Karabarut
Karabarut, kükürt, odun kömürü ve potasyum nitratın bir karışımıdır. Kükürt kullanılmadan sadece potasyum nitrat ve odun kömüründen karabarut yapılabilirse de, bu şekilde yapılan karabarut kükürt kullanılarak yapılan karabarut kadar güçlü olmaz. Çok hızlı yanarak, karbondioksit, su ve azottan ibaret sıcak bir gaz hacmi ve potasyum sülfürden oluşan katı bir artık bırakır. Yanma özelliklerinden dolayı ortaya çıkan sıcaklık ve gaz hacmi, barutun ateşli silahlarda itici yakıt ve havai fişeklerde piroteknik bileşim olarak kullanımına yol açmıştır. Modern ateşli silahlarda karabarut yerine dumansız barut kullanılır. Antika ateşli silahlarda çoğunlukla karabarut kullanılır.
Bozunma hızının nispeten düşük oluşu ve dolayısıyla düşük tahrip gücü nedeniyle karabarut, düşük patlayıcı olarak sınıflandırılır. Düşük patlayıcılar sesten yavaş hızlarda yanarlar. Yüksek patlayıcılar sesten hızlı bir dalga üreterek şiddetle patlarlar. Bir merminin arkasındaki sıkıştırılmış karabarutun ateşlenmesi, mermiyi namlu ağzından yüksek hızda itecek yeterli basıncı oluştursa da bu basınç namlunun yarılmasına yeterli değildir. Bu yüzden karabarut kaya parçalamak ya da tahkimatlar da daha az tercih edilir. Bu gibi yerlerde Anfo ya da dinamit gibi yüksek patlayıcılar kullanılır.
Özellikleri
Karabarut terimi önceki barut formülasyonlarını yeni keşfedilmiş dumansız barutlar ve yarı-dumansız barutlardan ayırt etmek için 19. yüzyılın sonlarında türetildi(Yarı- dumansız barutlar ateşli silahlarda kullanıldığında karabarutla aynı gaz hacmi ve basınç meydana getirdiği gibi önemli ölçüde duman ve yanma ürünlerinde azalma oluyordu. Yarı- dumansız barutların üretimi 1920’lerde durduruldu.).
Karabarut:
- reaksiyon için oksijen sağlayan bir nitrat, genellikle potasyum nitrat (KNO3);
- reaksiyon için karbon ve yakıt sağlayan odun kömürü, basit olarak karbon (C);
- yakıt görevi gören ve aynı zamanda, karışımın tutuşması için gerekli sıcaklığı düşüren, dolayısıyla bozunma hızını arttıran kükürt (S),
kimyasallarının taneli bir karışımıdır.
Potasyum nitrat gerek kütle ve gerekse oksitleyici işlevi bakımından en önemli içeriktir. Çünkü yanma işlemi için gerekli olan oksijen potasyum nitrat tarafından açığa çıkarılmakta ve diğer içeriklerin hızlı yanmasını sağlamaktadır. Statik elektrik yüzünden kazara oluşabilecek ateşlenme ihtimalini azaltmak için modern karabarut tanecikleri genellikle grafitle kaplanmaktadır. Grafit elektrostatik yükün birikmesini önlemektedir.
Odun kömürü saf karbondan ibaret değildir. Odun kömürü piroliz işlemine tutulmuş odunun tamamıyla parçalanmaması nedeniyle kısmen selülozdan oluşmuştur.
Piroteknisyenler tarafından üretilen karabarutlar için mevcut standart bileşim 1780 yılında dahi kullanılıyordu. Oranlar ağırlıkça %75 potasyum nitrat (güherçile olarak da adlandırılır), %15 yumuşak odun kömürü ve %10 kükürttür. Bu oranlar yüzyıllar boyunca ülkelere göre değişiklik göstererek karabarutun amacına bağlı olarak az çok değişiklik göstermiştir. Örnek vermek gerekirse, kuvvet derecesi ateşli silahlarda kullanmak için uygun olmasa da taşocakçılığında kaya parçalamak için uygun olan karabaruta patlatma barutu adı verilir; patlatma barutu potasyum nitratın yerine daha ucuz olan sodyum nitratla yapılabilir ve oranlar %40 nitrat, %30 odun kömürü ve %30 kükürde kadar düşebilir.
Yanma hızı
Karabarutun yanma hızı tanelendirmeyle değiştirilebilir. Tanelemenin başlangıcı toz karabarutun belirlenmiş bir yoğunluğa (1.7 g/cm³) kadar bloklar biçiminde sıkıştırılmasıdır. Bu işleme somunlama adı verilir. Bloklar kırılarak tane haline getirilir. Bu taneler daha sonra değişik karabarut ölçülerinde ebatlandırılarak boylamaya tutulur.
