Получение тетранитропентаэритрита

Вступление

Тетранитропентаэритрит (ТЭН, PETN, пентаэритриттетранитрат) - эфир азотной кислоты - HNO₃ и четырехатомного спирта пентаэритрита - C(CH₂OH)₄. При образовании молекулы тетранитропентаэритрита происходит этерификация всех четырех гидроксильных групп пентаэритрита азотной кислотой, следовательно, формула эфира - C(CH₂ONO₂)₄.

ТЭН является одним из самых мощных взрывчатых веществ (ВВ) и широко применяется в промышленности. Широкое использование ТЭНа обусловлено его мощными взрывчатыми свойствами, неплохой стабильностью, а также относительной простотой и доступностью производства [K3]. В последнее время в промышленности ТЭН вытесняется более дешевым и безопасным ВВ (хотя и немного уступающим ТЭНу по мощности) - гексогеном [K1].

Пентаэритриттетранитрат также используется в медицине в качестве вазодилататора (сосудорасширяющего средства) и выпускается в продажу в виде таблеток "Эринит" (вспомните, что аналогичное применение имеет и нитроглицерин).

Физические, химические и взрывчатые свойства

Пентаэритриттетранитрат - при нормальных условиях белое кристаллическое вещество без запаха. Максимальная плотность - 1.78 г/см³. Плохо прессуется. Температура плавления - 141°C (с разложением). Нерастворим в воде и практически нерастворим в спирте и бензоле. Хорошо растворим в ацетоне, диметилформамиде, этилацетате. Растворимость в ацетоне: 24.8 г на 100 г ацетона при 20°C; 55 г на 100 г ацетона при 56°С. При комнатной температуре ТЭН практически нелетуч. ТЭН обладает довольно хорошей химической устойчивостью благодаря высокой симметричности молекулы. При комнатной температуре не гидролизуется водой и слабыми растворами щелочей. Гидролизуется водой при температурах выше 100°C, причем в присутствии небольших количеств кислот и щелочей гидролиз идет быстрее. ТЭН чувствителен к удару и трению. Детонирует при падении груза массой 2 кг с высоты 17 см. ТЭН обладает очень малым критическим диаметром (минимальным диаметром заряда, при котором возможна детонация). Критический диаметр зависит от плотности заряда и варьируется для ТЭНа от 0.7 до 3.2 мм [K2]. ТЭН способен к электризации и чувствителен к искре. Кислородный баланс - отрицательный.

Синтез

Внимание! При синтезе пентаэритриттетранитрата используются концентрированные кислоты, поэтому рекомендуется надеть защитные очки и перчатки. В процессе этерификации могут образовываться токсичные окислы азота, поэтому синтез необходимо проводить под тягой или в хорошо проветриваемом помещении.

Реактивы:
1. Концентрированная серная кислота - 110 мл.

2. Концентрированная азотная кислота (не дымящая) - 105 мл.

3. Пентаэритрит - 30 граммов.

4. Гидрокарбонат натрия (для промывки ТЭНа)

Также нам понадобятся универсальная индикаторная бумага и термометр.

Теперь непосредственно сам синтез:

1) Приготовление нитрующей смеси.
Для приготовления нитрующей смеси было взято 105 мл концентрированной азотной кислоты и 110 мл концентрированной серной кислоты. Готовая нитрующая смесь была охлаждена до 15°С.

2) Добавление пентаэритрита. К нитрующей смеси при постоянном охлаждении и перемешивании постепенно добавляется 30 граммов пентаэритрита. При этом температура ни в коем случае не должна превышать 30°С. Оптимальный температурный диапазон: 15-20°С. При добавлении последних порций пентаэритрита возможно выделение незначительных количеств оксидов азота, однако если в процессе синтеза начали бурно выделяться окислы азота, и температура превысила критический уровень (30°С), то реакционную смесь нужно немедленно вылить в большое количество холодной воды.

В некоторых методиках синтеза рекомендуется после добавления всего пентаэритрита проводить донитровывание сульфоэфиров пентаэритрита с помощью 20-минутной выдержки реакционной смеси на водяной бане при температуре 45-50°С. Это, несомненно, увеличивает выход готового продукта, однако повышает риск того, что реакция выйдет из-под контроля. В данном случае донитровывание сульфоэфиров не проводилось.

