Czarny proch – poznaj jego skład, zastosowanie i historię

Czarny proch – poznaj jego skład, zastosowanie i historię

Produkcja

Czarny proch wykorzystywany był niegdyś do celów militarnych, m.in. w armatach i do produkcji bomb zapalających, miotanych przy pomocy katapult. Produkcja czarnego prochu trwa do dzisiaj, ponieważ nadal znajduje on zastosowanie w wielu gałęziach gospodarki. Sprawdźmy zatem, z czego pozyskuje się czarny proch, co zawiera oraz jakie ma właściwości. Przedstawimy również krótką historię jego powstania i stosowania w sprzęcie wojskowym.

Definicja

Czarny proch (ang. gunpowder, black powder) to pierwsza znana ludzkości miotająca mieszanina pirotechniczna wynaleziona w IX wieku w Chinach. Aż do połowy XIX wieku był to praktycznie jedyny wykorzystywany rodzaj prochu. Pierwszy raz został użyty na polu bitwy w roku ok. 904. Został rozpowszechniony na terenie Europy i Azji pod koniec 13. stulecia.

Nowszą wersją tego rodzaju materiału pirotechnicznego jest proch bezdymny. Czarny proch został już niemal całkowicie wyparty przez bardziej wydajne i bezpieczniejsze w produkcji substancje, takie jak np. trotyl, dynamit czy ANFO (ang. Ammonium Nitrate Fuel Oil) – inaczej saletrol. Niemniej jednak dalej wykorzystywany jest m.in. do produkcji sztucznych ogni, a także w replikach broni czarnoprochowej (najczęściej odprzodowej) i jako paliwo do silników rakiet modelarskich.

Z racji niskiej prędkości dekompozycji oraz względnie niskiej kruszności, czarny proch klasyfikowany jest za materiał o niskiej wybuchowości. Zapłon czarnego prochu w lufie armatniej generuje wystarczającą ilość energii do wypchnięcia kuli (pocisku) i jednocześnie jest na tyle bezpieczny, aby nie spowodować uszkodzeń w strukturze samego działa. Czarny proch dobrze sprawdzał się w roli armatniego ładunku wybuchowego, ale nie był już tak doskonały podczas kruszenia skał czy fortyfikacji. Wynika to bezpośrednio z jego zdolności wybuchowej.

Historia

Pierwsze wzmianki o materiale zbliżonym do czarnego prochu pochodzą z Chin, z okresu IX wieku i za czasu panowania dynastii Tang. Pierwsza formuła opisująca czarny proch została zawarta w tekście “Taishang Shengzu Jindan Mijue” (太上聖祖金丹秘訣) w roku 808. 50 lat później kolejna wzmianka o substancji przypominającej czarny proch pojawiła się w tekście alchemicznym taoistów pod nazwą “Zhenyuan miaodao yaolüe” (真元妙道要略).

Według “Taishang Shengzu Jindan Mijue” aby stworzyć wybuchowy materiał na kształt współcześnie znanego czarnego prochu, należało wziąć 6 części siarki, 6 części saletry potasowej oraz 1 część kokornaka (z ang. birthwort herb). Jak donosi z kolei “Zhenyuan miaodao yaolüe“, niektórzy podgrzewali razem saletrę potasową, realgar (minerał z gromady siarczków) oraz siarkę i wszystko to łączyli razem z miodem. To skutkowało pojawieniem się ogromnej ilości dymu i płomienia, co skończyło się pożarem całego domu. Z tego powodu uznaje się, że czarny proch powstał na skutek przypadkowych eksperymentów, które miały na celu poszukiwanie tzw. eliksiru życia. Ciekawostką jest to, że tego typu materiał doczekał się również swojej osobliwej nazwy w jęz. chińskim: huoyao (火药/火藥), co oznacza w wolnym tłumaczeniu: “ogniste lekarstwo” (z ang. fire medicine).

Saletra potasowa znana była chińczykom już w połowie pierwszego stulecia naszej ery i była produkowana w trzech prowincjach: Sichuan, Shanxi, oraz Shandong. Już w roku 492 teksty alchemiczne głosiły, że saletra potasowa spala się purpurowym płomieniem. To pozwoliło w późniejszym czasie odróżnić ten związek od pozostałych soli nieorganicznych. Cecha ta sprawiła również, że zaczęto udoskonalać techniki oczyszczania saletry.

