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Sprengstoffe
Was sind Sprengstoffe? Woraus besteht Schwarzpulver? Was sind Explosivstoffe? Wofür braucht man
Initialzünder? Welche explosiven Chemikalien und Mischungen sind denn überhaupt als Sprengstoff
geeignet? Das sind Fragen, die immer wieder auftauchen und Verwirrung stiften. Die Begriffe hat zwar fast
jeder schon einmal gehört, aber die Unterschiede sind oft nicht klar. Wir alle kennen die Szenen aus
Spielfilmen: ein Auto rast den Abgrund hinunter, schlägt auf und ... wum... explodiert. Hier stellt sich die
Frage: Wann explodiert denn eigentlich ein Stoff? Dieser Frage wollen wir uns im folgenden etwas näher
widmen. Im Tank des Autos befindet sich Benzin und Benzin ist ein Brennstoff, der unter hoher
Wärmeentwicklung verbrennt. Der Ottomotor des Fahrzeugs ist ein Verbrennungsmotor. In die Zylinder des
Motors wird ein Benzin-Luft-Gemisch eingespritzt, das explodiert und treibt den Kolben aus dem Zylinder.
Aber wie ist das mit dem Auto im Abgrund, explodiert das denn auch? Bitte, etwas Geduld! Wir werden
diese Frage klären. Zunächst werden wir einige Begriffe klären: Jeder Sprengstoff ist auch ein Explosivstoff,
aber nicht jeder Explosivstoff ist auch ein Sprengstoff.
Explosionsfähige Stoffe sind einzelne Chemikalien oder Gemische die durch einen Zündherd (zB. Funken,
Schlag o.ä.) in sehr kurzer Zeit eine hohe Energiemenge abgeben und somit eine Explosion bewirken können.
Hierzu gehören auch sehr druckempfindliche Stoffe wie Jodstickstoff, Bleiazid und Silberacetylid,
lichtempfindliche Chlor/Wasserstoff-Gemisch oder das beim Lagern von Ether entstehende Etherperoxid.
Explosivstoffe sind feste, pastenförmige oder flüssige Materialien, die zum Sprengen, Treiben von
Geschossen (z.B. in Patronen), Zünden von Sprengstoffen (z.B. Zündkapseln, Aufschlagzünder von Granaten
usw.) oder in der Feuerwerkstechnik verwendet werden. Man unterteilt dabei noch in leicht explosionsfähige
wie z.B. Bleipikrat, Knallquecksilber und Nitroglycerin sowie in schwer explosionsfähige wie Trinitrotoluol
und Cyclotrimethylentrinitramin.
Sprengstoffe sind Explosivstoffe, die für gewerbliche (z.B. Sprengmittel für den Bergbau) und militärische
Zwecke (Munition) Verwendung finden. An sie werden gewisse Anforderungen hinsichtlich ihrer
Handhabung gestellt. So müssen sie gefahrlos transportierbar und lagerfähig sein. Weiterhin sollten sie
relativ unempflindlich gegenüber Stoß und Wärmeeinwirkung sein. Das können Einzelstoffe wie
Trinitrotoluol oder Gemische wie Donarit (Ammonsalpeter, Trinitrotoluol, Dinitrotoluol, Nitroglykol,
Holzmehl, Eisenrot) sein.
Welche Eigenschaften hat ein explosionsfähiger Stoff?
Zunächst muß er reaktionsfähig sein, die freie Standardreaktionsenthalpie muß einen hohen negativen
Wert haben (ΔG0R = Σ ΔG0f Endstoffe - Σ ΔG0f Ausgangsstoffe mit ΔG0R = freie Standardreaktionsenthalpie und
ΔG0f = freie Standardbildungsenthalpie sowie ΔG = ΔH – T* ΔS mit ΔH = Enthalpie (Reaktionswärme); T
= Temperatur; S = Entropie (Unordnung)). Einfacher ausgedrückt die Reaktion sollte unter starker
Wärmeabgabe und möglichst hoher Zunahme der Unordnung (Bildung von Verbrennungsgasen) erfolgen. In
der Regel handelt es sich bei Verbrennungsprozessen und Explosionen um Oxydationsreaktionen. Nur unter
diesem Aspekt betrachtet wäre z.B. Kohle ein Explosivstoff und viele haben bestimmt schon von
Kohlestaubexplosionen z.B. in Bergwerken gehört. Kohle verbrennt unter hoher Wärmeabgabe zu dem Gas
Kohlendioxid, aber unter normalen Umständen kann man Kohle wirklich nicht als Explosivstoff bezeichnen
(sonst würden wohl ständig irgendwelche Kohleöfen explodieren).
