Student World

Zatim jsme si z te blamaze s Krakatenem delali srandu. To je v poradku, neb to plne zaslouzi, patri do te stejne kategorie, jako metiony ex-ministra skolstvi Prof. Fr. Kahudy. Nekteri ctenari by si ale mozna radi precetli, jak je to s tim Krakatenem ve svetle standardni vedy.

To je opravnene, ale zatim jaksi v celem Cesku neexistuje tistene medium, ktere by to bylo ochotno otisknout. Zas a znova je to problem provazanosti v male vedecke komunite – holt jsme vsichni na jedne lodi, a ta ma dokonce toho casu dost potrhane plachty a zlamane rahnovi.

Existuje aspon pet zasadnich duvodu, proc ta zalezitost s Krakatenem je nesmysl. Muzeme diskutovat termochemii (jako je to v textu nize), kinetiku, stabilitu, moznost tvorby plynnych produktu, ci ochotu C6 tvorit linearni strukturu. Ten prvni aspekt opravdu nepredpoklada vic, nez stredoskolske znalosti chemie (tedy stredoskolske znalosti a kalkulacku, neb maturanti dnes uz neumi zakladni pocetni ukony na papire, nybrz jen na kalkulacce). Shodou okolnosti, tech pet aspektu pokryva radu hlavnich podoboru fyzikalni chemie – proto tvrdim, ze pokud nejakem vyzkumnemu chemikovi nebylo po precteni toho textu v MF-Dnes okamzite jasne, ze to byl nesmysl od A az do Z, tak by mel asi vratit sve diplomy.

[Na veci je ovsem pikantni, ze zrovna probiha rizeni o udeleni profesury jednomu ze spoluobjevitelu Krakatenu. Tak ten studentum urcite nezodpovi zvidave dotazy, proc se po tom Krakatenu zeme slehla. Velmi se obavam, ze dodnes ani vubec netusi, ktery z tech peti argumentu je zcela nejlapidarnejsi, abych tak rek kulove eso alchymie (to kulove eso zminim az na uplnem konci serialu, aby v tom bylo napeti fakt az do posledni linky). Umyslne rikam alchymie, neb k nemu nebude potreba ani kalkulacka, ani stredoskolske znalosti chemie, uplne bude stacit, co se rika zackum na zakladce.] Sveho casu jsem pripravil text, ktery si z niceho nedelal srandu, pouzival jen pojmu znamych kazdemu stredoskolakovi, a dokonce jsem se zamerne vubec vyhnul pouziti toho sofistikovaneho jmena Krakaten. Proste jsem v nem jen popularne diskutoval termochemii vybusin.

Lec cin certu dobre, peklem se ti odvdeci. Clanek nikdy a nikde dodnes nevysel. Diskutuje tak rikajic jen jednu petinu problemu, ale ukazuje, ze to objevitele opravdu vzali od spatneho konce (a pritom v kazde ucebnici si mohli precist, jak je ten spravny konec). Clanek se jmenuje Termochemie Semtexu a to u je zamerne krouzkovane.

TERMOCHEMIE SEMTEXU

Na nasem napojovem trhu se objevilo mile osvezeni. Pochazi z vychodnich Cech, jmenuje se Semtex, a jak pravi text na obalu ma energetickou hodnotu 2173 kJ/1 litr. V anglickem prekladu je pak uvedeno 2173 KJ/1 litr. Nez zacneme se zajimavejsimi otazkami, tykajicimi se obsahu, poopravme nejprve trochu formu. V ceskem textu by uplne stacilo 2173 kJ/litr. Ale lepe by bylo prejit k jednotkam kJ/m^3 ci kJ/kg. Hmotnost vyrobku je uvedena (300 g), rozmery plechovky mozno zmerit a tudiz vypocitat objem. Odtud dojdeme k hodnote kolem 2.14 kJ/g nebo 2.14 MJ/kg. V anglictine melo spravne byt pouzito litre ci liter, a ne litr, a kJ misto KJ (KJ je totiz stupen Kelvina nasobeny Joulem).