3) Фильтрование и очистка ТЭНа. После окончания добавления пентаэритрита в нитрующую смесь дается выдержка 5-10 минут, потом смесь выливают в сосуд с большим количеством холодной воды. На дне образуется мелкокристаллический осадок пентаэритриттетранитрата. Затем ТЭН отфильтровывают и несколько раз тщательно промывают водой и теплым раствором гидрокарбоната натрия до исчезновения кислой реакции (проверяется индикаторной бумагой). Для очистки ТЭНа от возможных примесей его можно перекристаллизовать из ацетона (однако, часть ТЭНа будет потеряна при перекристаллизации). Для этого ТЭН необходимо растворить в минимальном количестве ацетона при нагревании, затем быстро профильтровать получившийся раствор и вылить его в большое количество холодной воды. При этом ТЭН выпадает в осадок. Выход может составлять от 50% до 90%.

У автора статьи в процессе синтеза ТЭНа произошла неприятность - разбился ртутный термометр, и вся ртуть вылилась в нитрующую смесь. С целью как можно более полного удаления соединений ртути мне пришлось несколько раз перекристаллизовывать ТЭН, поэтому потери продукта оказались очень существенными: в итоге автору удалось получить всего лишь 25.7 граммов пентаэритриттетранитрата (зато чистого).

Эксперименты с тетранитропентаэритритом

Горение тетранитропентаэритрита

Если поджечь небольшие количества ТЭНа, он спокойно сгорит с шипением. Для опыта было взято 0.25 грамм вещества. Большие количества ТЭНа брать нельзя, так как при горении больших объемов возможен перегрев, в результате горение способно перейти в детонацию. Навеску вещества поместили на фольгу и подожгли газовой горелкой. Сначала ТЭН плавится, а затем загорается ярко-желтым пламенем и сгорает, практически не выделяя дыма.

Смотреть Видео (11 Мб, .avi )

Взрыв тетранитропентаэритрита

ТЭН способен взрываться под действием детонатора, причем вещество обладает хорошей чувствительностью: для инициации ТЭНа достаточно минимальных количеств ИВВ.

Для опыта использовался 2 мл шприц, наполненный ТЭНом. Вещество прессовалось в корпус усилием руки, однако при запрессовке ТЭНа недопустимо использовать удары - такое обращение может легко вызвать детонацию, а количества ТЭНа в шприце вполне достаточно, чтобы произошла взрывная ампутация нескольких пальцев или даже кисти [K4]. После того, как шприц был заполнен, он был заклеен с одной стороны малярным скотчем. С другой стороны шприца было сделано отверстие для детонатора. В том месте, где вставляется детонатор, ТЭН не должен быть спрессован (вещество насыпают без уплотнения) - чтобы детонатор можно было легко вставить внутрь. В качестве детонатора использовалась часть колпачка от иглы шприца, заполненная ацетиленид-нитратом серебра. Всего было взято 0.19 граммов ИВВ. ТЭНа взято примерно 2.7 грамма. Заряд был установлен на стальную пластину толщиной 2 мм.

Результаты взрыва можно видеть на фотографиях.

Комментарии

^К1 По скорости детонации (около 8400 м/с при плотности прессования 1.68-1.7 г/см³) ТЭН превосходит все другие нитроэфиры и уступает только астролитам (смеси на основе нитрата аммония и гидразина), нитраминам типа октогена и новым ВВ типа FOX-7 (1,1-диамино-2,2-динитроэтилен).

^К2 Это свойство ТЭНа (малый критический диаметр детонации) обусловило его применение в качестве основного компонента ВВ для детонирующих шнуров, линейных зарядов разминирования.

^К3 Пентаэритрит - сырье для получения ТЭНа - производится альдольной конденсацией формальдегида и ацетальдегида в щелочной среде и является крупнотоннажным промышленным продуктом. Основная область применения - производство хорошо известных алкидных и пентафталевых смол, лаков и эмалей.

^К4 Не следует также забывать о склонности ТЭНа к электризации и чувствительности к искре!

<Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные>

<Химические вулканы и Фараоновы змеи ч.2> <Химические вулканы ч.1> < Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Химические вулканы> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]