Wieso eigentlich nicht?
Wir haben einige Faktoren noch nicht erwähnt: Viele Reaktionen benötigen zum Ablauf eine sogenannte
Aktivierungsenergie. Die einzelnen Moleküle oder Atome müssen erst einmal aktiviert werden und so
zusammenstoßen, dass sie reagieren können (Kohlenstoffatome und Sauerstoffmoleküle). Dafür brauchen
wir die Aktivierungsenergie. Wäre das nicht so, dann gäbe es keine Kohle und kein Holz mehr, es wäre
nämlich schon alles verbrannt und deshalb müssen wir den Ofen erst einmal mit Papier und Spänen schüren
bevor wir ein Kohlebrikett dazulegen. Weiterhin wäre eine gute Durchmischung der Reaktionspartner
notwendig. Liegt Kohle z.B. als klobiges Brikett vor (mit zweidimensionalen Graphitmakromolekülen) und
Sauerstoff zu 20 % als Gas (O2) in der Luft dann haben wir eine äußerst schlechte Durchmischung (bei der
Kohlestaubexplosion ist die Durchmischung besser aber immer noch recht grob). Etwas bessere Verhältnisse
haben wir beim Schwarzpulver (10 % Schwefel, 15 % Holzkohle und 75 % Salpeter [=Kaliumnitrat]). Hier
wird der Sauerstoff zur Oxydation der Holzkohle vom Kaliumnitrat geliefert, Schwefel ist leichter brennbar
und dient gewissermaßen als Aktivator (Flammenträger). Wer schon mal Schwarzpulvermischungen
hergestellt hat, weiß wie schwierig es ist diese zur Explosion zu bringen. Feine Körnung und gute
Durchmischung der Komponenten ist das A & O. Früher wurde Holzkohle (und Schwefel) in Tücher
gewickelt und mit dem Hammer darauf geschlagen. Nur der feine Staub, der durch die Tücher nach außen
gelangte wurde verwendet. Salpeter wurde in heißem Wasser gekocht (bessere Löslichkeit als in kaltem
Wasser) und dann schnell abgekühlt oder mit Methanol versetzt. Dabei fiel sehr feinkristallines Kaliumnitrat
aus. Dies wurd Später wurden dann Zündmischungen hergestellt, indem man dem Schwarzpulver kleine
Mengen an pulverisiertem Magnesium, Zink, Aluminium und/oder Kaliumpermanganat zusetzte. Eine kleine
Menge dieser Zündmischung wurde auf das Schwarzpulver gegeben, mit einer Zündschnur versehen und
verpackt. Diese Zündmischung benötigt nur eine kleiner Aktivierungsenergie und wirkt durch die schnelle
Energiefreisetzung als Initiator für die eigentliche Sprengladung. Nun sind wir zu einem weiteren Begriff
gelangt: „Initiator“ oder „Initiatorsprengstoff“. Damit eine Sprengladung große Zerstörungswirkung
entfaltet, muß sie in kurzer Zeit eine hohe Energiemenge freisetzen, begünstigt wird dies durch einen
Initiatorsprengstoff und eine dichte Verpackung der Sprengladung. Initiatorsprengstoffe sind leicht
explosionsfähige Explosivstoffe und zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur eine recht niedrige
Aktivierungsenergie benötigen. Bereits ein Funken oder ein Schlag kann sie zur Explosion bringen. Somit
wird innerhalb kurzer Zeit eine hohe Energie frei, die dann z.B. einen schwer explosionsfähigen Stoff wie
Trinitrotoluol (TNT) zur Detonation bringt (zündet man ein Stückchen Trinitrotoluol mit dem Streichholz an
brennt es lediglich mit rußender Flamme ab). Jetzt wird der eine oder andere wohl fragen: Wieso benutzt
man den nicht einzig und alleine nur den Initiatorsprengstoff? Ganz einfach zum einen sind die
Initiatorsprengstoffe in der Herstellung relativ teuer zum anderen ist deren Anwendung in größeren Mengen
zu gefährlich. Schon bei einem kleinen Stoß oder bei Erwärmung z.B. durch Sonneneinstrahlung könnte die
Ladung explodieren. Betrachten wir nur einmal die Anforderungen, die an Geschützmunition gestellt werden:
Eine Zündkapsel mit Initiatorsprengstoff (Primer) aktiviert beim Schießen die Treibladung in der Geschoßhülse. Diese Ladung explodiert mit relativ niedriger Explosionsgeschwindigkeit und treibt das Projektil aus
dem Kanonenrohr. Durch den Drall des Projektils wird die vorn aufgeschraubte Zünderspitze scharf gemacht.
