Explosion - explosion

Japanese: 爆発 - ばくはつ（英語表記）explosion

A phenomenon in which a container bursts due to the sudden build-up or release of pressure, or a gas expands rapidly, producing a loud explosion or destructive effects. It is most often caused by a rapid increase in volume resulting from a rapid chemical reaction such as decomposition or combustion. The best-known examples are the explosions of trinitrotoluene (TNT), nitroglycerin, and dynamite. Although igniting a thin layer of nitroglycerin only results in slow combustion, rapid heating causes it to decompose and produce a large amount of gas.

_4C3H5N3O9― _→
_6N2 + _12CO2 +O2+ _10H2O
Organic peroxides and nitrates are explosive because they can instantly generate large amounts of gas when decomposed. The decomposition reactions of substances can be broadly divided into four types: (1) slow decomposition, (2) combustion, (3) deflagration, and (4) detonation. Of these, (3) and (4) are related to explosions.

[Yamazaki Akira]

Deflagration

This refers to the process in which the heat of reaction of one molecule is transferred to the next molecule, causing them to heat up and decompose, as occurs when firewood or coal burns. Gunpowder explosions in guns are an example of this, and the propagation speed (explosion velocity) is often less than 300 meters per second.

[Yamazaki Akira]

Explosion

This is when the propagation speed of the explosion is much greater than the speed of sound in the medium, producing a strong shock wave. In the case of TNT, the detonation speed is 6,700 meters per second with a specific gravity of 1.59. Pyrophoric mercury has a detonation speed of 5,400 meters per second (specific gravity of 4.5), and lead azide has a detonation speed of 5,300 meters per second (specific gravity of 4.6). Generally, detonation is when the detonation speed is 1,500 meters per second or more. In this case, the processes of flame propagation and combustion are integrated and cannot be distinguished.

When a detonation occurs, the gas pressure reaches several thousand atmospheres and the temperature reaches several thousand degrees Celsius. When a mixed gas detonation occurs, the range is limited to a certain area, but hydrocarbons such as acetylene, methane, and propane tend to detonate over a fairly wide range of mixtures. Examples of this are gas explosions in coal mines (caused by methane) and the recent frequent explosions caused by city gas and propane gas in apartments and condominiums. Mixtures of hydrogen and oxygen also tend to detonate over a wide range. In particular, detonation gas with two volumes of hydrogen and one volume of oxygen causes a violent explosion, so it is called hydrogen detonation gas.

[Yamazaki Akira]

Dust explosion

Even solid substances that are unlikely to burn or explode normally can explode when mixed with air in a fine powder state due to ignition or static electricity. This is called a dust explosion. Coal dust explosions in coal mines are well known, but flour warehouses are also prone to dust explosions during fires. Charcoal, aluminum, tobacco, feed, rice bran, powdered milk, and even cocoa, sulfur powder, and detergent can explode. In this case, the possibility of explosion is dangerous when the particle size is 700 micrometers or less, and extremely dangerous when it is 100 micrometers or less. The explosion limit is lower as the particle size becomes smaller, but in most cases it is between 10 and 50 milligrams per cubic meter. The minimum ignition energy is between 10 and 80 millijoules (2.5 to 20 millicalories).

[Yamazaki Akira]

Chain Explosion

Explosive gas mixtures can explode at temperatures much lower than those that produce so-called thermal explosions. This is due to a chain reaction, and chain explosions are often distinguished from normal thermal explosions (although recent research suggests that thermal explosions may also result from a different chain reaction, so the distinction may be purely phenomenological).

As an example, let's take the mechanism of the chain reaction between hydrogen and oxygen (below is the equation that shows the process).

[Chain reaction between hydrogen and oxygen]
H ₂ +O ₂ →H+HO ₂ (1) Chain start
H+ _O2 →OH+O (2) Chain transfer
O+ _H2 →OH+H (3) Chain transfer
OH+ _H2 → _H2O +H (4)
H+O ₂ +3H ₂ →2H ₂ O+3H (5) [(2)+(3)+(4)]
A hydrogen atom is produced by the chain initiation reaction. This is the starting point for the following reactions (2), (3), and (4). If reactions (2), (3), and (4) are combined into one, it becomes (5), in which three hydrogen atoms are produced from one hydrogen atom. This hydrogen atom then returns to (2) and participates in the reaction, so the reaction quickly progresses in an exponential manner through this cycle.