Pierwsza znana receptura na uzyskanie czarnego prochu została opisana w XI wieku, w czasie rządów dynastii Song. Odkryto ją w piśmie pt. “Wujing Zongyao“, które przypominało swego rodzaju kompendium wiedzy militarnej. Jego autorem był Zeng Gongliang – naukowiec dynastii Song, który sporządził owe kompendium w latach 1040-1044. “Wujing Zongyao” przedstawiało dosyć szczegółową, wręcz encyklopedyczną wiedzę na temat różnych receptur tworzenia czarnego prochu, wliczając w to zastosowanie petrochemikaliów, miodu oraz czosnku. Niemniej jednak receptury zawarte w tej książce nie uwzględniały wystarczającej ilości saletry, aby uzyskać mieszaninę wybuchową (poniżej 50% całej masy). Tym samym ówczesny czarny proch wykorzystywany był do produkcji bomb zapalających.

Skład i właściwości chemiczne

Czarny proch składa się z siarki, węgla drzewnego i azotanu potasu (inaczej saletra potasowa lub saletra indyjska). Optymalne proporcje składników czarnego prochu to:

  • saletra potasowa – 74,64%;
  • węgiel drzewny – 13,51%;
  • siarka – 11,85%.

Trzeba tutaj zaznaczyć, że alternatywą dla saletry potasowej może być tańszy w zakupie azotan sodu (ang. sodium nitrate). Aczkolwiek jest on jednocześnie bardziej higroskopijny w porównaniu do saletry potasowej. Oba te składniki dostarczają niezbędny do zainicjowania zapłonu mieszanki tlen.

Najmocniejszy czarny proch powstaje przy użyciu węgla drzewnego zmielonego na pył. Najczęściej za składnik ten obiera się szakłak, ogorzałkę wełnistą (tzw. balsę) oraz wierzbę. W procesie produkcji czarnego prochu kluczowe jest staranne wymieszanie wszystkich składników.

Z powodów bezpieczeństwa często wykonuje się to dwuetapowo – następuje zmieszanie osobno saletry z siarką oraz siarki z węglem drzewnym. Z uwagi na ryzyko pojawienia się iskry np. na skutek wyładowania elektrostatycznego, w ostatecznym rozdrabnianiu i mieszaniu wszystkich składników razem, wykorzystuje się nieiskrzące młyny kulowe. W nowoczesnym procesie produkcyjnym, granulki z czarnego prochu pokrywa się dodatkowo cienką warstwą grafitu. Takie działanie ma zminimalizować ryzyko nagromadzenia się ładunku elektrostatycznego.

Proporcje czarnego prochu mogą ulegać modyfikacjom, dzięki czemu uzyskuje się produkt o różnych właściwościach. To pozwala dostosować go np. pod wymagania broni palnej. Dla przykładu czarny proch produkowany w 1879 roku we Francji składał się w 75% z saletry, 12,5% węgla drzewnego oraz w 12,5% z siarki. Z kolei proch stosowany w tym samym okresie przez Imperium Brytyjskie w wojnie przeciwko Królestwu Zulu, składał się w 75% z saletry, 15% węgla drzewnego i 10% siarki. Z kolei brytyjskie race kongrewskie (wczesna forma broni rakietowej) wykorzystywały do miotania pocisków mieszanki składającej się z 62,5% saletry, 23,2% węgla drzewnego oraz 14,4% siarki.

Rok wynalezienia ok. 800 (okres dynastii Tang (618–907 r.)
Miejsce wynalezienia Chiny
Energia wybuchu 2,8 MJ/kg
Zdolność krusząca 30 cm³ Pb na 10 g
Prędkość deflagracji (rozkładu) 0,4 km/s
Gęstość odpowiadająca Vdef 1,1 g/cm³
Objętość produktów gazowych 280 dm³/kg
Temperatura podczas wybuchu 2200 °C

Spalanie

Czarny proch nie ulega spalaniu detonacyjnemu, ale ulega deflargacji (bardzo szybko się spala). Ta cecha idealnie wpisywała się w potrzeby wojskowego sprzętu strzelniczego. Materiał ten generował na tyle dużo energii, aby ze sporą prędkością wypchnąć pocisk znajdujący się w lufie, a jednocześnie był bezpieczny dla samego działa oraz jego operatora. Niemniej jednak wystrzał z broni czarnoprochowej dalej wytwarza odrzut.

Na skutek spalania czarnego prochu powstaje w przybliżeniu :

  • 55,91% produktów stałych – węglan potasu, siarczan potasu, siarczek potasu, siarka, azotan potasu, węgiel, węglan amonu;
  • 42,98% produktów gazowych – dwutlenek węgla, azot, tlenek węgla, siarkowodór, wodór, metan;
  • 1,11% wody.

