Heksogen ili ti drugačije na engleskom Research Department eXplosive (RDX) je eksplozivni nitroamin sa širokim spektrom vojnih i industrijskih upotreba, ali između ostalih naziva, je i organsko jedinjenje sa formulom (O2 N2 CH2)3. Hemijski je klasifikovan kao nitroamin pored HMX-a , koji je energičniji to jest moćniji eksploziv od TNT-a. Široko je korišćen u Drugom svetskom ratu i ostao je uobičajen u vojnim primenama.
Heksogen je takođe poznat kao ciklonit (posebno na nemačkom govornom području), i T4. Njegovo hemijsko ime je ciklotrimetilentrinitramin (ciklotrimetilen-trinitramin, ciklotrimetilen trinitramin).
U svom čistom stanju RDX je bela kristalna materija. On se često koristi u smeši sa drugim eksplozivima i plastifikatorima (desenzibilizatori); to je eksplozivno sredstvo u plastičnom eksplozivu C-4 i ključni sastojak Semteks-a. RDX je stabilan tokom skladištenja i smatra se jednim od najmoćnijih i najrazornijih vojnih eksploziva, sa relativnim faktorom efikasnosti od 1,60.
Ime
RDX (heksogen) je takođe manje poznat kao ciklonit, heksogen (naročito na ruskom, francuskom, nemačkom jeziku i Nemački uticajni jezici), T4 i, hemijski, kao ciklotrimetilen trinitramin. Tokom 1930-ih, Kraljevski Arsenal Vulvič, počeo je da istražuje ciklonit za upotrebu protiv nemačkih podmornica koje su se gradile sa debljim trupovima. Cilj je bio da se razvije eksploziv energičniji od TNT-a. Iz bezbednosnih razloga, Britanija je ciklonit nazvala „Istraživačko odeljenje za eksplozive” (Research Department Explosive - RDX). Termin RDX pojavio se u Sjedinjenim Državama 1946. Prva javna referenca u Ujedinjenom Kraljevstvu na ime RDX, ili R.D.X, da koristimo zvanični naslov, pojavio se 1948. godine; njeni autori su bili glavni hemičar, ROF Bridgvater, odeljenje za hemijsko istraživanje i razvoj, Voolvič, i direktor Roial Ordnance Factories, Ekplosives; opet, nazvan je jednostavno RDX.;
Upotreba
thumb|right|Oružari se pripremaju da utovare bombe srednjeg kapaciteta od u odeljak za bombe Avro Lancaster B Mark III iz 106. eskadrile RAF-a u RAF Metheringhamu pre velikog noćnog napada na Frankfurt. Slovo sa šablonom po obodu svake bombe glasi "RDX/TNT".
RDX je bio naširoko korišćen tokom Drugog svetskog rata, često u eksplozivnim smešama sa TNT-om , kao što su Torpeks, Kompozicija B, Ciklotoli i Kompozicija H6. RDX je korišćen u jednom od prvih plastičnih eksploziva. Odskočne dubinske bombe koje su korišćene u „Dambusters Raid-u“ sadržale su Torpeksa;. Tallboi i Grand Slam bombe koje je dizajnirao Barnes Vallis takođe su koristile eksploziv Torpeks.
Veruje se da je RDX korišćen u mnogim zaverama za bombe, uključujući terorističke zavere.
RDX je osnova za brojne uobičajene vojne eksplozive:
Kompozicija A: Granulirani eksploziv koji se sastoji od RDX i plastifikacionog voska, kao što je kompozicija A-3 (91% RDX obložena 9% voska) i kompozicija A-5 (98,5 do 99,1% RDX prevučena sa 0,95 do 1,54% stearinske kiseline). Kompozicija B: Mešavine za livenje od 59,5% RDX i 39,4% TNT sa 1% voska kao desenzibilizator. Kompozicija C: Originalna kompozicija C je korišćena u Drugom svetskom ratu, ali je bilo naknadnih varijacija uključujući C-2, C-3 i C-4. C-4 se sastoji od RDX (91%); plastifikatora, dioktil sebakata (5,3%); i vezivo, koje je obično poliizobutilen (2,1%); i ulje (1,6%). Kompozicija CH-6: 97,5% RDX, 1,5% kalcijum stearat, 0,5% poliizobutilen i 0,5% grafit. DBX (Depth Bomb Explosive): Mešavina koja se sastoji od 21% RDX, 21% amonijum nitrata, 40% TNT i 18% aluminijuma u prahu, razvijena tokom Drugog svetskog rata, trebalo je da se koristi u podvodnoj municiji kao zamena za Torpeks koji koristi samo polovina količine tada oskudnog RDX-a. OP 1664 states 21% "aluminum nitrate", but the immediately following text refers to ammonium nitrate. Ciklotol: Mešavina RDX-a (50–80%) sa TNT-om (20–50%) označena količinom RDX/TNT-a, kao što je Ciklotol 70/30. HBX: Mešavine RDX-a, TNT-a, aluminijuma u prahu i D-2 voska sa kalcijum hloridom Kompozicija H6: Mešavina RDKS-a, TNT-a, aluminijuma u prahu i parafinskog voska (koristi se kao sredstvo za flegmatizaciju) PBX: RDX se takođe koristi kao glavna komponenta mnogih eksploziva vezanih za polimer (PBX); PBX bazirani na RDX-u se obično sastoje od RDX-a i najmanje trinaest različitih polimer/ko-polimer veziva. Primeri formulacija PBX baziranih na RDX uključuju, ali nisu ograničeni na: PBX-9007, PBX-9010, PBX-9205, PBX-9407, PBX-9604, PBXN-106, PBXN-3, PBXN-6, PBXN-10, PBXN-201, PBX-0280, PBX tip I, PBXC-116, PBXAF-108, itd. Semteks: (trgovačko ime): Plastični eksploziv za rušenje koji sadrži RDX i PETN kao glavne energetske komponente. Torpeks: 42% RDX, 40% TNT i 18% aluminijum u prahu; smeša je dizajnirana tokom Drugog svetskog rata i korišćena je uglavnom u podvodnom naoružanju.
