Динитротолуол хорошо растворяется в серной кислоте, тротил растворяется в ней значительно хуже.

Растворимость сплавов динитротолуол-тринитротолуол лежит между величинами растворимости чистого динитротолуола и чистого тринитротолуола и зависит от состава сплава. С увеличением содержания тротила растворимость сплава уменьшается. Значительное снижение растворимости наблюдается при добавлении к динитротолуолу 20–30% тротила. Дальнейшее изменение растворимости происходит более плавно и снижается пропорционально увеличению содержания тротила в сплаве.

Растворимость продуктов сильно зависит от концентрации серной кислоты и значительно меньше от температуры.

При частичном растворении сплава динитротолуол-тротил происходит распределение динитротолуола между слоями. Динитротолуол как продукт, обладающий большей растворимостью, в большем количестве переходит в минеральный слой, чем тротил. Таким образом, минеральный слой по сравнению с органическим обогащается динитротолуолом. Тем не менее, коэффициент распределения динитротолуола вследствие низкой растворимости сплавов в серной кислоте очень мал (0,3–0,4), что указывает на сравнительно небольшую концентрацию динитротолуола в минеральном слое.

Коэффициент распределения азотной кислоты между минеральным и органическим слоями для случая нитрования динитротолуола в среде 93% H2SO4 при 90°С равен примерно единице, что указывает на большую степень поглощения азотной кислоты органическим слоем [18, с. 106].

В гомогенных и гетерогенных условиях с увеличением концентрации HNO3 в кислотной смеси скорость реакции увеличивается до предела, а затем падает. В гетерогенных условиях максимум отодвигается в сторону смесей, содержащих больше HNO3. Подсчет концентрации HNO3 в минеральном слое по коэффициенту распределения показывает, что она равна той же величине, что и концентрация HNО3, при которой скорость нитрования в гомогенной среде достигает максимума.

Таким образом, при нитровании в гетерогенных условиях снижение концентрации HNО3 в минеральном слое уменьшает скорость нитрования динитротолуола, основная масса которого нитруется, по-видимому, в минеральном слое.

Нитрование толуола до мононитротолуола и мононитротолуола до динитротолуола в гетерогенных условиях в значительной степени является «поверхностной» реакцией, что следует из зависимости скорости ее от интенсивности перемешивания. Реакция нитрования динитротолуола в гетерогенных условиях не ограничивается одной поверхностью раздела (о чем свидетельствует малая зависимость ее скорости от интенсивности перемешивания), а значительно распространяется вглубь минерального слоя (основная часть реакции, протекает в минеральном слое). Реагирующие компоненты – динитротолуол и азотная кислота распределяются между слоями в соответствии с растворимостью в них и с соотношением объемов слоев. В случае нитрования динитротолуола реакция идет в объеме каждого слоя. Скорость нитрования в органическом слое, по-видимому, имеющая место только при высоком факторе нитрующей активности, значительно ниже скорости нитрования в минеральном слое.

Причиной этого является то, что в органическом слое находится только HNО3, так как H2SО4 в этот слой практически не переходит. Поэтому при сравнительно малых объемах органического слоя можно считать, что нитрование динитротолуола идет только в минеральном слое, причем скорость его зависит от степени растворимости динитротолуола в кислоте. С повышением концентрации кислоты увеличивается растворимость в ней динитротолуола и значительно облегчается процесс нитрования динитротолуола.

Присутствие органического слоя в некотором отношении отрицательно влияет на течение процесса нитрования. Органический слой обладает высокой растворяющей способностью по отношению к нитрующему агенту – азотной кислоте, что в значительной степени снижает концентрацию азотной кислоты в минеральном слое, снижая тем самым скорость нитрования.

Вторичная реакция – окисление протекает в органическом и минеральном слоях. При этом, по-видимому, окисление в органическом слое вследствие присутствия в нем HNО3 без H2S04 идет в большей степени, чем в минеральном. Окислительное действие азотной кислоты в минеральном слое снижается присутствием серной кислоты.

Отрицательное влияние на скорость нитрования органического слоя сказывается также и на снижении концентрации динитротолуола в минеральном слое. Снижение концентрации динитротолуола происходит за счет перехода его в органический слой, правда только в том случае, если последний представляет собой расплавленный тротил. В присутствии слоя расплавленного тротила динитротолуол распределяется между органическим и минеральным слоями в соответствии с растворимостью в них и соотношением объемов слоев. По мере течения реакции и увеличения слоя тротила уменьшается количество динитротолуола, растворенного в нитросмеси.

Отрицательное влияние тротила на скорость нитрования несколько смягчается в конце процесса, когда в сплаве остается небольшое количество недонитрованного динитротолуола. В этих условиях, очевидно, относительная доля динитротолуола в минеральном слое больше вследствие того, что этот слой по отношению к динитротолуолу благодаря малому количеству его становится ненасыщенным [11, с. 159].

Таким образом, наиболее благоприятны условия гетерогенного нитрования динитротолуола в начале процесса, когда органический слой состоит из чистого динитротолуола. В этих условиях скорость процесса будет максимальной.

Наименее благоприятны условия нитрования в конце процесса, когда действующая масса динитротолуола в минеральном слое мала. Чтобы увеличить скорость нитрования в конце процесса, необходимо его вести при более высокой температуре либо применять концентрированную кислотную смесь. В начале процесса вследствие значительной концентрации динитротолуола возможно применение слабых кислотных смесей и осуществление нитрования при более низкой температуре. Таким образом, в этом процессе целесообразен противоток между нитруемым соединением и нитрующей кислотной смесью.

Реакция нитрования динитротолуола в гетерогенных условиях протекает в основном в минеральном слое, следовательно, скорость ее определяется объемом этого слоя и концентрацией в нем реагирующих компонентов. Последние могут быть определены, исходя из коэффициента распределения этих компонентов между минеральным и органическим слоями.

Промывка тротила от кислоты

Тротил, полученный в мастерской нитрации, содержит 3–5% кислоты, от которой его необходимо освободить. Кислоту, примешанную к тротилу вследствие неполной сепарации, а также и растворенную в нем, удаляют промыванием водой. Применение щелочи для нейтрализации кислоты при окончательной промывке не допускается вследствие возможности получения высокочувствительных и малостойких металлических производных тротила.

Тротил промывают горячей водой обычно в расплавленном состоянии, при этом, кроме минеральной кислоты, в раствор переходит также часть продуктов побочных реакций, например, тринитрокрезол, тринитробензойная кислота. Последняя при горячей промывке частично переходит в тринитробензол [18, с. 118].