Der Unterschied zwischen Explosion und Detonation

Wenn man das Wort Explosion hört so denkt man direkt an Katastrophen und Unfälle. Nur die wenigsten wissen, dass Explosionen für den Bergbau, Tunnelbau und Straßenbau unverzichtbar sind. Es gibt sogar Verfahren, welche ohne Explosionen gar nicht durchführbar wären. Ein Beispiel dafür ist das Explosionsschweißen welches genutzt wird um sonst unverträgliche Materialien wie beispielsweise Aluminium und Stahl miteinander zu verbinden.

Explosionen. Eine Explosion entsteht wenn man ein Gasgemisch aus einem entzündbaren Gas und Sauerstoff vorliegt. Entzündet man einen Gasbrenner, so läuft dort eine Reaktion ab, welche unter anderen Bedingungen zu Explosionen führt. Bei einer Explosion eines Gemischs aus Wasserstoff und Sauerstoff und bei dem Verbrennen des Gasgemischs im Knallgasbrenner laufen genau die selben Reaktionen. In beiden fällen entstehen als Zwischenprodukte Radikale, welche in einer Kettenreaktion zu Wasser reagieren.

Wo liegt also der Unterschied der beiden Vorgänge? In der Knallgasbrennerflamme läuft die Reaktion nicht lange genug ab. Es kommt zu Abbruchsreaktionen, welche beispielsweise zur Bildung von Wasserstoffperoxid (durch das Aufeinandertreffen von OH-Radikalen) führt. Der Grund für das Einleiten der Abbruchsreaktion, dass beim Brenner die Luftsauerstoffzufuhr so geregelt ist, dass Sauerstoff im Unterschuss vorliegt. Sorgt man jedoch für eine gute Durchmischung der beiden Edukte, so führt dies dazu das ein Radikal in einer Kettenreaktion bis zu 3 weiteren Radikalen. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt somit sprunghaft an und es wird eine große Menge an Energie freigesetzt. Durch die Ausdehnung des entstehenden Wasserdampf und der umgebenen Luft kommt es zu einer Explosion.

Das Reaktionsverhalten von Edukten ist auch vom Verteilungsgrad der Ausgangsstoffe abhängig. Je feiner die Edukte verteilt sind desto reaktionsfähiger sind sie und desto gefährlicher ist das Gemisch. Aus diesem Grunde ist es schon zu katastrophalen Explosionen in Kohleminen und Mehlsilos gekommen (so genannte Staubexplosionen). Ein weiteres Problem sind Gasgemische, da sie schon durch Funken entzündet werden können.

Detonationen. Bei allen Explosionen werden Gase freigesetzt. Ist eine Explosion mit einer Stoßwelle verbunden, so spricht man von einer Detonation. Detonationen laufen wesentlich schneller ab (bis zu 1000mal schneller) als Explosionen. Der Grund dafür ist, dass eine Stoßwelle die Gase komprimieren und somit das Gasgemisch auf Temperaturen von bis zu 6000°C erhitzen. Durch diesen Wärmestau wird die Reaktionsgeschwindigkeit  der nachfolgenden Reaktionen erhöht. Werden Feststoffe Stoßwellen ausgesetzt zu führt dies zu einer Pulverisierung. Diesen Effekt nutzt man bei Sprengungen aus.

Stoffe welche eine Zersetzungsenergie von mehr als 500 J/g aufweisen gelten als detonationsgefährlich. Um Detonationen gezielt für Sprengungen auszulösen verwendet man Initialzünder, welche Sprengstoffe enthalten, die leicht durch Stöße oder Erwärmen zur Explosion gebracht werden können. Ein oft verwendeter Initialzünder ist Bleiazid (Pb(N3)2).

Knallgasreaktion ΔRH°m/kJ·mol-1
Startreaktion:
H2 + O2 → 2 HO·
 

8

Kettenreaktion:
HO· + H2 → H2O + H·
H· + O2 → HO· + ·O·
·O· + H2 → HO· + H·
 
-27
62
-27
Abbruchreaktion:
HO· + ·HO → H2O2
H· + H· → H2
H· + ·HO→ H2O
-146
-436
-464

 

Abb.: Ablauf der Knallgas-Reaktion  

 

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