Co to jest czarny proch?

• Autor: Maciej Rozwadowski
• 12 października 2022
• komentarze 3

Czarny proch to nazwa pierwszego chemicznego materiału wybuchowego. Stosowany jest zarówno jako typowy materiał detonacyjny, jak i materiał pędny do broni palnej, rakiet czy fajerwerków. Skład czarnego prochu, lub inaczej prochu strzelniczego, nie jest odgórnie ustalony. W rzeczywistości na przestrzeni dziejów stosowano kilka różnych kompozycji. Oto syntetyczne spojrzenie na niektóre z najbardziej znanych historycznie lub powszechnych kompozycji, oraz skład nowoczesnego czarnego prochu.

Podstawy fizykochemii czarnego prochu.

W składzie czarnego prochu nie ma tak naprawdę nic skomplikowanego. Składa się on z węgla drzewnego jako paliwa, saletry (azotan potasu lub czasami azotan sodu) jako utleniacza, oraz siarki jako stabilizatora. Koncentracje składników dobrane są tak, aby zapewnić stabilną reakcję spalania. Węgiel drzewny i siarka działają jako paliwo niezbędne do inicjacji wybuchu. Saletra w wysokiej temperaturze ulega dekompozycji, uwalniając tlen i zapewniając szybkie utlenianie. Siarka obniża również temperaturę zapłonu, co zwiększa szybkość spalania.

Warto zauważyć, że samo zmieszanie ze sobą tych trzech składników nie wystarczy do uzyskania dobrej jakości prochu. Aby uzyskać mieszankę reaktywną, muszą one zostać dokładnie zmielone, nawilżone i wymieszane. Odstępstwa od proporcji uznawanych za idealne są czasami wykorzystywane do zmiany zachowania się mieszaniny podczas spalania, a kontrolowane dodanie niewielkiej ilości wody może być również wykorzystane do wydłużenia czasu spalania.

W czarnym prochu stosuje się węgiel drzewny zamiast czystego węgla, ponieważ zawiera on niekompletnie rozłożoną celulozę przez co ma znacznie niższą temperaturę samozapłonu. Czarny proch wykonany przy użyciu czystego węgla zapali się, ale nie wybuchnie.

W komercyjnym przygotowaniu czarnego prochu, azotan potasu lub inny azotan (np. azotan sodu) jest zwykle pokryty grafitem (forma węgla). Pomaga to zapobiec powierzchniowemu gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych, zmniejszając tym samym szansę na przedwczesny zapłon wywołany pojawieniem się iskry.

Czasami proch czarny już po zmieszaniu jest napylany grafitem w celu równomiernego pokrycia ziaren. Oprócz redukcji ładunków elektrostatycznych, grafit zmniejsza absorpcję wilgoci, której obecność w ziarnach mogłaby uniemożliwić zapłon prochu.

Znane receptury czarnego prochu.

Typowy nowoczesny proch składa się z saletry, węgla drzewnego i siarki w proporcji 6:1:1 lub 6:1,2:0,8. Historycznie składy znaczących marek prochu czarnego były obliczane na podstawie procentowej:

Formula	Saltpeter	Charcoal	Sulfur
Bishop Watson, 1781	75.0	15.0	10.0
British Government, 1635	75.0	12.5	12.5
Bruxelles studies, 1560	75.0	15.62	9.38
Whitehorne, 1560	50.0	33.3	16.6
Arderne lab, 1350	66.6	22.2	11.1
Roger Bacon, c. 1252	37.50	31.25	31.25
Marcus Graecus, 8th century	69.22	23.07	7.69
Marcus Graecus, 8th century	66.66	22.22	11.11

Historia czarnego prochu.

Obecny nowoczesny stosunek składników w czarnym prochu, czyli 75% azotanu, 15% węgla drzewnego i 10% siarki został ustalony w połowie XVIII wieku w Anglii. Jednak różne kraje miały swoje własne receptury, co może częściowo tłumaczyć ich sukcesy lub porażki militarne.

Zmiana proporcji składników wpływa na szybkość spalania prochu i ilość wytwarzanego przez niego dymu. Proch wytwarza dużo dymu, który może pogorszyć widoczność na polu walki lub zmniejszyć widoczność fajerwerków. Nawiasem mówiąc, węgiel drzewny nie jest jedynym paliwem które można wykorzystać w materiale miotającym. W wielu zastosowaniach pirotechnicznych stosowany jest np. cukier.

Kiedy składniki zostały dokładnie zmielone razem, efektem końcowym był proszek zwany “serpentyną”. Jedną z wad czarnego prochu w tej pierwotnej postaci była skłonność poszczególnych elementów do przesiewania się i rozdzielania pod wpływem wibracji, np. poruszenia beczki z prochem. Po rozdzieleniu się składników składowych, proch nie zachowywał już właściwych proporcji. Ta sama objętość prochu, w zależności od tego jak była transportowana i tego, czy została pobrana z góry czy z dołu pojemnika, mogła jedynie skwierczeć lub wręcz rozerwać lufę karabinu. Aby zapewnić bezpieczeństwo użytkowania, składniki musiały być ponownie zmieszane przed użyciem.

Późniejsze innowacje obejmowały dodawania do mieszanki płynu, zwykle wina lub innego łatwopalnej fermentowanej cieczy, co powodowało powstanie pasty. Pasta ta była następnie przepychana przez sito aby stworzyć małe granulki, które później poddawane były procesowi suszenia. Zapewniało to ujednolicenie mieszanki w całej jej objętości.

Metoda ta, zwana corningiem, pozwalała również na produkcję różnych gatunków prochu w zależności od wielkości otworów w sicie. Im grubsze lub większe wałeczki lub ziarna, tym mniejsza powierzchnia czynna, a więc wolniejsze spalanie prochu. Prochy o największych granulach używane były do armat, natomiast te najdrobniejsze do napędzania pistoletów lub do stosowania w fajerwerkach, zapalnikach i granatach.

Mimo to, powierzchnia ta była nadal lotna. Na prochu osadzał się pył, a jedna iskra mogła oznaczać katastrofę. W XV wieku producenci zaczęli obracać ziarna w jedwabnych bębenkach, aby usunąć pył. Do połowy XVII wieku ziarna były dodatkowo kondycjonowane poprzez dodanie grafitu do bębna, co miało na celu uszczelnienie ziaren i uczynienie ich bezpieczniejszymi. Czarny proch pozostał w tej formie do czasu wprowadzenia pod koniec XIX wieku prochów bezdymnych i innych substytutów w postaci mieszanek chemicznych o większej kompresji, takich jak kordyt.

Źródła:

Anne Marie Helmenstine (www.thoughtco.com)

Jack Kelly (www.nps.gov)

tłumaczył MR