20gebruiken).

http://www.iwt-kdg.be/homestud/~DeKeulenaer_200437567/chemie.htm

20