Trinitrotoluén
Trinitrotoluén je výkonná trhavina, na vojenské a špeciálne použitie. Prvé zmienky o príprave trinitrotoluénu pochádzajú z roku 1863. Wilbrand popisuje prípravu pôsobením zmesi kyseliny dusičnej a sírovej za teploty „blízkej teplote varu“.
| Trinitrotoluén | |
| Chemický názov | α-trinitrotoluén 2,4,6-trinitrotoluén 2,4,6-trinitrometylbenzén |
| Racionálny vzorec | C6H2(NO2)3CH3 |
| Sumárny vzorec | C7H5N3O6 |
  | |
| Teplota topenia | 80,7 °C |
| Teplota varu | 210 – 212 °C rozklad začína pri 160 °C |
| Hustota | 1,654 g.cm−3 |
| Detonačná rýchlosť | 6 900 m.s−1 pri 1,6 g.cm−3 4 400 m.s−1 pri 0,8 g.cm−3 |
| Detonačný tlak | ~25 GPa (orientačne) |
| Výbuchová teplota | 3 100 °C |
| Výbuchové teplo | 3 977 kJkg−1 |
| Objem plynov | 685 – 710 dm3kg−1 |
| Pracovná schopnosť v olovenom valci | 280 – 300 cm³ |
| Pracovná schopnosť v balistickom mažiari | 100 % |
| Brizancia (podľa Hessa) | 16 – 18 mm pri 1,2 g.cm−3 |
| Brizancia (podľa Kasta) | 4,2 mm |
| Citlivosť na náraz (podľa Kasta) | 80 cm, 2 kg iný zdroj 36 cm, 2 kg |
| Teplota vzbuchu | 295 – 310 °C podľa metódy |
| Iný názov | TNT tritol tritolo tol trotyl trotil tolite tolita Fp02 (Füllpulver 1902) |
Vlastnosti
α-trinitrotoluén kryštalizuje v rhoboedrickej sústave vo forme stĺpikov alebo ihlíc. Kryštály sú svetložltej farby. Tritol na svetle postupne žltne až hnedne a mierne sa zvyšuje jeho citlivosť.
Tritol je prakticky nehygroskopický a vo vode takmer nerozpustný. Dobre sa rozpúšťa v koncentrovanej kyseline dusičnej a sírovej. Pri zrieďovaní kyselín vodou sa vylučuje. Je dobre rozpustný v organických rozpúšťadlách, predovšetkým v acetóne, benzéne a toluéne.
S bežnými kovmi nereaguje a nereaguje ani s dusičnanmi a chloristanmi. Reaguje so zásadami a oxidmi alkalických kovov.
Jedovatosť
Tritol a ostatné nitroderiváty toluénu sú málo jedovaté v porovnaní s nitroderivátmi benzénu alebo fenolu. Veľká časť otráv pri výrobe a spracovaní tritolu je spôsobená nitrodrivátmi benzénu, ktoré vznikajú pri nitrácii toluénu. Pri ťažkej otrave tritolom sa objavujú zmeny v krvnom obraze, poškodenie pečene s ťažkou žltačkou a anémia, pre ľahšie stupne otravy sú charakteristické bledosťou tváre a šedá až fialová farba slizníc a pier, bolesti hlavy v dôsledku zmeny krvného tlaku, lokalizovaná bolesť žalúdku, zápcha a plynatosť. Účinnou prevenciou otráv trinitrotoluénom je dobré odvetranie a odprašnenie pracovísk a dodržiavanie zásad osobnej hygieny a hygieny práce. Prítomnosť TNT prachu vo vzduchu signalizuje nepríjemná horká chuť na perách.
Trinitrotoluén je pre ryby smrteľne jedovatý pri obsahu 1 – 2 mg na liter vody, pre vodný planktón už v množstve 0,1 – 0,15 mg na liter vody. Čistenie odpadových vôd je obťažné, pretože tritol potláča aktivitu baktérií. Jednou z použiteľných metód odbúrania tritolu z odpadových vôd je pôsobením 5 – 10 % roztoku hydroxidu vápenatého, ale reakcia je pomalá a miešanie musí trvať až desiatky minút.
Použitie
Je to prakticky najrozšírenejšia vojenská trhavina. Používa sa ako trhavá náplň delostrelecký striel a granátov, ako náplň leteckých bômb, ako ženijné a špeciálne náloživo, ako náplň mín a ručných granátov, na prípravu zmesných trhavín. Používa sa aj na výrobu priemyslových trhavín.
Miera výbušnosti
Ako jedna z najrozšírenejších výkonných výbušnín sa trinitrotoluén stal aj meradlom výbušnej sily nukleárnych zbraní, ale aj iných výbušnín. Počas druhej svetovej vojny bol krátko pred prvým jadrovým výbuchom vôbec urobený skúšobný odpal 100 ton TNT ako model pre porovnanie účinkov jadrovej zbrane. Neskôr sa podobné pokusy urobili aj s väčšími náložami, až niekoľko tisíc ton TNT.
