Trotyl – czym jest? Zastosowanie, właściwości, pozyskiwanie

Trotyl to popularny i znany wszystkim kruszący materiał wybuchowy, wynaleziony w roku 1863 roku przez niemieckiego chemika Juliusa Bernharda Friedricha Adolpha Wilbrand. Poznaj szczegółowe właściwości trotylu, jego zastosowanie oraz historię wynalezienia.

Definicja trotylu

Trotyl (ang. trinitrotoluene) – 2,4,6-trinitrotoluen – w skrócie TNT to organiczny związek chemiczny należący do grupy nitrozwiązków. Jest powszechnie wykorzystywany jako kruszący materiał wybuchowy. Temperatura topnienia trotylu wynosi 80,2 °C, podczas gdy temperatura jego rozkładu to 240.0 °C. Trotyl spala się wydzielając przy tym czarny, gryzący i toksyczny dla zdrowia dym. Trotyl praktycznie nie rozpuszcza się w wodzie (maksymalne stężenie trotylu w wodzie określa się na poziomie ok. 0,01%). Rozpuszcza się w benzenie i acetonie. W warunkach pokojowych trotyl przybiera postać kryształków o żółtawym kolorze.

Inne, oryginalne nazwy trotylu to:

• 2-Methyl-1,3,5-trinitrobenzene,
• 2,4,6-Trinitrotoluene,
• 2,4,6-Trinitromethylbenzene,
• 2,4,6-Trinitrotoluol,
• TNT, Tolite, Trilite, Trinitrotoluol, Trinol, Tritolo, Tritolol, Triton, Tritone, Trotol, Trotyl

Identyfikacja

Właściwości chemiczne

Historia

TNT został po raz pierwszy otrzymany w 1861 roku przez niemieckiego chemika Juliusa Wilbranda. Początkowo substancja ta była wykorzystywana jako żółty barwnik. Przez blisko trzydzieści lat nie dostrzeżono jej potencjału jako materiału wybuchowego, głównie dlatego, że była znacznie mniej wrażliwa na bodźce niż inne znane wówczas substancje wybuchowe. Właściwości wybuchowe TNT odkrył dopiero w 1891 roku inny niemiecki chemik, Carl Häussermann.

Niemieckie siły zbrojne zaczęły stosować TNT jako wypełnienie pocisków artyleryjskich w 1902 roku. Pociski przeciwpancerne wypełnione TNT eksplodowały dopiero po przebiciu pancerza brytyjskich okrętów, podczas gdy brytyjskie pociski wypełnione substancją Lyddite wybuchały już przy uderzeniu w pancerz, przez co znaczna część energii wybuchu była marnowana poza okrętem. W odpowiedzi na to Brytyjczycy od 1907 roku zaczęli stopniowo zastępować Lyddite materiałem TNT.

Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych przez pewien czas nadal używała substancji znanej jako explosive D do wypełniania pocisków przeciwpancernych, mimo że inne państwa przeszły już na TNT. Jednak w przypadku min morskich, bomb, bomb głębinowych i głowic torpedowych zaczęto używać ładunków wybuchowych z surowego TNT klasy B, który miał kolor brązowego cukru i wymagał dodatkowego ładunku inicjującego z krystalicznego TNT klasy A do skutecznej detonacji. Pociski o wysokiej sile rażenia wypełniano TNT klasy A, który z czasem stał się preferowany również do innych zastosowań, gdy przemysł chemiczny umożliwił usuwanie ksylenu i podobnych węglowodorów z surowca toluenowego oraz innych produktów ubocznych powstających podczas reakcji nitrowania.

Wytwarzanie

Przemysłowy proces wytwarzania trotylu, składa się z trzech etapów:

1. Nitrowanie toluenu, mieszaniną kwasu siarkowego i azotowego. W wyniku tego powstaje MNT (ang. mononitrotoluene).
2. Separacja MNT. Poprzez ponowne jego nitrowanie uzyskuje się DNT (ang. dinitrotoluene).
3. Nitrowanie DNT do TNT za pomocą bezwodnego połączenia kwasu azotowego z oleum (kwasu siarkowego dymiącego).

Podczas produkcji TNT, kwas azotowy zostaje w pełni wykorzystany. Z kolei rozcieńczony kwas siarkowy może zostać ponownie skoncentrowany i nadaje się do dalszego użycia. Po zakończonym procesie nitrowania TNT, następuje jego stabilizacja (ang. sulfitation). Polega to na tym, że czysty TNT traktowany jest wodnym roztworem siarczynu sodu (ang. sodium sulfite). Powoduje to usunięcie mało stabilnych izomerów TNT  oraz innych niepożądanych związków, powstałych w procesie produkcji. Woda pozostała po etapie stabilizacji TNT nosi miano tzw. czerwonej wody (ang. red water) i  jest to odpad poprodukcyjny.

