Trinitrotoluol (TNT), nach IUPAC-Nomenklatur 2-Methyl-1,3,5-trinitrobenzen, ist ein Sprengstoff. Die Strukturformel der Verbindung zeigt einen Benzolring mit einer Methylgruppe (–CH₃) und drei ortho, bzw. para ständige Nitrogruppen (–NO₂) als Substituenten. Die Verbindung entsteht durch Nitrierung von Toluol mittels Nitriersäure, einer Mischung von Salpeter- und Schwefelsäure.

Erstmals im Jahre 1863 von Julius Wilbrand (1839–1906) synthetisiert, wurde 1901 zunächst im Deutschen Reich mit der Großproduktion von TNT begonnen. Das TNT-Äquivalent dient als Maßstab für die bei einer Explosion freiwerdende Energie.

Geschichte

Nach der ersten Darstellung 1863, der Weiterentwicklung der Synthese durch P. Hepp 1880 und der Entdeckung von TNT als geeignetem Explosivstoff durch Karl Häussermann im Jahr 1889 gelang der Dynamit AG, vormals Alfred Nobel & Co. (DAG) zuerst 1901 im Werk Schlebusch die großtechnische Produktion. Besonders durch den Bedarf des Militärs an TNT als Füllung von Granaten (ab 1902 zuerst im Deutschen Reich) entstanden rasch zahlreiche Fabriken. Der Ausgangsstoff 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, das 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“, darunter das Werk Tanne bei Clausthal-Zellerfeld, 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. 800.000 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 2,4-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 insgesamt 279 Munitionsarbeiter gestorben sind, weil sie kleine Mengen über Haut und Atemwege aufgenommen hatten. Die beiden größten TNT-Produktionsstätten in Deutschland während des Zweiten Weltkriegs waren die Sprengstofffabriken Allendorf und Hessisch Lichtenau.

Gewinnung und Darstellung

Für die Herstellung von TNT kann Toluol mit Nitriersäure, einer Mischung aus Schwefel- und Salpetersäure, nitriert werden. Erstere protoniert aufgrund ihres geringeren pK_s-Wertes (größere Säurestärke) die Salpetersäure. Es werden dadurch wesentlich mehr reaktive elektrophile NO₂⁺-Ionen (auch Nitryl-Kation oder Nitroniumion) gebildet. Die NO₂⁺-Ionen sind die reaktiven Moleküle im Reaktionsgemisch, durch die die elektrophile Substitution am Aromaten ermöglicht wird.

${\displaystyle \mathrm {HNO_{3}+H_{2}SO_{4}\longrightarrow NO_{2}^{\delta ^{+}}\dotsb OH^{\delta ^{-}}\dotsb SO_{4}H_{2}^{\delta ^{+}}\longrightarrow HSO_{4}^{-}+H_{2}O+NO_{2}^{+}} }$

Die Bildung des Trinitrotoluols erfolgt in Stufen. Zunächst erfolgt die Mononitrierung des Toluols, die auf Grund des induktiven Effekts der Methylgruppe mit 96%iger Wahrscheinlichkeit in ortho- oder para-Position stattfindet. Das nun gebildete Nitrotoluol kann vom starken Elektrophil NO₂⁺ weiter nitriert werden, bis mit drei die maximale Anzahl an Nitrogruppen im Molekül vorhanden ist und damit Trinitrotoluol entstanden ist.

Eigenschaften

Verwendung

TNT ist noch heute ein wichtiger militärischer Sprengstoff. Verwendet wird er militärisch und gewerblich in Mischungen als Sicherheitssprengstoff, der nur durch Initialzündung (beispielsweise durch eine Sprengkapsel) zur Detonation gebracht werden kann. Gegossenes TNT benötigt zur sicheren Zündung sogar eine Verstärkerladung, den so genannten Booster. TNT allein wird durch Brand oder Hitze nicht explodieren; es brennt einfach ab. Aufgrund seiner hohen Herstellungskosten (etwa das 20fache gewerblicher Sprengstoffe) ist sein Haupteinsatz im militärischen Bereich (Sprengmittel besonders in Granaten, Bomben und Minen).

Gründe für die breite Verwendung sind die vergleichsweise vielfältigen und sicheren Verarbeitungs- und Anwendungsmöglichkeiten. Im Gegensatz zu vielen anderen Sprengstoffen lässt sich TNT nahezu ohne die Gefahr der Umsetzung verflüssigen und gießen und in Formen pressen.

Der Energiegehalt beträgt in SI-Einheiten:

1 kg TNT ≙ 4,6 Megajoule (4,6 · 10⁶ Joule). Zum Vergleich: Brennholz hat einen 3 bis 4 Mal höheren Energiewert.

Die im Zusammenhang mit Kernwaffenexplosionen verwendete Einheit TNT-Äquivalent basiert auf der veralteten Einheit 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 (Symbol T) soll die Verwechselung mit der Masseneinheit Tonne (Symbol kleingeschriebenes t) verhindert werden.

Chemisch verwandte Sprengstoffe

• Trinitrobenzol
• Pikrinsäure

Literatur

• Richard Escales: Nitrosprengstoffe. Survival Press 1915, Reprint 2003, ISBN 3-8330-0114-3.
• Hans-Jürgen Quadbeck-Seeger u. a.: Chemie Rekorde. Menschen, Märkte, Moleküle. 2. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 1999, ISBN 3-527-29870-3.
• M. E. Walsh, T. F. Jenkins, P. S. Schnitker, J. W. Elwell, M. H. Stutz: Evaluation of SW846 Method 8330 for characterization of sites contaminated with residues of high explosives. CRREL Report 93-5, U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, NH.

Weblinks

Einzelnachweise

1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Eintrag zu 2,4,6-Trinitrotoluol in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 20. Januar 2022. (JavaScript erforderlich)
2. 1 2 J. Köhler, R. Meyer, A. Homburg: Explosivstoffe. Zehnte, vollständig überarbeitete Auflage. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-32009-7.
3. ↑ Eintrag zu 2,4,6-trinitrotoluene im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 1. August 2016. Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern.
4. ↑ Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (Suva): Grenzwerte – Aktuelle MAK- und BAT-Werte (Suche nach 118-96-7 bzw. Trinitrotoluol), abgerufen am 2. November 2015.
5. ↑ J. Wilbrand: Notiz über Trinitrotoluol. In: Annalen der Chemie und Pharmacie. Band 128, 1863, S. 178–179 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
6. 1 2 3 4 5 6 7 H. G. Gallagher, J. N. Sherwood: Polymorphism, twinning and morphology of crystals of 2,4,6-trinitrotoluene grown from solution. In: J. Chem. Soc., Faraday Trans. 92 (1996), S. 2107–2116 (doi:10.1039/FT9969202107).
7. 1 2 3 R.M. Vrcelj, J.N. Sherwood, A.R. Kennedy, H.G. Gallagher, T. Gelbrich: Polymorphism in 2-4-6 Trinitrotoluene. In: Crystal Growth & Design 3 (6) (2003), S. 1027–1032 (doi:10.1021/cg0340704).
8. ↑ Yu Maksimov: Steam Pressures of Nitroaromatic Compounds at Different Temperatures. In: Zh. Fiz. Khim. 42 (1968), S. 2921–2925.
9. ↑ Thomas Enke: Grundlagen der Waffen- und Munitionstechnik, 2., aktualisierte Auflage. Walhalla Fachverlag, Regensburg 2021, doi:10.5771/9783802947780, S. 103.