W 1838 roku francuski chemik Théophile-Jules Pelouze zauważył, że papier poddany działaniu kwasu azotowego(V) spala się błyskawicznie. Około 1846 roku Christian Friedrich Schönbein i Rudolf Christian Böttger opisali możliwości praktycznego zastosowania tego odkrycia w pirotechnice. Włókna bawełny, czyli celuloza, poddane działaniu mieszaniny stężonych kwasów siarkowego(VI) i azotowego(V) tworzą związek – triazotan(V) celulozy (potocznie zwany nitrocelulozą). Produkt o zawartości 10-12% azotu nazywany jest bawełną kolodiumową, a o zawartości 12-14% azotu – bawełną strzelniczą (Burewicz, Gulińska i Miranowicz, 1993). Związek ten zaliczany jest do miotających materiałów wybuchowych.
Przygotowanie bawełny strzelniczej
Odczynniki:
- stężony kwas siarkowy(VI) H2SO4 cp= 96%
- stężony kwas azotowy(V) HNO3 cp= 65%
- wodorowęglan sodu NaHCO3
Przygotowanie:
Zlewkę o pojemności 250 cm3 umieścić w dużym krystalizatorze wypełnionym wodą z dodatkiem lodu. Do zlewki wprowadzić 70 cm3 stężonego kwasu siarkowego(VI), a następnie małymi porcjami dodać 30 cm3 stężonego kwasu azotowego(V). Zawartość wymieszać i poczekać aż ulegnie schłodzeniu. Małymi porcjami wprowadzić bawełnę (np. watę, waciki kosmetyczne, papier). Ilość bawełny nie powinna przekraczać poziomu cieczy. Mieszaninę pozostawić na około 15 minut. W tym czasie do dużej zlewki wlać 500 cm3 wody i wsypać ok. 200 g wodorowęglanu sodu. Po zakończeniu reakcji, bawełnę zanurzyć w roztworze wodorowęglanu. Zaczekać aż gaz przestanie się wydzielać. Za pomocą uniwersalnego papierka wskaźnikowego skontrolować odczyn roztworu, w przypadku wskazania odczynu kwasowego dodać wodorowęglanu. Po uzyskaniu odczynu obojętnego lub zasadowego bawełnę przemyć kilkakrotnie dużą ilością wody, następnie odcisnąć i pozostawić do wyschnięcia w temperaturze pokojowej.
Bawełna pod wpływem kwasu azotowego(V) ulega reakcji estryfikacji. Stężony kwas siarkowy(VI) ułatwia zajście reakcji oraz usuwa wodę z układu, przesuwając stan równowagi w kierunku tworzenia produktów.
Rys. Fragment łańcucha triazotanu(V) celulozy (www.wikipedia.org)
Celuloza po estryfikacji nie zmienia swojego wyglądu, może jednak lekko zżółknąć. Kluczowym etapem syntezy jest dokładne zobojętnienie bawełny. Pozostałości kwasu azotowego(V) destabilizują produkt, co może prowadzić do samozapłonu.
Temperatura zapłonu bawełny strzelniczej to około 200 oC. Zapłon może nastąpić np. pod wpływem iskry, ciepła palnika lub ciepła wytworzonego w wyniku reakcji tlenku fosforu(V) z wodą:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4 + Q (Bielański, 2010)
Bawełna spala się do produktów gazowych takich jak: CO, CO2, H2O oraz N2 nie pozostawiając po sobie popiołu oraz zapachu.
Bawełna strzelnicza stanowi główny składnik prochu bezdymnego, używanego jako ładunek w nabojach artyleryjskich i amunicji strzeleckiej (McMurry, 2007).
Nitroceluloza była również wykorzystywana pod koniec XIX i na początku XX wieku do produkcji taśm filmów kinowych. Z tego powodu dawne kinowe pokoje projekcyjne musiały być ognioodporne, często były pokrywane azbestem, a w Londyńskim metrze obowiązywał zakaz przewożenia filmów. Fakt ten wykorzystał m.in. Quentin Tarantino w filmie „Bękarty wojny”, gdzie taśmy filmowe posłużył do spalenia kina wraz z publicznością. Scena ta przypomina pożar kina w Limerick w 1926 roku podczas którego zginęło 48 osób.
UWAGA! Substancje niebezpieczne:
- Kwas siarkowy(VI)
- Kwas azotowy(V)
Literatura:
Bielański, A. (2010). Podstawy Chemii Nieorganicznej (wyd. szóste). Warszawa: PWN.
Burewicz, A., Gulińska, H. i Miranowicz, N. (1993). Chemia która zadziwia. Jelenia Góra: OFEK – Jelenia Góra.
McMurry, J. (2007). Chemia organiczna . Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.