Izvan vojnih aplikacija, RDX se takođe koristi u kontrolisanom rušenju nekih struktura ili građevina. Rušenje Džjmstaunskog mosta u američkoj državi Roud Ajlend bio je jedan od primera kada su naboji u obliku RDX korišćeni za uklanjanje raspona.
Proizvodnja
Od otkrića heksogena, opisano je oko 30 različitih metoda za njegovu sintezu. Od ovog broja, 14 metoda je izvodljivo u laboratoriji, ali nijedna od njih nije bezbedna bez odgovarajućeg znanja, dobre laboratorijske opreme i tačnog poznavanja i pridržavanja procedura.
Sinteza
RDX hemičari klasifikuju kao derivat heksahidro-1,3,5-triazina. U laboratorijskim uslovima (industrijski putevi su opisani u nastavku posebno) dobija se tretiranjem heksamina sa belom dimećom azotnom kiselinom.
400px
Ova reakcija nitrolize takođe proizvodi bis-oksadiazol, amonijum nitrat i vodu kao nusproizvode. Ukupna reakcija je:
C6H12N4 + 10 HNO3 → C3H6N6O6 + 3 CH2(ONO2)2 + NH4NO3 + 3 H2O
Moderne sinteze koriste heksahidro triacil triazin jer izbegava stvaranje HMX-a.
Nitroliza sa azotnom kiselinom
Najstarija i najjednostavnija metoda je nitroliza bezvodnom azotnom kiselinom. Prema ovoj metodi, male doze urotropina (heksamin, heksametilentetramin) se dodaju u ohlađenu anhidrovanu azotnu kiselinu, a temperatura se održava na 20 °C intenzivnim hlađenjem. Koncentracija azotne kiseline HNO3 je najmanje 98%.
Glavna reakcija se odvija istovremeno prema dve jednačine:
(CH2)6N4 + 4 HNO3 → (CH2N.NO2)3 + 3 CH20 + NH4NO3 (nastaju formaldehid i amonijum nitrat) (CH2)6N4 + 6 HNO3 → (CH2N.NO2)3 + 6 H20 + 3 CO2 + 2 N2
Takođe se dešava i hidroliza heksogena amonijaka i formaldehida i oksidacije formaldehida azotnom kiselinom. Pored toga, mogu se javiti i druge neželjene reakcije koje daju druga eksplozivna jedinjenja.
SH proces: je razvio Schnurr (Nemačka, 1937-38) - zasnovan je na heksaminu i azotnoj kiselini. Heksamin se dodaje u koncentrovanu, 99% azotnu kiselinu u odnosu 1 deo heksamina prema 8 delova HNO3 na temperaturi nitrata od 5-10 °C. Nitracija u prvom nitratoru traje sat vremena, nakon čega smeša prelazi u druge reaktore, gde se za dva sata temperatura podiže na 20 °C i reakcija se završava. Nakon toga, smeša se prenosi u razblaživače sa vodom tako da koncentracija HNO3 ne padne ispod 50% i na temperaturi od 70-75 °C sa azot-dioksidom, uklanjajući neželjene nečistoće putem kontrolisanog procesa oksidacije. Heksogen se izlučuje u obliku kristala. Smeša se postepeno hladi do 20 °C i heksogen se skoro potpuno eliminiše. Sledi pranje vodom. Stabilizacija ključanjem tokom dva sata na pritisku od 0,35 MPa i temperaturi od 140 °C je napuštena nakon eksplozije linije. U upotrebu je ušla rekristalizacija heksogena iz acetona.
Proces K: je razvio Knoffler (Nemačka, 1943) – baziran je na heksaminu, azotnoj kiselini i amonijum nitratu. Proces daje bolje prinose od SH procesa i sigurniji je – reakcija se može odvijati na temperaturi do 80 °C, dok SH proces rizikuje eksploziju na temperaturi od 25 °C.