A nyni k zajimavejsi otazce. Jaky je fyzikalni vyznam one energeticke hodnoty 2.14 kJ/g. Je to energie, ktera se v nasem tele uvolni uplnym metabolickym zpracovanim napoje. Rozhodujicim zdrojem energie je cukr. Pro nas nejbeznejsi cukr, sacharoza, se v nasem tele nakonec ztransformuje na kyslicnik uhlicity a vodu:

C12H22O11 + 12 O2 = 12 CO2 + 11 H2O .

Stoji za zminku, ze je to presne stejna chemicka rovnice, jaka popisuje spalovani cukru na vzduchu. Zmeny energie spojene s chemickymi reakcemi studuje termochemie, coz je cast chemicke termodynamiky, a ta je zase cast fyzikalni chemie. K zakladnim vysledkum termochemie patri zjisteni, ze uvolnena energie nezavisi na zpusobu provedeni reakce – je jedno jestli se cukr pomalu oxiduje v nasem tele nebo rychle shori na vzduchu.
Dulezite jsou jen pocatecni a konecny stav. Tento poznatek dovoluje snadno urcovat energeticke zmeny spojene s chemickymi reakcemi pomoci tzv. slucovacich tepel, ktera jsou pro bezne latky dobre znama. Nejcasteji se vztahuji na 1 mol latky. Pro cukr, CO2 a (kapalnou) H2O jsou to tyto hodnoty: -2221, -394 a -286 kJ/mol; pro kyslik je to presne nula (coz souvisi s konvenci, jak jsou slucovaci tepla zavedena). A tak dostaneme: 12*(-394) + 11*(-286) – (-2221) – 12*0 = -5653 kJ/mol, coz je energie, ktera se uvolni (o tom ze se uvolni nas informuje zaporne znamenko) spalenim jednoho molu sacharozy. Pokud si vezmeme k ruce tabulky atomovych hmotnosti, zjistime, ze jeden mol cukru odpovida 342g,
a tudiz energeticka hodnota cukru je 5653/342 = 16.5 kJ/g.

Tim jsme se propracovali k hodnote, ktera figuruje v tabulkach nutricnich hodnot potravin, ktere jsou zakladem vsech racionalnich uvah o dietach a hubnuti (i kdyz spise pouzivaji kilokalorie, 1 kcal = 4.184 kJ). Stejne tak bychom mohli spocist energeticky obsah treba hroznoveho cukru ci nektereho tuku. Jak vidno, nepotrebujeme k tomu nic vic, nez stredoskolske znalosti chemie a termochemicke tabulky. A nyni zpet k napoji Semtex. Jeho 2140 kJ/kg odpovida 2140/16.5 = 130g cukru, coz je v souhlase s jeho prijemnou sladkou chuti.

Semtex je ovsem hlavne a predevsim vybusina, nicmene i jeji energeticky vynos muzeme spocitat presne stejnym zpusobem. Zahranicni prameny uvadeji, ze ucinnou latkou v Semtexu je zejmena hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine C3H6N6O6. Tedy uvadely v dobe studene valky, analyzovat Semtex neni jednoduche, a slozeni byvalo statnim tajemstvim – mozna i, ze to co bylo publikovano byla zamerna kamuflaz. Vim i o jinych informacich o jeho slozeni, ale pro nas to neni dulezite – ten vypocet a jeho vysledek je v postate stejny pro vsechny vybusiny. Ten je zabudovan v polymeru neboli plastu, proto patri mezi plasticke vybusiny, a obsahuje tez asi olej a patrne i dalsi komponenty (ale to je vlastne
vyrobni tajemstvi). Pro jednoduchost budeme predpokladat chemicke slozeni C3H6N6O6, a tedy molekulovou hmotnost 222 g/mol. Klasicke vybusiny typicky produkuji bud CO2 nebo CO, H2O, a N2. Kyslicnik uhelnaty se nasledne zoxiduje na CO2 prostrednictvim vzdusneho kysliku, ale to je az po skonceni prve faze vybuchu. V te k reakcim se vzdusnym kyslikem jeste nedochazi.

