Trinitrotoluol

Trinitrotoluol (TNT) ist ein Sprengstoff. Die korrekte Bezeichnung für TNT ist gemäß der Nomenklatur der IUPAC 1-Methyl-2,4,6-Trinitrobenzen. Im Artikel zum Molekül der Woche werden die gebräuchlicheren Bezeichnungen Trinitrotoluol und Toluol (statt Toluen bzw. Methylbenzen) verwendet.

Hergestellt wurde TNT erstmals von Joseph Wilbrand im Jahre 1863, die Großproduktion wurde in Deutschland 1891 aufgenommen.

Die Sprengkraft von TNT ist zum Maßstab der Stärke von Bomben und anderen Sprengkörpern geworden.

 

Eigenschaften

Trinitrotoluol bildet hellgelbe, nadelförmige Kristalle und kann im Vakuum destilliert werden. In Wasser ist es sehr schwer löslich, gut löslich hingegen in Ether, Aceton, Benzen und Pyridin. Mit seinem niedrigen Schmelzpunkt von 80,8 °C lässt sich TNT in Wasserdampf schmelzen und kann in Formen gegossen werden. TNT ist giftig und kann bei Hautkontakt allergische Reaktionen hervorrufen. Es färbt die Haut leuchtend gelborange.

 

Geschichte

TNT wurde zum ersten Mal 1863 von Joseph Wilbrand in unreiner Form synthetisiert. Mit der Entwicklung der reinen Synthese 1880 durch P. Hepp und der Entdeckung von TNT als geeignetem Explosivstoff durch Häussermann 1889 kam es in Deutschland ab 1901 zur großtechnischen Produktion. Besonders durch den Bedarf des Militärs an TNT als Füllung von Granaten (ab 1902 zuerst in Deutschland) entstanden rasch zahlreiche Fabriken. Der Ausgangsstoff für die Herstellung von Trinitrotoluol, Toluen (Toluol), konnte damals aber nur in begrenzter Menge hergestellt werden, da man auf die Gewinnung aus Steinkohlenteer angewiesen war, einem Gemisch aus Tausenden von Einzelsubstanzen, welches bei der Koksgewinnung anfällt. Aus heutiger Sicht ist diese Methode allerdings nicht mehr wirtschaftlich, da der Anteil des Toluols im Steinkohlenteer relativ gering ist.

Im Zweiten Weltkrieg wurde TNT wiederum verstärkt produziert. Sogenannte „Schlaffabriken“ wurden schon vor Kriegsanfang errichtet, zumeist mit zweifacher Ausführung der Anlagen, damit bei Zerstörungen und Beschädigungen weiter Sprengstoff hergestellt werden konnte. Die produzierten Mengen hatten drastisch zugenommen. So belief sich die Menge des im Deutschen Reich produzierten TNT auf 18.000 Tonnen pro Monat, während des Krieges wurden insgesamt ca. 0,8 Millionen Tonnen hergestellt. Diese Steigerung war möglich, weil das notwendige Edukt nun auch aus Erdöl gewonnen werden konnte. In einem zweistufigen Prozess, dem „Deutschen Verfahren“, wurde das Toluol zunächst einfach nitriert. Das entstandene Mononitrotoluol (MNT) reinigte man von unerwünschten Nebenprodukten und nitrierte erneut, wodurch über Dinitrotoluol (DNT) das gewünschte Roh-TNT erzeugt wurde. Nach mehrfachem Waschen und Trocknen konnte es granuliert und dann verarbeitet werden. Sicherheitsmaßnahmen wurden dabei vernachlässigt, um für Nachschub an der Front zu sorgen. Da TNT lange Zeit für ungiftig gehalten wurde, neutralisierte man lediglich die Abfälle und ließ sie in Naturgewässer fließen, wo sie sich teilweise in Form von Schlamm ablagerten und als Rüstungsaltlasten die Umwelt schädigen. Hinsichtlich der unbekannten Toxizität ist bekannt, dass zwischen 1911 und 1915 279 Munitionsarbeiter gestorben sind, weil sie kleine Mengen über Haut und Atemwege aufgenommen hatten.

Heutzutage erfolgt die technische Gewinnung durch das thermische Cracken von Erdöl und der Platin-Reforming mit anschließender Dehydrocyclisierung, kurz Platforming, bei dem aus Alkanen und Cyclo-Alkanen Aromaten gewonnen werden. Während Wasserstoff durch Katalysatoren aus Platin oder Aluminiumoxid abgespalten wird (Dehydrierung), verändern die Alkane ihre Struktur zu Ringen (Cyclisierung) und bilden dann das delokalisierte Elektronensystem aus. So kann Heptan zu Toluol umgesetzt werden.