The pressure of the reactant gas is important for such a chain reaction to occur. If the pressure is too low, there is less opportunity for collisions between atoms and radicals in the reaction intermediates, but if the pressure is too high, radicals will recombine with each other, breaking the chain. Therefore, there are upper and lower limits for the occurrence of a chain reaction.

In the chain reaction of hydrogen and oxygen, there are explosion limits as shown in the figure . In this case, at the second limit, the chain stops due to the production of less reactive _HO2 . This _HO2 collides with the vessel wall and is removed from the reaction system. At higher pressures, the reaction again proceeds slowly, but at even higher temperatures there is another explosion limit, and above this limit a thermal explosion occurs.

[Yamazaki Akira]

Thermal Explosion

When an explosion occurs in a mixture of an oxidizer and a fuel, such as a gas mixture of oxygen and hydrogen, due to electrical discharge, heating, or sudden compression, if the reaction rate is high, the rate at which heat is generated by the reaction becomes faster than the rate at which the heat is dissipated to the surroundings, and the accumulation of reaction heat causes an explosion. This is called a thermal explosion.

[Yamazaki Akira]

Use of explosions

Explosive substances are certainly dangerous, but if used by experts for appropriate purposes, they are not something to be avoided. Dynamite and other substances have become widely used because the instability of nitroglycerin has been overcome. One interesting recent application has been the successful attempt to use lead azide and other substances to explode bladder stones, thereby shattering and expelling them. This is an example of the use of a controlled explosion. Research is also being conducted into the use of explosive energy to generate electricity.

[Yamazaki Akira]

"Combustion and Explosions" by Toshizo Chitani (1957, Maki Shoten) " Safety Engineering Lectures 2: Explosions" edited by the Japan Society of Safety Engineering (1983, Kaibundo Publishing)

[References] | Gunpowder | Coal dust explosion | Explosives | Chain reaction

Explosive limits (figure)
The diagram shows the upper and lower limits of the hydrogen-oxygen chain reaction .

Explosive limits (figure)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

圧力の急激な発生あるいは解放のために容器が破裂したり、または気体の急激な膨張によって爆発音や破壊作用を伴う現象。この原因は、分解や燃焼などの化学反応が急激に進行した結果の体積の急激な増加であることがほとんどである。もっともよく知られた例としてはトリニトロトルエン（TNT）やニトログリセリン、ダイナマイトなどの爆発がある。ニトログリセリンは、薄い層に点火しても緩やかに燃焼がおこるだけであるが、急激に加熱すると分解がおこり、大量の気体を生じる。

　 4C₃H₅N₃O₉―→
　　6N₂+12CO₂+O2+10H₂O
　有機の過酸化物や硝酸エステルなどもいずれも爆発性であるのは、分解によって瞬時に大量の気体を発生可能であるためである。物質の分解反応の形態は、〔1〕緩慢な分解、〔2〕燃焼、〔3〕爆燃、〔4〕爆轟(ばくごう)、の四つに大別できる。このうち爆発に関連のあるものは〔3〕と〔4〕である。

［山崎　昶］

爆燃

薪(まき)や石炭が燃える場合のように、一つの分子の反応熱が順次隣の分子に伝わって加熱、分解がおこることをさす。銃砲内での火薬の爆発などはこれであり、伝播(でんぱ)の速度（爆速）は毎秒300メートル以下のものが多い。

［山崎　昶］

爆轟

爆発の伝播速度が媒質中の音速よりもずっと大きく、強い衝撃波を生じる場合である。TNTの場合、爆速は装填(そうてん)比重1.59で毎秒6700メートルである。雷汞(らいこう)は毎秒5400メートル（装填比重4.5）、アジ化鉛も毎秒5300メートル（装填比重4.6）の爆速をもっている。通常、爆速が毎秒1500メートル以上の場合を爆轟とよぶ。この場合は伝火と燃焼のプロセスは一体化されてしまい区別することができない。

　爆轟がおこると、気体の圧力は数千気圧、温度も数千℃になる。混合気体で爆轟がおこる際、その範囲はある一定の領域に限られるが、アセチレンやメタン、プロパンなどの炭化水素は、かなり広い混合範囲にわたって爆轟をおこしやすい。炭坑内のガス爆発（メタンによる）あるいは最近頻発するアパートやマンション等の都市ガスやプロパンガスによる爆発はこの例である。水素と酸素の混合気体も広い範囲で爆轟しやすい。とくに水素二容、酸素一容の爆鳴気は激しい爆発をおこすので、水素爆鳴気とよばれている。

