烟火药的固态反应探究

烟火药多数都是由数种固体粉状物质构成的固态混合物，如最初的黑火药，它是由粉状硝酸钾、木炭粉、硫黄粉混制而成的。为了提高黑火药的燃速，人们早已发现将这些固体物质破碎得越细，燃速就会变得越快；混合得越均匀，反应性越好。这些发现作为技艺流传至今，但其原因直到固体化学出现，才在理论上得以解释。大块的KNO3、C、S晶体被破碎成碎片晶体，产生了新的棱、角、界面和缺陷。这些部位的原子配位数低于其饱和值，原子间结合力不如内部分子强，故拉开它们所需的能量变小，反应速度提高了，燃速自然变快。均匀性反映了固相反应物相互接触的程度。固相反应物相互接触越充分，反应性则越好。这是因为反应总是在粒子界面上进行，产物是通过界面扩散的。

1949年，史派克（Spice）和史特维里（Stavely）对下列烟火药开展了试验研究，其配方见表3.6。

表3.6　不同还原剂和氧化剂配方组成

在对Fe-BaO2药剂研究时，他们采取将Fe粉和BaO2粉末在干燥状态下混合，然后压成药柱，将药柱密封于玻璃容器中，置于加热箱内加热，在不同时间内对磁性元素Fe的消失做出定量测定，以确定反应进程。结果发现，Fe-BaO2在发火温度以下接近发火温度时进行的反应是一种纯粹的固-固相反应过程：(www.xing528.com)

显然，烟火药中固态反应的确存在。

烟火药中的这种发火前的最初反应，称为预点火反应（Preignition Reaction，PIR）。它是一种炽热的、自传播的固-固相放热化学反应。如果PIR放出的热少而慢，热损失大于热积累，则PIR反应会中止；如果PIR放出的热大且快，热积累大于热损失，则出现固体自发加热，此时反应速度加大，放热速度增快，炽热的、自传播固-固放热反应则呈指数关系加速，从而导致药剂发火燃烧或爆炸。

有了固-固相反应的PIR，烟火工作者自然就可以从化学热力学和动力学角度研究如何来控制PIR的温度和PIR的反应速度，从而控制系统的反应性。鉴于PIR是固相反应，则控制其反应性的方法就应是固态化学的方法。因此，在研究烟火反应时，只要能够证明有PIR反应存在，即可依据固相反应理论，应用固态化学的原理和方法来解决反应过程中的反应性问题。