W procesie wytwarzania TNT bardzo ważna jest stała kontrola tlenków azotów, ponieważ dwutlenek azotu może spowodować silne utlenianie grupy metylowej toluenu. To w konsekwencji wyzwala silną reakcję egzotermiczną i niesie za sobą ryzyko utracenia kontroli nad przebiegiem reakcji, prowadzące nawet do eksplozji.

Zastosowanie

Trotyl jest powszechnie znanym materiałem wybuchowym stosowanym na potrzeby wojskowe i przemysłowe – w tym przemyśle wydobywczym. Trotyl stosowany jest chociażby w procesie szczelinowania hydraulicznego, mającym na celu zwiększenie wydajności odwiertu.

TNT ceniony jest również za wysoką odporność na uderzenie i tarcie. Dzięki temu ryzyko przypadkowej detonacji jest w praktyce niewielkie (w przeciwieństwie do np. nitrogliceryny). Z racji tego, że trotyl topi się w temperaturze 80 °C, czyli sporo poniżej granicy samodetonacji, można go z powodzenie topić i łączyć z innymi materiałami wybuchowymi.

Ponadto trotyl nie pochłania, ani nie rozpuszcza się w wodzie, dzięki czemu może być z powodzeniem wykorzystywany w mocno zawilgoconym środowisku. W celu zdetonowania ładunku TNT wykorzystuje się tzw. wzmiacniacze wybuchu (ang. explosive booster), które powodują falę uderzeniową wywołującą jego zapłon i detonację. TNT można również zdetonować przy pomocy lontu detonującego, owijając cały ładunek przynajmniej dwukrotnie. Jako wypełniacz do min czy też korpusów pocisków, wykorzystywany jest trotyl w postaci płynnej lub prasowanej, np. trotyl łuskowany.

Bloki trotylu dostępne są w różnych rozmiarach i ciężarze, np. 250 g, 500 g, 1000 g. Przeważnie występuje w formie kostek o wadze 200 g oraz jako nabój wiertniczy o standardowej wadze 75 g. TNT znajdziemy także w postaci większych kostek o masie 1 kg oraz w formie cylindrycznych ładunków o wadze 5 i 8 kg.

Najczęściej trotyl wykorzystuje się w połączeniu z innymi materiałami wybuchowymi. Znajdziemy go w m.in. takich produktach jak:

• Amatex – zawierający 51% azotanu amonu, 40% TNT, 9% RDX);
• Amatol – kruszący materiał wybuchowy, składający się z saletry amonowej i trotylu;
• Amonal – materiał wybuchowy, skład: 8-30% trotyl, 47-78% azotan amonu, 7-25% proszek aluminiowy;
• Baratol – skład: 60% azotanu baru, 40% trotylu;
• Cyclotol (composition B) – skład: 64% heksogenu, 36% trotylu;
• H-6 (composition H6) – skład: 44% RDX, 29,5% trotylu, 21% sproszkowanego aluminium, 5% parafiny, 0,5% chlorku wapnia;
• Ednatol – żółty materiał wybuchowy, skład: 58% EDNA (ang. ethylenedinitramine), 42% trotylu;
• Hexanite – niemiecki materiał wybuchowy, mieszanina 60% trotylu i 40% HNDP (dipikryloaminy);
• Minol – jeden z rodzajów amonitów, skład: 40-48% trotylu, 36-42% azotan amonu, 10-20% sproszkowane aluminium;
• Oktol – skład: 70-75% oktogenu, 25-30% trotylu;
• Pentolite – skład: 50% trotylu, 50% PETN (pentaerythritol tetranitrate);
• Picratol – skład: 52% pikrynianu amonu, 48% trotylu;
• Tetrytol – skład: od 65 do 80% tetrylu, od 20 do 35% trotylu;
• Torpex (Torpedo Explosive) – skład: 50% RDX, 40% trotylu, 10% glinu;
• Tritonal – skład: 80% trotylu, 20% sproszkowanego aluminium.

Charakterystyka spalania

Podczas spalania trotylu, wytwarza się silna reakcja egzotermiczna (wytwarzają się spore ilości ciepła). Reakcja ta posiada wysoką energię aktywacji (~62 kcal/mol) w fazie gazowej. W przypadku bardziej skondensowanych faz reakcji (płynnej lub stałej), energia aktywacji pozostaje niższa, ok. 35 kcal/mol.

