Nitrogliceryna była pierwszym wyprodukowanym materiałem wybuchowym, który okazał się mocniejszy niż czarny proch. Nitroglicerynę uzyskano w roku 1847 roku podczas badań na Uniwersytecie Turyńskim we Włoszech. Poznaj dokładnie zastosowanie oraz właściwości nitrogliceryny. Sprawdź, w których gałęziach przemysłu jest wykorzystywana oraz dlaczego znalazła zastosowanie w medycynie.
Definicja
Nitrogliceryna (ang. nitroglycerin) to organiczny związek chemiczny, który należy do grupy azotanów. Jest to ester kwasu azotowego i glicerolu. Wzór chemiczny nitrogliceryny to C3H5(ONO2)3. Nitrogliceryna wykorzystywana jest głównie jako materiał wybuchowy o sporej wrażliwości na uderzenia oraz w medycynie jako lek z grupy nitratów, którego celem jest rozszerzanie naczyń krwionośnych (głównie żylnych).
Właściwości
Nitrogliceryna znana również jako TNG (ang. trinitroglycerin) to gęsta, bezbarwna, tłusta ciecz wybuchowa. Detonuje z prędkością 8–8,5 tys. m/s. Jest bardzo wrażliwa na wszelkiego rodzaju uderzenia. Do detonacji nitrogliceryny wystarczy upuszczenie na nią ciężarka o wadze 2 kg z wysokości 4 cm. Według niektórych badań substancja ta wykazuje jeszcze większą wrażliwość na uderzenie i może detonować nawet po zrzuceniu ciężarka o masie 1 kg z wysokości 2 cm.
Tak skrajnie niska stabilność sprawia, że transport nitrogliceryny jest bardzo utrudniony i niebezpieczny. W formie nierozcieńczonej stanowi najbardziej wybuchowy związek znany ludzkości, nawet w porównaniu z niedawno odkrytym heksogenem (RDX) czy też pentrytem (PETN).
W swojej wczesnej historii nitrogliceryna była dodatkowo stabilizowana w procesie zwanym flegmatyzacją, co miało podnosić jej odporność na uderzenia mechaniczne. W tym celu mrożono ją do temperatury poniżej zakresu od 7 do 13 °C (w zależności od jej czystości). Niestety flegmatyzacja nie dawała w pełni oczekiwanych rezultatów i konsekwencji schłodzona nitrogliceryna była co prawda bardziej odporna na uderzenia, ale jednocześnie stawała się wrażliwsza na łamanie, zgniatanie itp. Zamrożona nitrogliceryna jest mniej energetyczna, niż w stanie ciekłym. Z tego powodu przed jej użyciem, należało ją wcześniej rozmrozić. Niestety sam proces rozmrażania gliceryny stwarzał ogromne zagrożenie wybuchem, co mogło nastąpić w przypadku szybko podgrzewających się zanieczyszczeń obecnych w nitroglicerynie.
Obecnie chemiczna desensytyzacja nitrogliceryny (np. przy pomocy etanolu, acetonu lub DNT) pozwala uzyskać względnie bezpieczny i stabilny materiał wybuchowy, zbliżony do powszechnie wykorzystywanych substancji tego typu.
Identyfikacja
| Numer CAS | 55-63-0 |
| ChEBI | CHEBI:28787 |
| ChEMBL | ChEMBL730 |
| ChemSpider | 4354 |
| DrugBank | DB00727 |
| ECHA InfoCard | 100.000.219 |
| Numer EC | 200-240-8 |
| Numer KEGG | D00515 |
| PubChem | 4510 |
| UNII | G59M7S0WS3 |
Właściwości fizyczno-chemiczne
| Wzór chemiczny | C3H5N3O9 |
| Masa molowa | 227.085 g·mol−1 |
| Wygląd | Bezbarwna, oleista ciecz |
| Gęstość | 1,6 g/cm3 (w temp. 15 °C) |
| Temperatura topnienia | 14 °C |
| Temperatura wrzenia (wybuchu) | 50 °C |
| Rozpuszczalność w wodzie | Słaba |
| Rozpuszczalność w innych cieczach | Aceton, eter, benzen, alkohol |
| Wrażliwość na uderzenie | Wysoka |
| Wrażliwość na tarcie | Wysoka |
| Prędkość detonacji | 8–8,5 tys. m/s |
Wytwarzanie
Nitrogliceryna otrzymywana jest poprzez estryfikację gliceryny mieszaniną nitrującą. Przemysłowy proces wytwarzania nitrogliceryny często opiera się na reakcji glicerolu z mieszaniną kwasu siarkowego i azotowego w proporcjach zbliżonych do 1:1. W tym celu wykorzystuje się mieszaninę kwasu azotowego dymiącego (ang. white fuming nitric acid) oraz kwasu siarkowego.
W procesie produkcji nitrogliceryny kluczowym momentem jest dodawanie do mieszaniny kwasów – glicerolu, który wywołuje reakcję egzotermiczną.