［山崎　昶］

粉塵爆発

普通には燃焼や爆発などをおこしそうにない固体物質でも、細かい粉末状態で空気と混合している場合、点火や静電気の火花などで爆発することは珍しくない。これを粉塵爆発(ふんじんばくはつ)という。炭坑の炭塵爆発などは著名であるが、小麦粉の倉庫なども火災時に粉塵爆発をおこしやすい。木炭やアルミニウム、タバコ、飼料や米糠(こめぬか)、粉ミルク、果てはココアや硫黄(いおう)粉末、洗剤のようなものまで爆発をおこす。この場合、爆発の可能性は、粒子の大きさが700マイクロメートル以下だと危険となり、100マイクロメートル以下では著しい危険性をはらむ。爆発限界は粒径が小さいほど低いが、多くの場合1立方メートル当り10～50ミリグラムである。最小発火エネルギーは10～80ミリジュール（2.5～20ミリカロリー）である。

［山崎　昶］

連鎖爆発

爆発性の混合気体は、いわゆる熱爆発よりもずっと低温なのに爆発をおこすことがある。これは連鎖反応のためであり、連鎖爆発といって通常の熱爆発と区別しておくことが多い（もっとも最近の研究結果では、熱爆発もまた異なった連鎖反応の結果おこるらしいので、区別は単に現象面だけのものとなるかもしれない）。

　例として、水素と酸素の連鎖反応の機構を取り上げてみる（以下はそのプロセスを示す式である）。

〔水素と酸素の連鎖反応〕
H₂+O₂→H+HO₂　(1)連鎖開始
H+O₂→OH+O　(2)連鎖移動
O+H₂→OH+H　(3)連鎖移動
OH+H₂→H₂O+H　(4)
H+O₂+3H₂→2H₂O+3H　(5)〔(2)+(3)+(4)〕
連鎖開始反応によって水素原子が生じる。これが元となって、以下(2)、(3)、(4)と反応が進む。この(2)、(3)、(4)の反応を一つにまとめると(5)のようになり、1個の水素原子から3個の水素原子が発生することになる。これがふたたび(2)に戻って反応に関与するから、このサイクルによりたちまちにねずみ算式に反応が進むことになる。

　このような連鎖反応がおこるには、反応気体の圧力が重要である。圧力が低すぎれば、反応中間体の原子やラジカルの衝突の機会は減るが、高すぎると、ラジカルどうしの再結合などがおこって連鎖は切れる。したがって連鎖反応のおこる上限と下限ができることになる。

　水素と酸素の連鎖反応においては図のような爆発限界がある。この場合、第二限界のところでは、反応性に乏しいHO₂の生成のために連鎖が止まる。このHO₂は器壁に衝突して反応系から除かれてしまう。これより高圧ではまた反応は緩やかに進行するようになるが、さらに高温ではもう一つの爆発限界があり、これから上では熱爆発がおこる。

［山崎　昶］

熱爆発

酸化剤と燃料との混合物、たとえば酸素と水素の混合気体に放電、加熱、急激な圧縮などで爆発がおこるとき、反応速度が大きくなると、反応によって熱が発生する速度のほうが、周囲に熱を逸散させる速度より大となり、反応熱の蓄積がおこって爆発となる。これを熱爆発という。

［山崎　昶］

爆発の利用

爆発性物質は確かに危険なものであるが、専門家が用途に応じて利用すれば、さほど忌避すべき存在のものではない。ダイナマイトなども、ニトログリセリンの不安定性を克服したために広い利用が可能となった。また、最近の興味ある応用例として、アジ化鉛などを用いて膀胱(ぼうこう)結石を爆発破壊させて粉砕・排出させる試みが成功している。コントロールされた爆発の利用例である。また、爆発エネルギーを利用して爆発発電も研究されている。

［山崎　昶］

『千谷利三著『燃焼と爆発』（1957・槇書店）』▽『安全工学協会編『安全工学講座2　爆発』（1983・海文堂出版）』

[参照項目] | 火薬 | 炭塵爆発 | 爆鳴気 | 爆薬 | 連鎖反応

爆発限界〔図〕

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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