Prevodový pomer medzi energiou výbuchu a hmotnosťou TNT bol pre jednoznačnosť stanovený ako 4 184 J/g TNT.[1] Jedna kilotona TNT teda zodpovedá 4,184 TJ (terajoule = 1012J) energie a 1 megatona TNT 4,184 PJ (petajoule = 1015J).
Stanovená energia približne zodpovedá spalnému teplu TNT pri horení na vzduchu, ktoré je ale vyššie ako výbuchové teplo uvoľnené pri detonácii (3,977 MJ/kg). Ako orientačný prevodový pomer je preto možné použiť aj ľahko zapamätateľnú hodnotu 4 MJ/kg.
Rádové energie, vyjadrené v gramoch a tonách TNT:
| gramy TNT | symbol | tony TNT | symbol | energia | hmotnostný úbytok |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 gram TNT | g | 1 mikrotona TNT | µt | 4,184×103 J | 46,55 pg |
| 1 kilogram TNT | kg | 1 militona TNT | mt | 4,184×106 J | 46,55 ng |
| 1 megagram TNT | Mg | 1 tona TNT | t | 4,184×109 J | 46,55 µg |
| 1 gigagram TNT | Gg | 1 kilotona TNT | kt | 4,184×1012 J | 46,55 mg |
| 1 teragram TNT | Tg | 1 megatona TNT | Mt | 4,184×1015 J | 46,55 g |
| 1 petagram TNT | Pg | 1 gigatona TNT | Gt | 4,184×1018 J | 46,55 kg |
Výroba
Toluén pre nitráciu má byť prakticky chemicky čistý, bez akýchkoľvek prímesí. Trinitrotoluén sa tradične vyrába dvojstupňovou (cez dinitrotoluén) alebo trojstupňovou (cez mononitrotoluén a dinitrotoluén) nitráciou toluénu, každý postup má niekoľko technologických variant.
Pri nitrácii na mononitrotoluén vznikajú tri izoméry nitrotoluénu, pričom na ďalšiu nitráciu nevhodný m-nitrotoluén je možné odstrániť z ďalšieho procesu napríklad destiláciou a niekedy sa oddeľuje aj p-nitrotoluén použiteľný na výrobu farbív a liečiv. Existujú aj iné metódy nitrácie, predovšetkým kontinuálne, protiprúdne i suprúdne.
Nitruje sa zmesou kyseliny dusičnej a kyseliny sírovej, pre každý stupeň nitrácie sa používa odlišná nitračná zmes. Po ukončení nitrácie sa tritol rafinuje, pretože produkt nitrácie obsahuje nežiaduce asymetrické izoméry 2,3,4,-trinitrotoluén, 2,3,6-trinitrotoluén a 2,4,5-trinitrotoluén s nižšou teplotou tavenia („tritolový olej“), neúplne znitrované deriváty a vedľajšie produkty ako tetranitrometán, trinitrobenzén, nitrokrezol a ďalšie látky. Rafinácia začína dôkladným praním tritolu horúcou vodou, čím sa odstránia zvyšky kyselín. Staršia metóda rafinácie kryštalizáciou využívala kryštalizáciu z 95 % alkoholu alebo z koncentrovanej kyseliny sírovej a zrážanie vodou alebo sa používal toluén alebo xylén. Skúšali sa aj metódy vypocovania, teda pomalej kryštalizácie roztaveného tritolu pri normálnej alebo mierne zvýšenej teploty, pričom nežiaduce prímesi zostávali v olejovitej zmesi medzi veľkými kryštálmi tritolu. Po prvej svetovej vojne boli tieto metódy v podstate opustené a prešlo sa na rafináciu roztaveného surového tritolu roztokom siričitanu sodného Na2SO3. Asymetrické izoméry trinitrotoluénu reagujú so siričitanom sodným veľmi rýchlo a prechádzajú do roztoku ako sodné soli dinitrotoluénsulfónových kyselín a vzniká dusitan sodný, α-trinitrotoluén reaguje so siričitanom sodným pomaly – straty α-trinitrotoluénu predstavujú asi 1 – 2 %.
Po rafinácii sa tritol suší a granuluje alebo častejšie šupinkuje. Šupinkovanie sa robí tak, že otáčajúci sa chladený bronzový valec je čiastočne ponorený do vane s roztaveným tritolom a z valca je tritol stieraný bronzovým nožom. Granulácia sa robí tak, že roztavený tritol vyteká tryskou pod tlakom a zráža sa s prúdom studenej vody. Granuly sa sušia pri teplote 50 – 60 °C.
