Proch czarny

Proch czarny (proch dymny, proch zwykły) – materiał wybuchowy^[1], najdawniej znana mieszanina wybuchowa. Składa się z azotanu potasu (saletry potasowej), węgla drzewnego i siarki^[2]. Proch czarny jest materiałem wybuchowym o małej mocy, co plasuje go między materiałami miotającymi a materiałami kruszącymi. W zależności od stopnia gęstości, warunków reakcji chemicznej i sposobu inicjowania może wybuchać z dużą prędkością lub palić się wolno. Produkuje się go w postaci nieregularnych ziaren prochowych różnych rozmiarów, w zależności od przeznaczenia, koloru szaroczarnego o metalicznym połysku. Gęstość wynosi od 1,5 do 1,95 g/cm³^[1].

Proch czarny znany jest od wielu stuleci, jednak właściwy rozwój jego produkcji i zastosowania zaczął się dopiero po wynalezieniu broni palnej^[2], w której energia gazu wydzielającego się podczas zapalania prochu czarnego jest stosowana do miotania pocisków. Proch czarny od XIV do XIX wieku był używany jako materiał miotający w broni palnej, poza tym był używany jako materiał wybuchowo-kruszący w wojsku i górnictwie. Do wynalezienia nitrogliceryny i dynamitu był jedynym materiałem wybuchowym^[1].

Proch czarny jest bardzo wrażliwy na uderzanie oraz działanie iskry^[1]. Jego wadami są m.in.: wysoka higroskopijność (już przy 2% wilgotności zapala się z trudem, a od 15% wilgotności całkowicie traci zdolność zapalenia), powstawanie silnej chmury dymu ograniczającej widoczność (około 56% produktów spalania pozostaje pod postacią stałych cząstek) i przybieranie częściowo postaci pyłu w przechowywanych nabojach, co może skutkować rozerwaniem lufy podczas strzału^[2]. Jego wysoka zdolność do wchłaniania wilgoci skutkowała tym, że w użyciu militarnym proch czarny był trudny w magazynowaniu i w praktyce musiał być produkowany na bieżąco^[3].

Proch czarny został wynaleziony w Chinach w IX wieku, będąc praktycznie jedyną znaną mieszaniną pirotechniczną miotającą aż do połowy XIX wieku. Obecnie został już prawie całkowicie wyparty przez bardziej efektywne materiały, takie jak proch bezdymny. Z roli kruszącego materiału wybuchowego obecnie też jest wyparty, np. przez trotyl. Cały czas jest jednak wytwarzany, używa się go obecnie głównie w sztucznych ogniach, silnikach rakiet modelarskich oraz replikach broni czarnoprochowej (broń odprzodowa i broń odtylcowa)^[4].

Proch czarny składa się ze zmielonych składników, a ich zawartość wagowa wynosi^[5] (w nawiasach szersze zakresy^[6]):

• 74% (65–75%) azotanu potasu (saletry potasowej)
• 10,4% (10–15%) siarki
• 15,6% (15–20%) węgla drzewnego.

Wg innego źródła optymalne proporcje prochu to: 74,64% saletry, 13,51% węgla drzewnego i 11,85% siarki^[7]. Obecnie w pirotechnice stosuje się 75% azotanu potasu, 15% węgla drzewnego z lekkiego drewna i 10% siarki^[8][9].

Ze względu na niejednolitość składu, równanie reakcji spalania prochu jest zmienne, tym bardziej, że różna jest zawartość węgla pierwiastkowego i zanieczyszczeń w węglu drzewnym. W 1876 Marcellin Pierre Berthelot sformułował je następująco^[10]:

16KNO
3 + 6S + 13C → 2K
2CO
3 + 5K
2SO
4 + K
2S + 11CO
2↑ + 8N
2↑

Równanie to nie uwzględnia jednak wszystkich powstających produktów. Ponadto część siarki i węgla pozostaje niespalonych. W efekcie w wyniku reakcji otrzymuje się mieszaniną zawierającą^[10]:

ok. 56% produktów stałych: węglan potasu, siarczan potasu, siarczek potasu, siarka, azotan potasu, węgiel, węglan amonu;

ok. 43% produktów gazowych: dwutlenek węgla, azot, tlenek węgla, siarkowodór, wodór, metan;

ok. 1% wody.

Najmocniejszy proch powstaje ze zmielonego na pył węgla drzewnego. Uznaje się, że najlepszym drewnem do uzyskania tego węgla jest szakłak, jednak inne, np. balsa lub wierzba również są używane. Składniki są mieszane najdokładniej jak to możliwe. W celu podwyższenia bezpieczeństwa na początkowym etapie produkcji prochu często prowadzi się osobne rozdrabnianie mieszanin (tzw. binerów) saletry z siarką oraz siarki z węglem drzewnym. Po zmieszaniu składników do ostatecznego rozdrabniania używa się młynów kulowych z nieiskrzących elementów lub podobnych narzędzi^[11].

