Esplosivi: classificazione, composizione

Gli esplosivi sono  sistemi chimici omogenei o eterogenei capaci, quando sono attivati di subire una rapida trasformazione con  produzione di calore e di una notevole quantità di prodotti gassosi.

Caratteristiche

1. Elevato contenuto energetico complessivo: l’esplosivo potrà essere costituito da composti capaci di trasformarsi in altri molto più degradati energeticamente.
2. Stabilità chimica del sistema: essa deve essere tale da garantire la conservazione nel tempo e ciò implica la necessità di una attivazione per ottenere la reazione esplosiva; tale attivazione o innescamento può consistere in un riscaldamento, in un’azione meccanica come la percussione, in un’azione mista meccanica e termica come lo sfregamento o in una esplosione di una piccola quantità di esplosivo (innesco esplosivo)
3. Autosostentamento della reazione esplosiva: iniziata la reazione, una parte dell’energia sviluppata serve all’attivazione dell’esplosivo adiacente che non ha ancora reagito.
4. Grande velocità di reazione: la reazione chimica di esplosione può consistere nella semplice decomposizione di composti negli elementi: si hanno allora gli esplosivi a energia interna. Vengono invece definiti esplosivi a combustione quelli in cui la reazione di decomposizione  passa attraverso prodotti intermedi per dare alla fine prodotti con contenuto energetico assai inferiore rispetto a quello dei prodotti di partenza.

Processo di esplosione

Il processo di esplosione può essere suddiviso in tre fasi successive:

• Attivazione dell’esplosivo con una quantità di energia sufficiente a provocare  la rottura dei legami chimici della molecola
• Decomposizione della molecola nei suoi costituenti chimici
• Ricombinazione degli elementi per dare origine a sostanze di livello energetico inferiore a quello dei prodotti di partenza

L’energia efficace dell’esplosivo, pertanto, sarà la differenza tra l’energia sviluppata nella terza fase e quella assorbita nelle prime due.

Gli esplosivi devono contenere legami tra atomi a elettronegatività uguale o per lo meno assai simile.

Occorre allo stesso tempo che nella molecola coesistano atomi a elettronegatività molto diversa, atti quindi, una volta liberati a combinarsi tra loro per formare composti con legami polari.

In una sostanza esplosiva, quindi, si dovrà avere una successione di legami tale che gli elementi a maggiore differenza di elettronegatività siano separati tra loro da elementi capaci di dare con essi legami a debole carattere polare.

Catene di tal genere si trovano nelle sostanze organiche quaternarie.

Composizione

Gli esplosivi sono quindi costituiti da carbonio, ossigeno e idrogeno e da un quarto elemento che deve avere una elettronegatività intermedia tra ossigeno e carbonio: uno degli elementi che meglio si presta a questo scopo è l’azoto. La tipica molecola della sostanza esplosiva può essere così schematizzata:

parte combustibile ( C, H ) — ponte ( N ) — parte ossidante ( O )

la reazione esplosiva consiste nella rottura del ponte di azoto (punto vulnerabile) che ha per conseguenza la rottura dei legami non polari, con conseguente demolizione totale dell’edificio molecolare e, quindi, la combinazione diretta dell’ossigeno con gli elementi combustibili  mediante legami polari.

Struttura

Strutturalmente la molecola di esplosivo comprende da un lato la classica catena di atomi di carbonio che può essere alifatica, aliciclica o aromatica e che svolge mansioni di supporto all’edificio molecolare e di fornitore di combustibile, dall’altra alcuni gruppi funzionali particolari, portatori di comburente. In analogia con il termine cromoforo adottato nella chimica dei coloranti è stato coniato il termine esplosoforo; i più comuni sono:

– NO₂, – NO₃,  =N-NO₂, -O-O- , =N-Cl, – C≣C- , -N=N- , =C=N-, -C≣C

L’appartenenza di una sostanza alla classe degli esplosivi è quindi legata alla presenza di un esplosoforo. Tuttavia  le caratteristiche particolari degli esplosivi risiedono nell’insieme della  struttura molecolare. Inoltre, perché una sostanza sia esplosiva, non basta che coesistano tutti i fattori anzidetti. Occorre infatti che non vi sia un eccessivo squilibrio quantitativo tra parte combustibile e parte comburente.

La valutazione in questo senso viene effettuata calcolando il bilancio di ossigeno. Esso è il rapporto tra la quantità di ossigeno presente nella molecola e quella necessaria per la trasformazione del carbonio e dell’idrogeno presenti, in biossido di carbonio e acqua.

Classificazione

Considerando che l’azoto è l’elemento più sfruttato nel campo degli esplosivi, le sostanze più comuni sono classificate in nitroesteri, nitroderivati e nitroammine.

Nitroesteri. Sono caratterizzati da uno o più gruppi -C-O-NO₂ ottenuti per esterificazione tra l’acido nitrico e i gruppi alcolici della molecola di supporto. L’energia complessiva di tutti i legami del gruppo -NO₂ è di 241 kcal e mostra la facile vulnerabilità dei legami che lo costituiscono. Tutto ciò conferisce alla molecola dei nitroesteri una certa labilità. Perciò dal punto di vista chimico i nitroesteri sono gli esplosivi meno stabili nel senso. Infatti essi sono i più facili a subire una dissociazione idrolitica e ciò costituisce un elemento negativo per il loro utilizzo.

Nitroderivati. Sono caratterizzati dal gruppo -C-NO₂ e differiscono dai nitroesteri perché l’azoto del nitrogruppo è legato direttamente al carbonio.  Da ciò deriva una notevole differenza nel comportamento chimico delle due classi di sostanze. Alla facile idrolizzabilità dei nitroesteri fa riscontro una grande resistenza all’idrolisi dei nitroderivati.

Nitroammine. Le nitroammine sono caratterizzate dal gruppo =N-NO₂. L’azoto del nitrogruppo è in questo caso legato ad un azoto amminico. Il legame covalente che unisce i due atomi di azoto è particolarmente debole e tale labilità ne vieterebbe l’uso se non intervenissero strutture di risonanza che danno luogo a forme con separazione di carica.