Schlägt die Granate dann am Zielpunkt auf, wird durch den Aufschlag ein weiterer Initiatorsprengstoff
gezündet, der dann wiederum die Haupt-Sprengladung zur Explosion bringt (siehe Skizze).
Die chemische Umsetzung von Explosivstoffen kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen. Die erste ist die
Verbrennung (Deflagration), die mit geringer Geschwindigkeit von Schicht zu Schicht unter typischer
Flammenbildung erfolgt.
Beispiel:
a) Bei Glycoldinitrat beträgt unter Normalbedingungen die Verbrennungsgeschwindigkeit 0,3 mm/s;
die Verbrennung verläuft unvollständig nach:
C2H4(ONO2)2  2 NO + 1,7 CO + 1,7 H2OGas + 0,3 CO2 + 0,3 H2 ; Δ H = -460 cal/g
b) Die 2. Art der Umsetzung (nach Initialzündung) ist die Detonation, die mit hoher Geschwindigkeit
abläuft. Bei ca. 8000 m/s läuft sie hier im wesentlichen bis zu den Endprodukten nach:
C2H4(ONO2)2  2 CO2 + 2 H2OGas + N2 ; Δ H = -1600 cal/g
Bevor wir obiges Beispiel näher erläutern möchte ich noch einige andere Punkte ansprechen. Wie bereits
erwähnt sind Explosionen in der Regel Oxydationsvorgänge (genauer Redoxreaktionen). Eine Explosion ist
im Prinzip eine Verbrennung, die besonders schnell abläuft. Es wird also meistens Sauerstoff benötigt. Wir
könne 2 Arten von Explosivstoffen unterscheiden:
- Stoffe, die Sauerstoff im Molekül schon enthalten (z.B. Glycoldinitrat C2H4(ONO2)2 oder
Trinitrotoluol C7H5(NO2)3
- Mischungen, bei denen dem Brennstoff (z.B. Holzkohle, Dieselöl, Magnesium) der Sauerstoff von
einem Lieferanten bzw. Oxydationsmittel (z.B. Kaliumnitrat, Ammoniumperchlorat,
Wasserstoffperoxid, Luft) zur Verfügung gestellt werden muß.
Hier wird wieder deutlich wie wichtig bei Mischungen eine gute Durchmischung der Komponenten ist.
Bei Pulvermischungen ist zusätzlich eine kleine Korngröße von Bedeutung. Je kleiner die Korngröße
desdo größer die Reaktionsoberfläche und desdo besser die Durchzündung (Reaktionsgeschwindigkeit
der Gesamtladung). Im Prinzip kann man mit ganz alltäglichen Brennstoffen wie Holzmehl im Verhältnis
1:3 mit 80 %igem Wasserstoffperoxid durchtränkt eine Sprengladung herstellen, die in der
Sprengleistung etwa der von Dynamit entspricht. Diese Mischung ist jedoch schwer zu handhaben, kaum
lagerfähig und entzündet sich schon bei Berührung mit Kohle oder einigen organischen Materialien. Im
Bergbau werden Mischungen von Dieselöl mit Ammoniumnitrat (Ammonsalpeter) eingesetzt.
Betrachten wir noch einmal das eingangs erwähnte Beispiel aus einem Hollywood-Film indem ein Auto
einen Abhang hinunterrast und explodiert. Die Frage war ob das Auto bzw. das Benzin in so einem Fall
wirklich explodiert. Wir wissen für eine Explosion reicht schon brennbares Material plus
Sauerstofflieferant. In unserem Fall würde sich unter Umständen das ausgelaufene Benzin entzünden.
Schlimmstenfalls könnte es zu einer Stichflamme kommen. Eine Explosion ist aber unwahrscheinlich, da
das Benzin nicht ausreichend mit dem Sauerstoff der Luft vermischt ist. Im Prinzip können nur mit Luft
vermischte Benzindämpfe explodieren (wie im Otto-Motor), diese verflüchtigen sich allerdings schnell
im Freien und bieten keine Explosionsgrundlage. Anders wäre es, würden wir Ammoniumnitrat mit
Benzin durchtränken. In diesem Fall stünde dem Brennstoff durch das Ammoniumnitrat genügend
Sauerstoff zur Verfügung. Die Durchmischung wäre ausreichend und wir hätten eine explosive Ladung
vor uns.