Proch czarny jest często granulowany, aby polepszyć jego spalanie. Granulowanie to proces, w którym najpierw prasuje się proch w kawałki o takiej samej gęstości (1,7 g/cm³). Kawałki łamie się potem na granulat. Ziarna prochu są potem sortowane, co daje kilka jego klas. Standardowe ziarna prochu zaczynają się od klasy Fg, bardzo grubej, używanej m.in. w karabinach wojskowych, strzelbach o dużym kalibrze i małych armatach, poprzez FFg (bronie średnio i małokalibrowe), FFFg (pistolety), i FFFFg (małokalibrowe, krótkie pistolety i panewki w zamkach skałkowych). Bardzo gruby proch był używany w kopalniach przed wdrożeniem nitrogliceryny i dynamitu: pierwsze znane zastosowanie prochu czarnego do prac strzelniczych w podziemiach kopalni miało miejsce w Bańskiej Szczawnicy (dzisiejsza Słowacja) w 1627 r^[12][13].

Proch czarny wynaleziono w Chinach w IX wieku, w okresie późnej dynastii Tang (618–907 r.). Wynalazku prawdopodobnie dokonali przypadkowo alchemicy taoistyczni poszukujący eliksiru nieśmiertelności. Pierwsze zapiski na temat prochu wyglądają na ostrzeżenia w tekstach alchemicznych, aby nie mieszać składników prochu razem. Wczesne przepisy zawierały wzmianki o dodawaniu niepalnych materiałów. W naukowych kręgach ówczesnej Europy część badaczy przypisywała wynalezienie prochu Europejczykom. Dużą popularnością cieszą się historie o tajemniczym wynalazcy. Na początku XV wieku w kronikach pojawia się postać Bertholda Schwarza, mnicha i alchemika, który miał wymyślić proch czarny. Zaś uczony angielski zakonnik Roger Bacon podaje recepturę prochu oraz omawia możliwe jej użycie w walce w dziele z ok. 1267 roku. W 1275 roku wywodzący się z terenów niemieckich Albert Wielki również podaje recepturę prochu. Z kolei z 1300 roku pochodzi zbiór recept alchemicznych przypisywanych fikcyjnemu Markowi Grekowi (Marcus Graecus). Problemem jest fakt, że wszystkie wzmianki o prochu czarnym zostały odnotowane w Europie znacznie później niż pierwsze przypadki jego militarnego zastosowania. Przypuszcza się jednak, że te receptury prochu czarnego nie zostały opracowane samodzielnie przez zakonników i opierają się na przepisach, które pochodzą ze znacznie dawniejszych źródeł^[7].

Na przełomie X i XI wieku proch o niskiej zawartości saletry zaczęto najprawdopodobniej używać w celach militarnych w pociskach zapalających wystrzeliwanych z machin miotających^[14]. W księdze Wujing Zongyao z połowy XI w. znajdują się przepisy na bomby wybuchowe, zapalające i trujące; podaje ona przepis na mieszaninę saletry, siarki, żywic i olejów, w której przybliżone proporcje saletry, siarki i węgla wynoszą ok. 50–26% – 24%. Mieszanina taka miałaby zdolność gwałtownego spalania, ale nie detonacji^[15]. Mieszanki prochowe dające strumień ognia wykorzystano do budowy przenośnych miotaczy ognia – lanc ognistych, w których stopniowo używano coraz więcej drobnych pocisków (np. fragmentów porcelany), które wyrzucane przez gorące gazy miały dodatkowe działanie rażące^[16]. Na pewno przed 1350 rokiem, a być może już z początkiem XIII w. zaczęto wykorzystywać do konstrukcji lanc rur metalowych^[17]. Następnie ulepszenie ich konstrukcji przez wzmocnienie lufy i ściślejsze dopasowanie do niej pocisku, doprowadziło do powstania broni palnej. Do powszechnego zastosowania w wojskowości wszedł jednak dopiero w drugiej połowie XV wieku^[18].

Obecnie w Polsce proch czarny jest produkowany w fabryce w Mąkolnie, która jest jedną z najstarszych czynnych fabryk prochu czarnego na świecie^[19][20][21].

Zobacz multimedia związane z tematem: Proch czarny

• proch chloranowy

• JosephJ. Needham JosephJ., Peng YokeP.Y. Ho Peng YokeP.Y., Gwei-DjenG.D. Lu Gwei-DjenG.D., LingL. Wang LingL., Chemistry and Chemical Technology, Cambridge, London, New York: Cambridge University Press, 1986 (seria „Science and civilisation in China”. Vol. 7), ISBN 978-0-521-30358-3 .