1. 개요
폭발물이 폭발할 때, 구성 원소간의 화학 결합은 급격하게 끊어지고 재형성된다. 이 과정에서 질소는 N2, 대부분의 다른 원소들은 열역학적으로 가장 안정한 산화물[1]을 형성하려는 경향이 있다. 하지만 대부분의 폭발물에 포함되어 있는 산소는 다른 원소들과 반응해 가장 안정한 산화물을 형성하기에는 양이 부족하다.[2] 이를 정량적으로 표시하기 위해서, 질소를 제외한 다른 원소들과 반응해 가장 안정한 산화물을 형성하기 위해 필요한 산소의 양을 기준으로 해 폭발물에 포함된 산소의 과부족을 나타낸 것을 산소 평형이라고 한다.2. 계산
산소 평형을 정의대로 계산하기 위해서는 먼저 폭발물 1분자가 완전연소할 때의 반응식을 작성해야 한다. 이때 보통의 연소 반응식과는 다르게, 필요한 산소를 반응식의 오른쪽에 표시하는 것이 계산하기에 직관적이다.[3]| [math(X → aCO_2 + bH_2O + cN_2 + d)][4][math(O_2)][5] |
이때 폭발물의 분자량을 M, 위 반응식에서의 산소의 양을 m[6]이라 하면, 산소 평형 Ω는 다음과 같이 정의된다.
| [math(\Omega = \dfrac mM \times 100 \%)] |
또한 C, H, N, O로만 구성된 폭발물에 한해 산소 평형을 계산하는 다른 방법도 존재한다. 폭발물의 화학식이 CxHyNzOw이고, 분자량이 M일 때 산소 평형은 다음과 같다. [7]
| [math(\Omega = -\dfrac {15.9994 \times (2x + 0.5y - w)}{M} \times 100 \%)] |
- 【 계산 예시 펼치기· 접기 】
- 가장 널리 알려진 폭발물 중 하나인 TNT(C7H5N3O6)를 기준으로 계산을 진행하겠다.
먼저 정의대로 계산할 경우, TNT의 완전연소 반응식은 C7H5N3O6 → 7CO2 + 5/2H2O + 3/2N2 - 21/4O2이므로 산소 평형은 다음과 같다.[math(\Omega = \dfrac {-5.25 \times (15.9994 \times 2)}{227.1312} \times 100 \% = -73.96\%)]
또한 공식을 이용할 경우,
로 정의대로 계산했을 때의 값과 일치함을 확인할 수 있다.[math(\Omega = -\dfrac {15.9994 \times (14 + 2.5 - 6)}{227.1312} \times 100 \% = -73.96\%)]
3. 활용
폭발물의 산소 평형 값에 따라, 분해 반응식을 작성할 때 사용하기 적합한 규칙이 달라진다. 대표적으로 Ω < -40%인 경우에는 가장 흔히 사용되는 키스티아코프시키-윌슨 측정법(Kistiakowsky-Wilson rule)을 사용할 수 없다. 이 경우에는 수정 키스티아코프시키-윌슨 측정법(modified Kistiakowsky-Wilson rule)이나 스프링갈 로버트 측정법(Springall Roberts rule) 등을 사용하게 된다.산소 평형 값과 폭발물의 위력이 직결되는 것은 아니지만, 일반적으로 산소 평형 값이 클수록 폭발 시 발생하는 열에너지는 커진다.
4. 폭발물별 산소 평형 일람
상업적으로 이용되는 대부분의 폭발물은 니트로글리세린 정도를 제외하면 대부분 산소 평형이 음의 값을 갖는다. 또한 알루미늄 가루 등을 혼합하게 되면 실질적인 산소 평형 값은 더 작아진다. 그런데 왜 산화제를 섞지 않나면 순수한 산소는 기체라 넣기 어려우므로 화합물 형태로 넣어야 하는데[8] 이럴 경우 그냥 폭발물을 더 넣는게 부피/질량 대비 폭발력이 더 크기 때문이다. 어차피 대기중에 산소가 존재하므로 순수한 열량 그 자체가 목적이라면 폭발 순간은 아니더라도 언젠간 평형에 도달한다.산소 평형 값이 큰 순서대로 정렬했다.
| 이름 | 화학식 | 산소 평형(%) |
| Ammonium nitrate | NH4NO3 | +19.99 |
| Nitroglycerine | C3H5(NO3)3 | +3.52 |
| Nitroglycol | C2H4(ONO2)2 | 0.00 |
| Silver Azide | AgN3 | 0.00 |
| EGDN | C2H4(NO3)2 | 0.00 |
| Lead Azide | Pb(N3)2 | -5.49 |
| PETN | C5H8(NO3)4 | -10.12 |
| CL-20 | C6H6N12O12 | -10.95 |
| TNAZ | C3H4N4O6 | -16.66 |
| Mercury Fulminate | Hg(CNO)2 | -16.86 |
| Lead Styphnate | PbC6H(NO2)3O2 | -18.79 |
| GUDN | \[(NH2)2CNHCONH2\]N(NO2)2 | -19.13 |
| DADNE | (H2N)2C2(NO2)2 | -21.61 |
| RDX | (O2NNCH2)3 | -21.61 |
| HMX | (O2NNCH2)4 | -21.61 |
| Nitrocellulose (14.14%N)[9][10] | \[C6H7(NO2)3O5\]n | -24.24 |
| Nitroguanidine | (NH2)2CNNO2 | -30.75 |
| Picric acid | (O2N)3C6H2OH | -45.39 |
| Tetryl | (O2N)3C6H2(O2NNCH3) | -47.36 |
| NTO | C2H2N4O3 | -49.18 |
| TATB | C6(NO2)3(NH2)3 | -55.78 |
| Tetrazene | C2H6N10·H2O | -59.52 |
| HNS | \[(O2N)3C6H2CH\]2 | -67.52 |
| TNT | C6H2(NO2)3CH3 | -73.96 |
| TATP | (OC(CH3)2O)3 | -107.98 |
[1] 수소는 H2O, 탄소는 CO2 등.[2] 물론 질산암모늄과 같이 산소가 남는 경우도 있다.[3] 산소 평형과 이 반응식에서의 산소의 계수가 부호가 일치하기 때문이다.[4] d가 음의 값을 가져도 무관하다.[5] 폭발물에 금속 원소, 대표적으로 납 등이 포함되어 있다면 그 금속의 산화물도 추가한다. 단 AgN3의 Ag와 같이 산화물을 잘 형성하지 않는 금속이라면 금속 상태로 쓴다.[6] ≒ 32d[7] 아래 식에서 15.9994는 산소의 원자량이며, 16으로 근사해 사용해도 무방하다.[8] 사실 산화력을 가진 산소를 가진 염이라봐야 SO4나 NO3 정도다. 염이 아닌 경우 상온에서 액체/기체이므로 사용이 지극히 곤란하다.[9] 니트로화 정도에 따라 산소 평형이 다르다.[10] 니트로화가 많이 될수록 산소평형도 개선되고 폭발력도 크지만 고순도의 니트로화는 매우 어려운 기술이며 안정성도 급격히 낮아진다.