Reakcija se odvija prema jednačini:
(CH2)6N4 + 2 NH4NO3 + 4 HNO3 → 2 (CH2N.NO2)3 + 6 H20
Heksamin se dodaje u koncentrovanu, 99% azotnu kiselinu u odnosu 1 deo heksamina prema 8,6 delova HNO3 i izračunate količine NH4NO3 na temperaturi od 15 °C. Smeša je prebačena u reaktor i zagrevana na 80 °C 30 minuta. Nakon prelaska u drugu posudu, smeša se ohladi na 20 °C, dok se oko 90% heksogena eliminiše.
Nastaje problem, šta je sa otpadnom kiselinom, koja još uvek sadrži 10% heksogena i amonijum nitrata, što onemogućava laku reciklažu. Rešenje je da se otpadna kiselina ohladi na -12 °C, dok amonijum nitrat kristališe u obliku amonijum trinitrata (NH4NO3.2 HNO3) i primenjuje se na ulaz procesa. Otpadna kiselina se dalje obrađuje kako bi se isključio ostatak heksogena i koristi se za pripremu NH4NO3.
Proces V: je razvio Volfram (1934) – baziran je na sulfaminskoj kiselini, formaldehidu i azotnoj kiselini. Sulfaminska kiselina se priprema od sumpor-dioksida i amonijaka i pretvara u kalijumovu so. Kondenzuje se sa formaldehidom i formira kalijum metilenaminosulfonat. Ova supstanca se nitrira mešavinom za nitriranje pripremljenom od 99% HNO3 i sumpor-dioksida. Nastali heksogen se delom odmah izlučuje, a delom ostaje u rastvoru. Potpuno isključivanje se obezbeđuje razblaživanjem reakcione smeše vodom. Heksogen je ispran vodom do neutralne reakcije. Prvobitno je rekristalizovan iz nitrobenzena. Nakon eksplozije, linija je prešla na rekristalizaciju iz acetona. Metoda je manje isplativa i prekinuta je nakon rata.
Proces E: razvili su Eble (u Nemačkoj 1935-1938) i nezavisno od Ross i Schieseler (u SAD 1940) - zasnovan je na paraformaldehidu, sirćetnom anhidridu i amonijum nitratu.
Glavna reakcija se odvija prema formuli:
3 CH2O + 3 NH3NO2 + 6 (CH3CO)2O → (CH2N.NO2)3 + 12 CH3COOH
Prednost je što se formiranje heksogena odvija bez nitriranja, a nedostatak je upotreba relativno skupog anhidrida sirćetne kiseline. Bor fluorid se koristi kao katalizator, koji olakšava početak reakcije i ograničava sporedne reakcije koje proizvode oktogen i uglavnom mnogo linearnih nitramina. Pripremljeni heksogen ima nižu tačku topljenja (190–195 °C), što ukazuje da je relativno nečist i da se mora dalje prečistiti. Većina linearnih nitramina je dobro rastvorljiva u sirćetnoj kiselini, tako da je dovoljno izdvojiti heksogen iz otpadne kiseline. Linearni nitramini se mogu vratiti u reakciju jer mnogi od njih formiraju heksogen u prisustvu amonijum nitrata i anhidrida sirćetne kiseline.
U industrijskim uslovima prinos je 60-65%, u laboratorijskim uslovima moguće je postići prinos do 80% (računato na formaldehid). Sirćetna kiselina se destiluje iz reakcione smeše ili ekstrahuje etil acetatom i koristi za proizvodnju anhidrida sirćetne kiseline.
Proces KA: je razvio Knoffler (Nemačka 1943), to je zapravo kombinacija procesa K i procesa E. Postupak se zasniva na heksamin dinitratu, amonijum dinitratu i sirćetnom anhidridu. Heksamin dinitrat se dobija tretiranjem heksamina sa 50% HNO3 na temperaturi ispod 15 °C.
Glavna reakcija se odvija prema jednačini:
(CH2)6N4.HNO3 + 2 (NH4NO3.HNO3) + 6 (CH3CO)2O → 2 (CH2N.NO2)3 + 12 CH3COOH
U reaktoru se priprema smeša dela anhidrida sirćetne kiseline i filtrata iz prethodne šarže, temperatura se održava na 40-50 °C. Amonijum dinitrat i heksamin dinitrat se postepeno dodaju u manjim dozama. Zatim se dodaje druga doza anhidrida sirćetne kiseline i ponovo se dodaju amonijum dinitrat i heksamin dinitrat u manjim dozama. Nakon poslednje doze, temperatura se povećava na 60 °C i održava se pola sata. Ceo proces traje oko 4 sata. Smeša se zatim ohladi na 20 °C i kristalizovani heksogen se odaje. Prinos je oko 70%. Dobijeni heksogen ima tačku topljenja od 185-190 °C i kontaminiran je nečistoćama. Deo filtrata se direktno vraća, veći deo se destiluje. Posle destilacije sirćetne kiseline u ostatku destilacije ostaje jako zagađen heksogen sa tačkom topljenja manjom od 160 °C, koji se takođe može vratiti na početak reakcije i tako povećati prinos.
Bahmanov proces: – razvio ga je Bahman (SAD 1941) i predstavlja varijantu KA procesa.