Über Explosivstoffe haben wir bereits gesprochen. Aber welche Eigenschaften kennzeichnen einen
Sprengstoff?
Ein Sprengstoffe sind Explosivstoffe, die für gewerbliche und militärische Verwendung hergestellt
werden. Sie müssen handhabungssicher, transportabel und lagerfähig sein. Sie sollten im flüssigen oder
festen Aggregatszustand vorliegen, und eine hohe Ladungsdichte aufweisen. Deshalb werden Pulver in
der Regel gepresst. Gasförmige explosionsfähige Stoffe sind ungeeignet, weil sie aufgrund ihrer
niedrigen Dichte nur relativ schwache Sprengkraft besitzen. Darüber hinaus sollten die
Herstellungskosten nicht all zu hoch sein. Mittlerweile werden Sprengstoffe auch von
Untergrundkämpfern und für terroristische Zwecke eingesetzt. Es bieten sich folgende Einteilungen an:
I.
gewerbliche Sprengstoffe
werden im Bergbau, sowie zur Sprengung von Brücken, Gebäuden usw. eingesetzt. Hierbei ist
besonders auf die Rückstände nach der Explosion zu achten. Es dürfen keine brennbare oder giftige
Gase bzw. Stäube entstehen. Im Bergbau dürfen nur Sprengstoffe oder Sprengstoffgemische mit
positiver Sauerstoffbilanz eingesetzt werden. Bei der Detonation von Trinitrotoluol (TNT) entstehen
giftige und brennbare Gase (H2, CH4, HCN, CO), deshalb wird TNT nur in Kombination mit anderen
Komponenten eingesetzt (z.B. Donarit, siehe oben). Betrachten wir noch einmal das obige Beispiel,
Reaktion von Glycoldinitrat, so sehen wir bei Reaktion a), dass giftige Gase entstehen (CO =
Kohlenmonoxid und NO = Stickstoffmonoxid). Bei Reaktion b) entstehen keine giftigen Gase. Die
Sauerstoffbilanz ist gleich Null, dh. herrscht weder Sauerstoffmangel noch Sauerstoffüberschuß. Bei
der Zersetzung von Glycerintrinitrat (Nitroglycerin) herrscht dagegen Sauerstoffüberschuß, die
Sauerstoffbilanz ist positiv:
2 C3H5(ONO2)  6 CO2 + 5 H2O + 3 N2 + 0,5 O2
Beim Pentaerythrittetranitat (Nitropenta) wiederum ist die Sauerstoffbilanz negativ.
H2C-O-NO2
|
H2C-O-NO2
Glycoldinitrat
Sauerstoffbilanz:
0
H2C-O-NO2
|
HC-O-NO2
|
H2C-O-NO2
Glycerintrinitrat
+ 3,5 %
H2C-O-NO2
|
O2N-O- H2C-C-CH2O-NO2
|
H2C-O-NO2
Pentaerythrittetranitrat
- 10,1 %
II.
militärische Sprengstoffe
Bei den militärischen Sprengstoffen müssen wir wiederum nach Einsatzzweck unterscheiden:
a) Detonatoren bzw. Brisanzsprengstoffe, diese werden als Füllung für Granaten, Bomben,
Torpedos, Raketen und Minen verwendet. Sie sollten pastös oder thermisch bzw.
mechanisch gefahrlos verformbar sein. Das für den militärischen Einsatz verwendete TNT
ist relativ rein, bei ca. 80 ° C schmelzbar, chemisch sehr beständig, beschußsicher,
unempfindlich gegenüber Stoß und Reibung. TNT und andere militärischen Sprengstoffe
werden für verschiedene Zwecke mit Montanwachs versetzt. Dadurch werden Sie knetbar
und verformbar. Die Brisanzsprengstoffe sollen eine große Zerstörungswirkung haben. Sie
besitzen eine hohe Explosionsgeschwindigkeit (6000-8000 m/s), eine hohe
Explosionswärme (4000-7000 kJ/kg) und sind raucharm bzw. rauchlos. Bei der Explosion
bilden sich fast ausschließlich Gase. Durch die hohe Explosionsgeschwindigkeit und –
temperatur entwickelt sich in relativ kurzer Zeit ein großes Gasvolumen (Schwadenvolumen)
das für die zerstörerische Wirkung verantwortlich ist.
b) Schießpulver bzw. Treibladungen, hierbei handelt es sich in der Regel um rauchschwache
Pulver. Diese werden entweder in Geschoßhülsen gepresst oder als Granulate in
Stoffsäckchen genäht. Sie sind handhabungssicher und explodieren nur bei Initialzündung.