Detonacja
Nitrogliceryna i pozostałe rozpuszczalniki na jej bazie mogą całości się wypalać (deflagrować). Moc wybuchowa nitrogliceryny pochodzi bezpośrednio z energii samej detonacji – siła początkowej dekompozycji wytwarza falę wysokiego ciśnienia, która detonuje otaczające ją paliwo. Ta samo podtrzymująca się fala uderzeniowa, rozprzestrzenia się w ośrodku wybuchowym z prędkością 30 razy większą niż prędkość dźwięku.
Sama detonacja nitrogliceryny powoduje wytworzenie sporej ilości gazów, które zwiększają swoją objętość 1200 razy. Spalanie nitrogliceryny wytwarza również ogromne ilości ciepła i powoduje wzrost temperatury do temp. ok. 5000 °C. Taka dekompozycja skutkuje o wiele wyższym współczynnikiem energii do masy molowej gazów, w porównaniu do innych materiałów wybuchowych. To sprawia, że nitrogliceryna osiąga jedne z najwyższych temperatur w procesie detonacji.
Zastosowanie militarne
Głównym zastosowaniem nitrogliceryny pod kątem wagowym jest wytwarzanie przy jej pomocy silnych materiałów wybuchowych (np. dynamitu). Alfred Nobel wynalazł zastosowanie dla nitrogliceryny jako materiału burzącego, łącząc ją z neutralnymi absorbentami (częściowo z ziemią okrzemkową). Nazwał go dynamitem i opatentował w 1867 roku.
Dynamit przybierał formę wygodnych w użyciu pałeczek, osobno zawiniętych w wodoodporny papier. Zarówno dynamit, jak i jego pochodne materiały wybuchowe, zostały szeroko zaadoptowane na potrzeby inżynierii cywilnej, takie jak wykonywanie tuneli drogowych i kolejowych, w kopalniach do kruszenia skał, oczyszczania pól uprawnych oraz do wyburzania budynków. Nitrogliceryna to również składnik prochu strzelniczego.
Kolejny, cywilnym zastosowaniem nitrogliceryny jest jej wykorzystanie w połączeniu z procesem zwanym szczelinowaniem hydraulicznym. Ma on na celu zwiększenie wydajności odwiertu (naftowego lub gazu ziemnego), czego dokonuje się poprzez wtłoczenie do odwiertu płynu szczelinującego, składającego się z wody, dodatków chemicznych oraz piasku. Dodatkowo wykorzystuje się wtedy nitroglicerynę, którą aplikuje się i detonuje w naturalnie lub hydraulicznie wydrążonych pęknięciach. Drugim sposobem jest zastosowanie nitrogliceryny i jej detonacja również w pęknięciach wywołanych hydraulicznie, ale poprzedzonych strzałami z lasek trotylu.
Sporą zaletą nitrogliceryny nad pozostałymi materiałami wybuchowymi jest to, że jej detonacja nie pozostawia widocznego dymu. Tym samym nitrogliceryna jest doskonałą bazą do tworzenia różnego rodzaju bezdymnego prochu strzelniczego.
Niestety wysoka wrażliwość nitrogliceryny sprawia, że jest użyteczność w przemyśle wojskowym jest dosyć mocno ograniczona. Z powodzeniem zastępują ją inne materiały wybuchowe, takie jak trotyl, RDX oraz HMX (oktogen). Niemniej jednak nitrogliceryna dalej znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach inżynierii wojskowej, a sam dynamit powszechnie wykorzystuje się w wielu działaniach militarnych.
Zastosowanie medyczne
Nitrogliceryna znalazła dzięki swoim specyficznym właściwościom, całkiem szerokie zastosowanie w medycynie. Występuje ona jako składnik leków należących do grupy tzw. nitratów. Przyczynia się ona do rozszerzania naczyń krwionośnych oraz poprawia funkcjonowanie mięśni gładkich. Tym samym nitrogliceryna podawana jest m.in. osobom cierpiącym na choroby układu krążenia. Wszystko jednak zależy od formy jej podawania. Nitrogliceryna w aerozolu sprawdza się w przypadku napadów dławicy piersiowej czy ostrej niewydolności lewokomorowej. Z kolei nitrogliceryna wstrzykiwana dożylnie podawana jest m.in. w przypadku zawału serca czy obrzęku płuc.
Czym jest balistyt i kordyt?
Mówiąc o odkryciach Alfreda Nobla nie wolno w tym miejscu zapominać o kolejnym wynalazku, który został opatentowany w roku 1887. Był to balistyt – rodzaj prochu bezdymnego, który powstaje na skutek połączenia nitrocelulozy o ograniczonej zawartości azotu (ok. 12%), kamfory oraz kolodium (roztworu nitrogliceryny). Balistyt został dobrze przyjęty przez sporą ilość państw europejskich i trafił do przemysłu jako składnik prochu strzelniczego (po raz pierwszy wykorzystały go Włochy). Dla Królestwa Brytyjskiego oraz krajów wspólnoty o wiele lepszym rozwiązaniem okazał się z kolei kordyt – składający się z nitrocelulozy o wysokiej zawartości azotu (12,9 – 13,3%) oraz nitrogliceryny.