Podczas spalania trotylu uwalniane są spore ilości węgla – w tym toksyczne tlenki węgla CO₂, CO) oraz tlenki azotu (NO_x). Tym samym w efekcie eksplozji, widoczne jest spore osmolenie. Spora zawartość węgla sprawia również, że trotyl w połączeniu z materiałami bogatymi w tlen, uwalnia jeszcze więcej energii na 1 kilogram podczas wybuchu.

Trotyl może być detonowany za pomocą zapalników wysokich prędkości lub odpowiednio wysokiego wstrząsu. Przez wiele lat, trotyl był punktem odniesienia dla odwrotnej skali miary czułości wybuchowej dla danej substancji (ang. figure of fnsensitivity). Trotyll przybierał wtedy wartość równą 100 F w skali „I”. Obecnie punktem odniesienia dla tej skali stał się bardziej czuły heksogen (RDX), który przybrał wartość 80 F w skali „I”.

Czym jest równoważnik trotylowy?

Aktualnie siłę wybuchu jądrowych mierzy się w tonach trotylu, która jest ekwiwalentem dla danej eksplozji. Jest to tzw. równoważnik trotylowy wybuchu jądrowego, według którego 1 t TNT = 10⁹ cal = 4,184×10⁹ J.

Poniżej przykładowe wartości siły wybuchu najpopularniejszych bomb jądrowych:

• Little Boy – 15 kiloton
• Ivy Mike – 10,4 megaton
• Castle Romeo – 11 megaton
• Castle Bravo – 15 megaton
• Car-bomba – 50 megaton

Sposoby wykrywania

Obecnie stosuje się różne sposoby wykrywania TNT, wliczając to czujniki optyczne i elektrochemiczne, a także specjalnie szkolone psy, które wrażliwe są na zapach materiałów wybuchowych.

Szkodliwość i wpływ na zdrowie

Trotyl jest substancją toksyczną. W kontakcie ze skórą wywołuje podrażnienie i zmianę koloru skóry na żółto-pomarańczową. Podczas I Wojny Światowej kobiety, które pracowały w brytyjskich fabrykach broni i miały styczność z tego typu chemikaliami, często skarżyły się na powstawanie widocznych zmian skórnych, przypominających kolorem pióra kanarków (żółtawo-pomarańczowe). Stąd też wzięła się nazwa tej społeczności – „Canary Girls„, czyli w wolnym tłumaczeniu kanarkowe kobiety.

Osoby, które przed dłuższy czas narażone były na kontakt z trotylem, przejawiały objawy anemii i choroby wątroby. Podobne dolegliwości – w tym osłabienie układu odpornościowego – stwierdzono również u zwierząt, narażonych na bliski kontakt z trotylem. Pojawiły się również dowody na to, że TNT powoduje zmniejszenie płodności u kobiet. Uważa się również, że trotyl działa rakotwórczo na organizm człowieka, czego miały dowieść badania prowadzone na szczurach.

Konsumpcja trotylu powoduje zmianę koloru moczu na czerwony, co ma związek z produktami rozkładu tej substancji. Wcześniej uważano, że jest to spowodowane wysoką zawartością krwi w wydalanym moczu.

Poligony wojskowe, na których przeprowadzano testy materiałów wybuchowych zawierających trotyl, bardzo często ulegały skażeniu. Spływające wody gruntowe  tych okolic bardzo często przybierały barwę różową (ang. pink water). Skutki skażenia gleby trotylem są bardzo trudne do usunięcia.

Różowa i czerwona woda

Różowa i czerwona woda to dwa różne rodzaje ścieków związanych z trójnitrotoluenem (TNT). Różowa woda powstaje podczas mycia urządzeń po napełnianiu amunicji lub po operacjach rozbrajania, dlatego zazwyczaj zawiera maksymalną ilość TNT, jaką można rozpuścić w wodzie, czyli około 150 części na milion (ppm). Skład tej wody nie jest stały i zależy od konkretnego procesu technologicznego. Może ona zawierać także inne substancje, na przykład cyklotrimetylenotrinitraminę (RDX), jeśli w zakładzie stosuje się mieszanki TNT/RDX, lub HMX, gdy wykorzystywane są mieszanki TNT/HMX.

Czerwona woda, nazywana także „wodą sellitową”, powstaje podczas oczyszczania surowego TNT. Jej skład jest bardzo złożony i zawiera ponad kilkanaście związków aromatycznych. Głównymi składnikami są jednak sole nieorganiczne, takie jak siarczan sodu, siarczyn sodu, azotyn sodu i azotan sodu, a także sulfonowane nitroaromaty.