Meist handelt sich um Mischungen, diese enthalten meist Cellulosenitrat und/oder
Glycoldinitratpulver. Sie dürfen keine zu hohe Explosionsgeschwindigkeit entwickeln
(damit der Lauf nicht beschädigt wird) und sollten möglichst wenig korrosive Rückstande
bilden.
An dieser Stelle möchte ich noch einmal zusammenfassen, welche Eigenschaften ein Sprengstoff haben
sollte:
- hohe Reaktionswärme Δ H
- hohe spezifische Energie
- hohe Detonationsgeschwindigkeit
- Bildung eines großen Gasvolumens (Schwadenvolumen)
- gute Handhabungssicherheit
Sprengladungen im terroristischen Einsatz
Mittlerweile häufen sich die Nachrichtenmeldungen über Bombenattentate. Wir hören von grausamen
Anschlägen auf Personen und Gebäude. Auf illegalem Wege gelangt brisantes Material in die Hände von
Terroristen. Auffällig ist, dass die Sprengsätze zunehmend ungerichtet eingesetzt werden. Immer weniger
geht es darum ein bestimmtes Objekt oder eine bestimmte Person zu zerstören sondern darum einen
möglichst großen Schaden sowie Angst und Verwirrung in der Bevölkerung hervorzurufen. Deshalb
ergeben sich seitens der Terroristen andere Anforderungen an die Sprengsätze.
Zum einen sollten sie leicht beschaffbar sein. Deshalb benutzt man Alltagsmaterialien wie Dieselöl,
Ammonsalpeter (aus der Kunstdüngerindustrie), Kalisalpeter (=Kaliumnitrat, wird zum Pökeln von
Fleisch verwendet), Kaliumchlorat (in Unkrautvernichtungsmitteln enthalten), roten Phosphor (aus der
Zündholzindustrie), Wasserstoffperoxid, sowie Gasflaschen mit Propan, Acetylen, Sauerstoff usw..
Weiterhin wird militärischer Sprengstoff benutzt, der von Diebstählen aus Armeebeständen stammt, über
Vermittler aus Armeebeständen gekauft wurde oder einfach von sympathisierenden Regierungen zur
Verfügung gestellt wurde.
Zum anderen sollte der Sprengsatz einen möglichst großen Schaden anrichten. In einigen Fällen wurden
um die eigentliche Sprengladung herum Packungen mit Nägeln, Schrauben, Glassplittern o.ä. angebracht.
Gegebenenfalls wurden diese noch mit thermostabilen (meist anorganischen) Giften benetzt. Bei
detonationsschwächeren Ladungen (Brandbomben) wurden Zusätze von Magnesium- oder
Aluminiumkörnern, weißem Phosphor oder - wie z.B. im Vietnamkrieg – Napalm (KohlenwasserstoffGemisch mit organischen Aluminiumsalzen und Kautschuk zur Verdickung). Solche Bomben richten
grässliche Verletzungen an, sie kleben auf Haut und Kleidung, sind praktisch nicht löschbar und
verbrennen bei hoher Temperatur unter Bildung toxischer Rückstände. Neben diesen
„konventionellen“ Sprengsätzen war in letzter Zeit in den Medien von „schmutzigen Bomben“ die Rede.
Hierbei handelt es sich nicht etwa um kleine Atombomben sondern um „konventionelle“ Sprengladungen,
die mit radioaktivem Material versetzt sind. Dieser Zusatz könnte z.B. aus Kernkraftwerken oder
radioaktiven Zwischen- bzw. Endlagerstätten stammen. Es wäre vor allem der Einsatz von Abfällen und
Rohmaterial welches Uran 235 oder Plutonium 239 enthält, denkbar. Nach der Detonation würden große
Flächen mit den äußerst toxischen und radioaktiven Stoffen über viele Jahre verseucht sein. Bisher
wurden solche „schmutzigen Bomben“ noch nicht eingesetzt, sie haben außerdem den Nachteil, dass die
verseuchten Gebiete weder von Freund noch von Feind genutzt werden können.
Weitere Infos folgen in Kürze.
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