Basit olarak, karabarutun yanma denklemi şöyle gösterilebilir:
Denklem daha açık ve net bir şekilde de yazılabilir:
- 10 KNO3 + 3 S + 8 C → 2 K2CO3 + 3 K2SO4 + 6 CO2 + 5 N2
Karabarutun yanışı tek bir reaksiyon olarak gerçekleşmez. Gerçekten de reaksiyon sonunda oluşan yan ürünlerin tahmin edilmesi kolay değildir. Bu reaksiyon belirlenmesine yönelik bir çalışmada yan ürünler şu şekilde gösterildi (miktarlar azalan sırayladır): %55.91 katı ürünler: potasyum karbonat, potasyum sülfat, potasyum sülfür, kükürt, potasyum nitrat, potasyum tiyosiyanür, karbon, , amonyum karbonat. %42.98 gaz ürünler: karbondioksit, azot, karbon monoksit, hidrojen sülfür, hidrojen, metan, %1.11 su.
Sodyum nitratla yapılan karabarut güherçileden yapılan karabarutların aksine higroskopik, olmaya daha yatkındır. Çünkü güherçileden yapılan karabarut havadaki nemden daha az etkilendiğinden kuru yerde korunmuşsa yıllarca çok iyi kapanmayan kaplarda dahi saklanabilir. Dolma tüfekler yıllardır bir duvarın üzerinde dolu bir halde ateşlenmeye hazır bir halde bekletilebileceğinden, bu yüzden bu tür tüfekleri kuru ortamlarda bulundurmak gerekir. Buna karşılık, sodyum nitratla yapılan karabarutlar havadaki nemden etkilenmeyip uzun süre dayanıklı kalması için çok iyi kapatılan kaplarda muhafaza edilmelidir.
Avantajları
Karabarut ateşli silahlara hacimsel ölçü şeklinde doldurululabilir. Dumansız barutta olduğu gibi ağırlıkça hassas barut hakkının ölçüm gerektiren yerlerde fazla doldurma hasarını önlemek için, dumansız barutun karabarutla birlikte kullanılması fazla doldurma hasarını önleyebilir.
Taş ocakçılığında, genellikle kaya parçalamak için yüksek patlayıcılar tercih edilmektedir. Taş ocakçılığında kullanılan diğer patlayıcılara nazaran daha kullanışlı olmasından dolayı, granit ve mermer gibi çok büyük taşların patlatılması için karabarut kullanılmaktadır. Düşük tahrip gücü nedeniyle, karabarut daha az çatlaklara neden olmaktadır.
Kuru sıkı mermiler, işaret meşalesi ve kurtarma halatlarının fırlatılması için karabarutun kullanılması uygundur. Karabarut ayrıca, havai fişeklerde gök bombalarını fırlatmak için, roketlerde yakıt olarak ve birtakım özel efektlerde kullanılır.
Dezavantajları
Modern dumansız barutlara nazaran düşük enerji yoğunluğuna sahip karabarut, atıcının yerini belli eden ve görüş alanını azaltan kesif bir duman üretir. Karabarut kütlesinin yarısından daha azı yanma işlemiyle gaz haline dönüşür. Geri kalanı namlu içinde ince bir kurum tabakası olarak kalır. Buna ek olarak, karabarutun yanmasından oluşan artık higroskopik ve susuz bir kostik maddedir. Potasyum oksit ya da sodyum oksit havadan nem çektiğinde dövme demir ya da çelik namluları aşındıracak özellikte hidroksit haline dönüşür. Bu yüzden, karabarut silahlarının namlusunun içi artıkları uzaklaştırmak için iyice temizlenmelidir.
Enerji içeriği
Karabarut kilogram başına 3 megajul enerji içerir. Kıyaslamak gerekirse, TNT’nin enerji yoğunluğu kilogram başına 4.6 megajul olup benzinin enerji yoğunluğu 47.2 megajul’dur.
Kükürtsüz barut
19. yüzyılın sonlarında Cora gibi dumansız barutların gelişmesi karabarut gibi kıvılcıma duyarlı bir yemleme hakkına ihtiyaç gösterdi. Bununla birlikte, geleneksel karabarutların kükürt içeriği Cordite Mk I ile beraber korozyon problemlerine sebep oluyordu. Bu durum bir dizi kükürtsüz barutların uygulanmasına ve tane boyutlarının değişikliğine yol açtı. Kükürtsüz barutlar genellikle 70.5 kısım güherçile ve 29.5 kısım odun kömürü içerir. Karabarut gibi, kükürtsüz barutlar da değişik tane boyutlarında üretildiler.
Karabarutta kükürt kullanılmasının asıl amacı tutuşma sıcaklığını azaltmaktır. Kükürtsüz barut için örnek bir reaksiyon şu şekilde yazılabilir.
- 4 KNO3 + C7H8O → 3 K2CO3 + 4 CO2 + 2 H2O + 3 N2