Z racji rozbieżności w składzie węgla drzewnego (gatunek, czas i temperatura wypalania), ciężko przytoczyć dokładnie równanie spalania czarnego prochu. Ponadto samo spalanie czarnego prochu nie przebiega jednoetapowo, co dodatkowo utrudnia jednoznacznie określić produkty tej reakcji.

Wydajność energetyczna

Wydajność energetyczna czarnego prochu nie jest zbyt wysoka, co skłoniło chemików do poszukiwania lepszych rozwiązań. Z 1 kilograma czarnego prochu można uzyskać 2,8 MJ (megadżula) energii. Dla porównania trotyl o tej samej objętości dostarcza 4,7 MJ energii, a benzyna aż 47,2 MJ (wliczając w to konieczność obecności utleniacza, wydajność benzyny spada do 10,4 MJ/kg). Ponadto energia pozyskiwana ze spalania czarnego prochu cechuje się niską gęstością w porównaniu do nowszych prochów strzelniczych.

Aby doszło do zapłonu mieszanki czarnego prochu, nie ma konieczności dostarczania tlenu z zewnątrz. Spala się również szybciej pod wysokim ciśnieniem. To sprawia, że czarny proch sprawdza się podczas wystrzeliwania pocisków dużego kalibru, granatów czy bomb rurowych.

Wady stosowania

Z racji tego, że większa część czarnego prochu zamienia się w cząsteczki stałe, a część z nich dodatkowo jest wystrzeliwana zmniejszając siłę napędową, operatorzy armat czy innej broni strzelniczej odczuwali pewien dyskomfort. Przede wszystkim dlatego, że każdy wystrzał z wykorzystaniem czarnego prochu demaskował ich pozycję strzelecką.

Ponadto pojawiająca się mgła skutecznie utrudniała widoczność strzelcom. Co gorsza, niekiedy wystrzał zostawiał po sobie sporą ilość sadzy w lufie. To powodowało m.in. zacinanie się broni samopowtarzalnej i problemy z oddaniem kolejnego strzału. Gdyby tego było mało, osad ten posiadał właściwości higroskopijne (wiążące wodę), co w dłuższej perspektywie przyczyniało się do korozji metalowych elementów broni. W konsekwencji stosowanie czarnego prochu w działach armatnich czy innej broni, wymagało regularnego czyszczenia lufy z nagromadzonej wewnątrz sadzy.

Granulowany czarny proch – klasy

Czarny proch bardzo często poddawany jest procesowi granulacji. W procesie tym najpierw prasuje się proch do wstępnie ustalonej gęstości 1,7 g/cm³, a następnie łamie się na małe kawałki. Poprzez sortowanie ziaren czarnego prochu, możemy wyróżnić różne jego klasy. Jest to m.in.:

  • Klasa Fg –bardzo gruba i wykorzystywana m.in. w karabinach, strzelbach i działach czarnoprochowych;
  • Klasa FFg – średniej wielkości granulat, stosowany w broniach średnio i małokalibrowych;
  • Klasa FFFg – mniejszy granulat, wykorzystywany jako proch w pistoletach;
  • Klasa FFFFg – najmniejszy granulat czarnego prochu, stosowany np. w krótkich pistoletach.

Czarny proch współcześnie

Obecnie produkcja czarnego prochu odbywa się w oparciu o sprawdzoną recepturę pochodzącą jeszcze z roku 1780. Jest to standard w procesie wytwarzania tego materiału wybuchowego. Według schematu z tego okresu, współczesny czarny proch składa się wagowo z 75% azotanu potasu, 15% miękkiego węgla drzewnego oraz 10% siarki. Jest to wynikiem setek lat badań i doświadczeń, które dowiodły, że właśnie takie proporcje użyte do produkcji czarnego prochu nadają mu najbardziej pożądane właściwości.

Czarny proch wykorzystywany w przemyśle wydobywczym (np. w kopalniach) ma nieco inny skład. Jest to tzw. blasting powder, czyli proch wybuchowy i składa się w 70% z azotanu potasu, w 14% z węgla drzewnego oraz w 16% z siarki. Tego rodzaju proch może być również złożony z azotanu sodu, co jednocześnie zmienia jego proporcje (40% azotanu sodu, 30% węgla drzewnego i 30% siarki).

 

Redaktor naczelny w serwisie Joblife.pl

Grafik 3D, fotograf, podróżnik. Miłośnik pisania wierszy, opowieści, artykułów publicystycznych. Pasjonat astronomii i wycieczek górskich. Ponad 10 lat doświadczenia w działaniach marketingowych.

0 komentarzy
Inline Feedbacks
Zobacz wszystkie komentarze