Keemiline plahvatus

Keemiline plahvatus on keemilise reaktsiooniga kaasnev ülikiire energia vabanemine, mis põhjustab plahvatuse. Aine ja tema oleku ülikiire muutumine koos temperatuuri ja ruumala ülikiire kasvuga põhjustavad lööklaine.

Ebastabiilse süsteemi plahvatuse põhjustab ülikiire energia eraldumine süsteemi kogu massis ja selle vallandab mingi energia impulss, kas leek, elektrisäde, mehaaniline löök või muu. Tavaliselt põhjustab tugevajõulise plahvatuse radikaalne ahelreaktsioon (lagunemine, põlemine) süsteemi kogu massis, kusjuures esineb kogu massi ruumala järsk suurenemine suure hulga kuumade gaasiliste saaduste tekke tulemusena. Seega reeglina keemilise plahvatuse korral on iseloomulik ülikiire ahelreaktsioon kuumade gaasiliste saaduste moodustumisega piisava hulga süsteemisisese oksüdeerija osalusel.

Plahvatusohtliku süsteemi olemuse põhjal võib välja tuua olulisemad keemilise plahvatuse tüübid:

1. Ebapüsivad keemilised ühendid lagunevad väga kergesti plahvatusega

• mitmete lõhkeainete lagunemine gaasilisteks oksiidideks aine enda koostises oleva hapniku (süsteemisisese hapniku) arvel. Keemilise reaktsiooni käigus aset leidev detonatsioon saab toimuda ainult lõhkeaine koostises oleva hapniku arvel, sest protsess on väga kiire ja õhuhapniku juurdevool väljastpoolt (difusioon) on aeglane ning tühine. Näiteks nitroglütseriin (täpsemini trinitroglütseriin, molekulivalem C₃H₅N₃O₉), trinitrotolueen ehk TNT (C₆H₂(NO₂)₃CH₃), nitrotselluloos, atsetoonperoksiid on kergesti detoneerivad lõhkeained;
• orgaanilised peroksiidid lagunevad plahvatuslikult soojendamisel. Tahked peroksiidid (näiteks bensoüülperoksiid) võivad plahvatada kuumutamisel, löögi või hõõrdumise toimel. Oht esineb ka pikemat aega valguse käes seisnud eetrite (dietüüleeter, tetrahüdrofuraan) korral, kuna need võivad moodustada hapniku osalusel vastavaid peroksiide. Seetõttu tuleb pikemat aega seisnud eetrite destillatsioonil olla väga ettevaatlik, eelnevalt kontrollida peroksiidide võimalikku sisaldust ja mitte destilleerida lõpuni.

2. Põlevainete ja tugevate oksüdeerijate (näiteks nitraadid, kloraadid või perkloraadid, mis on hapniku doonorid) segude plahvatuspõlemise tulemusel moodustuvad kuumad gaasilised oksiidid.

• pürotehnilised segud nagu must püssirohi (kaaliumnitraat, puusüsi ja väävel) või ammonaal (ammooniumnitraat ja alumiiniumipulber); ka tuletikud. Oksülikviidid on vedela hapnikuga immutatud põlevained (tahm, alumiiniumipulber, puidujahu); neid kasutatakse lõhkeainetena ja nende eeliseks on see, et kui nad ei lõhke, siis hapnik aja jooksul aurab ära ja plahvatusoht kaob
• raketikütused on enamasti tahke või vedela põlevaine ja tugeva oksüdeerija mitmesugused segud, mille põlemisgaaside suure rõhu all väljumine mootorist tekitab reaktiivjõu

3. Kergesti lenduva vedeliku aurude või tahke põleva aine peene tolmu ja õhuhapniku (süsteemisisene hapnik) segu plahvatuslik põlema süttimine sädemest või leegist. Kõige ägedam plahvatus toimub, kui aine ja hapniku vahekord on ligilähedane ekvivalentsuhtele, kuigi plahvatusohtlik suhe võib muutuda üsna laiades piirides

• ohtlikud on pooltühjad või peaaegu tühjad bensiini või muu lenduva vedeliku hoidmiseks kasutatud nõud ja mahutid;
• plahvatusoht esineb, kui õhus on palju kivisöe-, puidu- või teraviljatolmu;
• plahvatusmootor ehk sisepõlemismootor on kindlalt reguleeritud töötsükliga jõumasin, milles kütuse ja õhu segu plahvatuslik põlemine toimub kinnises muudetava mahuga kambris.

4. Kergesti süttivate gaaside ja (õhu)hapniku segu plahvatuslikul põlemisel moodustuvad külmadest põlevatest gaasidest kuumad gaasilised oksiidid. Eriti ohtlik on hapnikurikas keskkond. Vastavalt Avogadro seadusele on gaaside moolruumalad sarnastes tingimustes võrdsed. Reaktsiooni stöhhiomeetria mõju võib puududa, aga see võib olla ka positiivne või negatiivne. Oluline tegur on gaaside järsk soojuspaisumine

• paukgaasi – vesiniku ja hapniku segu plahvatusel 2 mooli H₂ + 1 mool O₂ annab 2 mooli veeauru. Siin "teeb pauku" temperatuuri järsk tõus ja sellest tulenev gaaside järsk paisumine. Vesinik on plahvatusohtlik, kui seda on õhus 4–74 mahuprotsenti;
• kivisöekaevandustes tekkiv kaevandusgaas, mis on kergesti süttivate gaaside segu (põhikomponent on metaan) on plahvatusohtlik, kui seda on õhus 4–16 mahuprotsenti. Kaevandusgaasi plahvatuslik põlemine (oluline tegur on soojuspaisumine) võib vallandada hoopis suurema purustusjõuga söetolmu plahvatuse;
• õnnetusi on esinenud majapidamisgaasi (enamasti metaani) ja balloonigaasi (propaani ja butaani segu) lekkimisel ruumi.

5. Soojusplahvatus on süsteemisisesest kiirest temperatuuri tõusust tulenev vedeliku (kergeltkeeva lahusti või reagendi) plahvatuslik üleminek gaasifaasi. Reaktsioonisegu temperatuuri tõus kiirendab protsessi veelgi

• kergesti väljuvad kontrolli alt eksotermilised ahelreaktsioonid katalüsaatori üledoosi korral ja tulemuseks on soojusplahvatus;
• soojusplahvatus võib esineda ka ilma ahelmehhanismita kulgeva eksotermilise reaktsiooni korral, kui reaktori jahutamine pole piisav, võib segu "keema plahvatada";
• tuleohutusest on teada, et vett ei tohi kallata pannil põlevale rasvale, sest kokkupuutel väga kuuma rasvaga "plahvatab" vesi keema ja pritsib ka põleva rasva laiali (pannile pane potikaas!).

Keemilise plahvatuse reaktsioonides, mille vallandab mingi initsiaator, on enamasti tegu hapniku osalusel moodustuvate gaasiliste oksiidide tekkega kiiresti kulgevas ahelreaktsioonis. Seejuures täieliku oksüdatsiooni (põlemise) kõrval esineb ka mittetäielik oksüdatsioon, näiteks nii CO₂ ja NO₂ kui ka CO ja NO moodustumine. Põhimõtteliselt võivad osaleda ka mittehapnikupõhised oksüdeerijad. Plahvatus saab võimalikuks, kui oksüdeerija on süsteemisisene, sest selle juurdevool väljastpoolt (difusioon) on aeglane protsess.