Auch besteht die Möglichkeit in einen schon bestehenden Aromaten eine Alkylgruppe einzuführen. 1877 entwickelten Charles Friedel und James Mason Crafts dieses Verfahren, welches daher nach diesen benannt wurde. Mit Aluminiumhalogeniden als Katalysator reagiert Benzol nämlich mit Alkylhalogeniden.

In der technischen Umsetzung ist es Aluminiumchlorid, welches das Alkylhalogenid aktiviert. Dieses vermag letzteres immer weiter zu polarisieren, solange bis die Alkylgruppe vom Halogen gespalten wird und einen Elektronenmangel aufweist, so dass es zum elektrophilen Alkylrest wird.

 

Verwendung

TNT ist noch heute der wichtigste militärische Sprengstoff und hat eine Detonationsgeschwindigkeit von 6900 m/s. Verwendung findet er sowohl im militärischen als auch im gewerblichen Bereich in Mischungen als Sicherheitssprengstoff, der nur durch Initialzündung (beispielsweise mittels Sprengkapsel) zum Detonieren gebracht werden kann. Gegossenes TNT benötigt zur sicheren Zündung sogar eine Verstärkerladung, einen sog. Booster. TNT allein kann durch Feuer oder Hitze nicht zur Explosion gebracht werden; es brennt einfach ab. Aufgrund der hohen Herstellungskosten (etwa das 20-fache gewerblicher Sprengstoffe) ist sein Haupteinsatzgebiet jedoch vornehmlich der militärische Bereich, in dem es als Gefechtsladung von beispielsweise Granaten, Bomben und Minen zum Einsatz kommt.

Der Energiegehalt beträgt in SI-Einheiten:

1 kg TNT = 4,6 Megajoule (4,6 · 106 Joule)

Die häufig im Zusammenhang mit atomarer Explosionen verwendete Einheit TNT-Äquivalent basiert hingegen auf der Kalorie und ist definiert durch

1 KT (Kilotonne TNT) = 1012 cal = 4.184 · 1012 J.

Die Einheiten Megatonne und Gigatonne sind analog definiert. Durch die Großschreibung soll die Verwechslung mit der Masseneinheit Kilotonne verhindert werden.

 

Warum explodiert TNT?

TNT ist einer der bekanntesten chemisch homogenen Explosivstoffe. Er verdankt seine Explosivität, wie alle homogenen Explosivstoffe, seiner chemischen Instabilität. Chemisch homogene Explosivstoffe bestehen nicht aus einem Stoffgemisch aus Brennstoff und Sauerstoffträger (wie z. B. Schwarzpulver), sondern nur aus einer einzigen Substanz. Der für die Explosion nötige Brennstoff und der Oxidator sind dabei im Molekül der Substanz gebunden. Durch die Nähe der Reaktionspartner auf molekularer Ebene und durch die Feinverteilung im kleinstmöglichen (atomaren) Maßstab kann eine optimale Umsetzung der Reaktionspartner erreicht werden.

Wird dem TNT-Molekül durch ein geeignetes Verfahren (Druck- und Wärmeeinwirkung) Energie zugeführt, wird das begrenzt stabil eingelagerte Stickstoffatom zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff entfernt und die Umsetzung des Stoffes beginnt. Wurde eine ausreichende Menge der Substanz gezündet, erhält die abgegebene Energie die Reaktion aufrecht und die gesamte Stoffmenge reagiert. Die Umsetzung erfolgt dabei in einer sehr schnellen, schmalen Reaktionszone, welche die Substanz wie eine Welle durchläuft. Die Geschwindigkeit dieser Reaktionszone erreicht bei leistungsfähigen Explosivstoffen mehrere tausend Meter pro Sekunde, überschreitet also die innerstoffliche Schallgeschwindigkeit. Durch die freigesetzte Energie und die Entstehung von Gasen als Reaktionsprodukte kommt es zu einem extrem steilen Druck- und Temperaturanstieg, was die Effizienz brisanter Sprengstoffe begründet.

Das Bild gibt das Grundprinzip wieder. In Wirklichkeit entstehen bei der Detonation von TNT noch weitere Reaktionsprodukte. Wegen des zu geringen Sauerstoffanteils im Molekül entstehen unter anderem giftige Stoffe wie Kohlenmonoxid und Cyanwasserstoff (Blausäure).

Praktisch alle militärischen Sprengstoffe basieren auf homogenen Explosivstoffen, die aber fast immer zur Erhöhung der Sicherheit, zur Steigerung der Leistung oder zur Erweiterung des Einsatzspektrums mit verschiedenen Zuschlagstoffen versehen werden.

 

Quellen: www.chemie.de/lexikon;

Bilder: www.celebboard.net; www.locally.de; https://www.mpipks-dresden.mpg.de