W chwili powstania zarówno różowa, jak i czerwona woda są bezbarwne. Kolor pojawia się dopiero w wyniku reakcji fotolitycznych pod wpływem światła słonecznego. Mimo nazw, odcień tych ścieków nie zawsze odpowiada nazwie – barwa zależy przede wszystkim od tego, jak długo były wystawione na działanie słońca. Woda różowa może z czasem przybierać różne kolory: od jasnoróżowego, przez czerwony, rdzawo-pomarańczowy, aż po czarny.

Ze względu na toksyczność TNT, w Stanach Zjednoczonych i wielu innych krajach już od wielu lat zabronione jest odprowadzanie różowej wody do środowiska. Jednak w bardzo starych zakładach może nadal występować zanieczyszczenie gruntu. Zanieczyszczenia RDX i tetrylem uważa się jednak za bardziej niebezpieczne, ponieważ TNT słabo przemieszcza się w glebie. Czerwona woda jest znacznie bardziej toksyczna i od zawsze traktowana była jako odpad niebezpieczny. Tradycyjnie pozbywano się jej przez odparowanie do sucha, ponieważ toksyczne składniki nie są lotne, a następnie spalano pozostałości. Przeprowadzono wiele badań, aby znaleźć skuteczniejsze metody unieszkodliwiania tych ścieków.

Zagrożenia i oznakowanie

Trotyl to silny ładunek wybuchowy, a zatem istnieje realne zagrożenie wybuchem na skutek uderzenia, tarcia lub oddziaływania ognia. O ile spalanie trotylu na wolnym powietrzu i w niewielkich ilościach przebiega spokojnie, tak spalanie w zamkniętej przestrzeni przebiega wybuchowo.

Elementy oznakowania trotylu

H201 Materiał wybuchowy; zagrożenie wybuchem masowym.
H301+H311+H331 Działa toksycznie po połknięciu, w kontakcie ze skórą lub w następstwie wdychania.
H361d Podejrzewa się, że działa szkodliwie na dziecko w łonie matki.
H373 Może powodować uszkodzenie narządów (tj. wątroba, oczy, układ nerwowy, układ krwionośny) poprzez długotrwałe lub narażenie powtarzane.
H411 Działa toksycznie na organizmy wodne, powodując długotrwałe skutki.
P210 Przechowywać z dala od źródeł ciepła, gorących powierzchni, źródeł iskrzenia, otwartego ognia i innych źródeł zapłonu. Nie palić.
P273 Unikać uwolnienia do środowiska.
P370+P372+P380+P373 W przypadku pożaru: Zagrożenie wybuchem. Ewakuować teren. NIE gasić pożaru, jeżeli ogień dosięgnie materiały
wybuchowe.
P312 W przypadku złego samopoczucia skontaktować się z OŚRODKIEM ZATRUĆ/lekarzem. P501 Zawartość/pojemnik usuwać do uprawnionego odbiorcy.

Pierwsza pomoc

Inhalacja – w przypadku dostania się trotylu do dróg oddechowych, należy bezzwłocznie wynieść poszkodowanego na świeże powietrze i zapewnić osobie swobodne oddychanie. W przypadku depresji oddechowej, zalecane jest podawanie tlenu aż do momentu powrotu prawidłowej akcji oddechowej. Jeżeli będzie to konieczne – przeprowadzić sztuczne oddychanie i wybrać numer alarmowy.

Kontakt ze skórą – skórę należy delikatnie przemyć dużą ilością wody z mydłem. Dodatkowo należy zdjąć całą odzież, która uległa zanieczyszczeniu i dokładnie ją wyprać przez ponownym użyciem.

Kontakt z oczami – natychmiast rozpocząć przemywanie oczu dużą ilością czystej wody i płukać przez co najmniej 15 minut. Zanieczyszczenie oka trotylem wywołuje zaczerwienienie spojówki, łzawienie, ból, a w skrajnych sytuacjach nawet uszkodzenie rogówki. Jeżeli objawy nie ustępuję po przepłukaniu oczu, należy natychmiast zasięgnąć porady lekarza.

Połknięcie – w przypadku połknięcia trotylu należy natychmiast podać osobie narażonej dużą ilość wody lub wody z dodatkiem węgla aktywnego. Następnie koniecznie jest jak najszybsze opróżnienie zawartości żołądka poprzez sprowokowanie wymiotów. W żadnym wypadku nie należy podawać mleka lub alkoholu.

FAQ – Pytania i odpowiedzi