Tady bych udelal malou odbocku a vyuzil svobody slova a vyzradil vojenske tajemstvi. Ten kyslik v tom CO ci H2O si vybusiny neberou ze vzduchu – to by totiz bylo horeni, a to je pro pyrotechnicke aplikace pomale. Ergo, ten kyslik si vybusiny uz musi vezt na misto cinu ve svem chemickem slozeni. To ma pak ten dusledek pro namorni valku, ze mohou vybuchovat i pod vodni hladinu kde zjevne neni vzduch (ale jsou tam ponorky).
A nyni zpet od protiponorkove valky k tem expandujicim horkym plynum. Tyto plyny se ohrivaji teplem uvolnenym reakci, mocne roste jejich tlak, a tudiz zacnou konat destruktivni praci. Muzeme tedy pro nas ilustrativni ucel pro vybuch ucinne slozky Semtexu predpokladat chemickou reakci:

C3H6N6O6 = 3CO + 3H2O + 3N2 .

Slucovaci teplo teto molekuly je 62 kJ/mol, slucovaci teplo CO -111 kJ/mol (a pro N2 je to z duvodu zavedenych konvenci presne nula). Takze
nam z toho vychazi energeticky vynos 3*(-111) + 3*(-286) + 3*0 – 62 = -1253 kJ/mol. Nyni to jeste prepocteme na 1g: 1253/222 = 5.6 kJ/g. Poznamenejme, ze pyrotechnici rozlisuji dva typy energie uvolnene pri vybuchu (bud pro konstantni tlak nebo pro konstantni objem), a ze vodu uvazuji ve forme vodni pary. Ale tim se ono cislo 5.6 kJ/g meni jen malo.

Nyni asi pozorny ctenar ponekud upadl do rozpaku: z gramu cukru dostaneme skoro trikrat vic energie nez z gramu obavaneho Semtexu (pokud by ho tvorila pouze ona jedna slozka – a i kdybychom vzali jinou beznou vybusinu, kvalitativni relace pro energeticky output by byly stejne), a z gramu stale popularnejsiho napoje Semtex dostaneme skoro polovinu energie co z jeho explozivniho jmenovce. Chyba neni v nasich jednoduchych poctech, ale v mylne laicke vire, ze klasicke vybusiny jsou vybusinami proto, ze uvolnuji obrovska mnozstvi energie. Vybusiny sice energii uvolnuji, ale nekolikrat mene nez bezna paliva.

Avsak chemicke reakce pri vybuchu probihajici jsou o nekolik radu rychlejsi nez pri horeni. Tim dochazi k vzniku vyssich teplot a predevsim vyssich tlaku. Tlaky horkych plynu uvolnenych pri ezplozi jsou o nekolik radu vyssi, nez tlaky bezne pri horeni. Jinymi slovy, klasicke vybusiny nedela vybusinami to, ze by v sobe skryvaly obrovska mnozstvi energie, nybrz, ze celkem obvykla mnozstvi energie uvolnuji neobycejne rychle, v neobvykle kratkem case. Dulezita je tedy kinetika jejich rozkladu. To nakonec plati i pro odbouravani cukru v nasem tele. I kdyz se uhrnem uvolnuje stejna energie, jako pri jeho spaleni na vzduchu, deje se tak podstatne pomaleji, a tudiz nehrozi nejake mistni prehrati ci dokonce spalenina. Naopak, zdanlive neskodna substance se muze stat nebezpecnou, pokud by se vyrazne zmenila reakcni rychlost. To je znamy problem prumysloveho prachu (napr. moucny ci uhelny prach), kdy vhodna velikost castic a vhodny pomer smiseni se vzduchem vytvari
nebezpecne vybusne smesi (ackoliv energie, kterou poskytne napr. gram celistveho uhli, a gram prachu z nej, je v podstate stejna).

Pozn.: Text vznikl pred radou let, ale dodnes se ho zadne ceske medium neodvazilo otisknout …..
Se zahranicnimi studenty tuto pripadnou aplikaci zakona zachovani energie s uspechem probiram i s praktickymi ukazkami u prilezitosti univerzitnich festivalu.
Cesti studenti budou muset jeste nejaky ten rok pockat, nez bude odtajnena i prvni veta termodynamiky.

Part 1: http://pes.internet.cz/veda/clanky/14553_0_0_0.html
Part 2: http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/page/4377E67A5222259FC1256AE1004DD37F

autor Zdeněk Slanina http://shachi.cochem2.tutkie.tut.ac.jp/~slanina/i