Het geheim van het dynamiet

Aan Alfred Nobel hebben we het dynamiet te danken; het eerste sterke en relatief veilige explosief. Het is een scheikundige prestatie die de samenleving sinds de vorige eeuw sterk heeft beïnvloed. De grote uitvinding van Nobel was niet het explosief nitroglycerine zelf, maar de manier om de stof ook echt als springstof te gebruiken.

1 januari 2007

De kleur van chemie

Dit artikel is afkomstig uit het hoofdstuk ‘Alfred Nobel’ uit de VU-uitgave ‘’, een bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren.

Het gevaarlijke van ‘nitroglycerine’ (de juiste chemische benaming is glyceryltrinitraat) is dat het een uiterst gevoelig explosief is. Chemici zeggen dat het een erg lage activeringsenergie heeft voor de explosieve ontleding. Het moment van exploderen is daarom volstrekt onvoorspelbaar. Nobels grote vondst is dat hij daar een mouw aan wist te passen.

Na ruim een jaar experimenteren ontdekte Nobel een stof die als negatieve katalysator werkt: kiezelgoer, een poreus gesteente dat onder andere aan de Oostzeekust voorkomt. De moleculen nitroglycerine adsorberen aan het oppervlak van het poreuze gesteente, zodat ze niet zo gemakkelijk meer met elkaar kunnen reageren. Een spontane explosie komt dan haast niet meer voor.

Explosieve chemie

Nitroglycerine wordt gemaakt uit glycerol en nitreerzuur. Dat laatste is een mengsel van geconcentreerd salpeterzuur en geconcentreerd zwavelzuur. De reactie is een gewone verestering tussen een alcohol en salpeterzuur, waarbij het zwavelzuur dient om het water dat bij deze condensatiereactie ontstaat, te binden. Het evenwicht verschuift naar rechts en de vorming van nitroglycerine is een feit. Een lastig feit, dat wel. Voor je het weet ontploft je reactievat. Nitroglycerine werd het eerst gemaakt in 1846 door de Italiaan Sobrero, die al snel in de gaten had dat het goedje veel te gevaarlijk was om mee te werken.

Nobel maakte een mengsel van één deel kiezelgoer op drie delen nitroglycerine en noemde dat dynamiet. De combinatie met een andere uitvinding, ongeveer een jaar eerder, maakt het geheel tot een goed bruikbaar explosief. Dat was de uitvinding van het slaghoedje. Dit slaghoedje bevat een kleine hoeveelheid van een zeer gevoelige stof.

Het slaghoedje zoals Nobel het uitvond, bestond uit een hoeveelheid knalkwik, Hg(OCN)₂ in een stevige capsule. Een klap die hard genoeg is om de capsule te vervormen, laat het knalkwik exploderen. Deze explosie zet daarna de explosie van het minder gevoelige dynamiet in gang.

De combinatie van deze twee uitvindingen: het slaghoedje, waardoor de reactie op gecontroleerde wijze in gang wordt gezet, en kiezelgoer, dat de gevoeligheid vermindert, maakte Nobel rijk.

Jammer alleen dat hij ze in de verkeerde volgorde uitvond. In het jaar dat hij al wel het slaghoedje had, maar nog niet met kiezelgoer werkte, ontplofte z’n werkplaats met de hele voorraad nitroglycerine.

Nitroglycerine of glyceryltrinitraat

‘Nitroglycerine’, zo stond de explosieve stof bekend in de tijd dat Nobel er mee werkte, en zo noemen veel mensen deze stof nog steeds. Chemisch is deze naam echter niet juist. Nitro_-groepen zijn NO₂ groepen die met het stikstofatoom aan een koolstofatoom vastzitten. In _nitroglycerine zitten NO₃ groepen die met een zuurstofatoom aan een koolstofatoom vastzitten, en zoiets heet een nitraat.

Ook in het geval van cellulosenitraat is de veelgebruikte naam nitrocellulose niet juist.

Een ander explosief is TNT, trinitrotolueen. Die naam is wèl goed: in deze stof zitten drie nitrogroepen (tolueen is de triviale naam voor methylbenzeen).

Gevaarlijke nitraten

Niet alleen glyceryltrinitraat (nitroglycerine), de grondstof van dynamiet, maar ook veel andere nitraten zijn explosief. Niet alleen koolstofverbindingen met nitro-groepen en nitraatgroepen, maar ook nitraten als zouten. Buskruit, het oudst bekende explosief, bevat bijvoorbeeld kaliumnitraat (salpeter).

De meeste mensen kennen nitraten alleen als bestanddeel van kunstmest.
En terecht, want daar worden veruit de meeste nitraten voor gebruikt. Planten hebben voor de opbouw van aminozuren (eiwitten) stikstof nodig, en halen die meestal uit nitraten. Vooral ammoniumnitraat is erg geschikt, want daar zit nog meer stikstof in dan in kaliumnitraat.

Dat ammoniumnitraat ook explosief kan ontleden, was tot 70 jaar geleden nauwelijks bekend. Grote hopen ammoniumnitraat op fabrieksterreinen, die door de regen helemaal vastgeklonterd waren, werden met kleine springladingen los gemaakt zodat het ammoniumnitraat verwerkt kon worden.

De laatste keer dat deze werkwijze werd toegepast was op 21 september 1921 op een groot fabrieksterrein in Oppau (Duitsland). Op deze dag reageerde een enorme berg ammoniumnitraat volgens de reactievergelijking
2 NH₄NO₃ (s) —> 2 N₂ (g) + 4 H₂O(g) + O₂ (g)
Na de reactie bleken met de berg ammoniumnitraat ook een aantal dichtbijgelegen fabrieken geheel verdwenen te zijn. De explosie kostte aan 600 mensen het leven.

Nitraten zijn dus verraderlijk. In kleine hoeveelheden zijn het meestal ongevaarlijke en veel gebruikte chemicaliën, maar tegelijk zijn ze de basis voor veel explosieven. Bij hun ontleding neemt het volume enorm toe, omdat de ontledingsprodukten gassen zijn. Hoe groter de volumeverandering en hoe sneller en vollediger de reactie plaats vindt, des te effectiever en krachtiger is het explosief.

Alle Kennislinkartikelen uit het hoofdstuk ‘Alfred Nobel’:

Het boek ‘De kleur van chemie’ werd in 2007 uitgegeven door de Faculteit der Exacte Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam (Afdeling Scheikunde en Farmaceutische Wetenschappen). Het is een geactualiseerde bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren. Ze belichten de rol van de scheikunde op tal van gebieden.