Нитрат аммония — химическое соединение с формулой NH4NO3 . Это белая кристаллическая соль, состоящая из ионов аммония и нитрата . Она хорошо растворима в воде и гигроскопична в твердом состоянии, хотя не образует гидратов . Она в основном используется в сельском хозяйстве как удобрение с высоким содержанием азота . [5]
Другое его основное применение — компонент взрывчатых смесей, используемых в горнодобывающей промышленности, карьерах и гражданском строительстве. Он является основным компонентом ANFO , популярного промышленного взрывчатого вещества, на долю которого приходится 80% взрывчатых веществ, используемых в Северной Америке; похожие составы использовались в самодельных взрывных устройствах .
Многие страны постепенно отказываются от его использования в потребительских целях из-за опасений относительно его потенциального нецелевого использования. [6] Случайные взрывы нитрата аммония унесли жизни тысяч людей с начала 20-го века. [6] [7] Мировое производство оценивалось в 21,6 млн тонн в 2017 году. [8] К 2021 году мировое производство нитрата аммония сократилось до 16,7 млн тонн. [7]
Нитрат аммония встречается в виде природного минерала гвихабаита (ранее известного как нитрамит) [9] – аммиачного аналога селитры (минералогическое название: селитра) [10] [11] – в самых засушливых районах пустыни Атакама в Чили , часто в виде корки на земле или в сочетании с другими нитратными, иодатными и галогенидными минералами . Нитрат аммония добывался там до тех пор, пока процесс Габера-Боша не позволил синтезировать нитраты из атмосферного азота, что сделало добычу нитратов устаревшей.
Промышленное производство аммиачной селитры включает кислотно-щелочную реакцию аммиака с азотной кислотой : [12]
Аммиак, необходимый для этого процесса, получают с помощью процесса Габера из азота и водорода. Аммиак, полученный с помощью процесса Габера, можно окислить до азотной кислоты с помощью процесса Оствальда . Аммиак используется в безводной форме (газ), а азотная кислота концентрируется. Реакция является бурной из-за ее высокоэкзотермической природы . После образования раствора, обычно с концентрацией около 83%, избыток воды испаряется, оставляя содержание нитрата аммония (AN) с концентрацией от 95% до 99,9% (расплав AN), в зависимости от марки. Затем расплав AN превращается в «гранулы» или небольшие шарики в распылительной башне или в гранулы путем распыления и галтовки во вращающемся барабане. Гранулы или гранулы могут быть дополнительно высушены, охлаждены, а затем покрыты для предотвращения спекания. Эти гранулы или гранулы являются типичными продуктами AN в торговле.
Другой метод производства представляет собой вариант нитрофосфатного процесса :
Продукты, карбонат кальция и нитрат аммония, могут быть очищены по отдельности или проданы вместе как известково-аммиачная селитра .
Нитрат аммония также можно получить с помощью реакций метатезиса :
Поскольку нитрат аммония является солью , то катион NH+4, и анион, NO−3, могут принимать участие в химических реакциях.
Твердый нитрат аммония разлагается при нагревании. При температурах ниже 300 °C разложение в основном приводит к образованию закиси азота и воды:
При более высоких температурах преобладает следующая реакция. [13]
Обе реакции разложения экзотермичны , а их продукты — газы. При определенных условиях это может привести к неконтролируемой реакции , при которой процесс разложения становится взрывоопасным. [14] Подробности см. в разделе Катастрофы. Произошло много катастроф с аммиачной селитрой , в результате которых погибли люди.
Красно-оранжевый цвет в облаке взрыва обусловлен диоксидом азота , вторичным продуктом реакции. [14]
Наблюдалось несколько кристаллических фаз нитрата аммония. Следующие происходят при атмосферном давлении.
Переход между β-ромбическими и α-ромбическими формами (при 32,3 °C) происходит при температуре окружающей среды во многих частях мира. Эти формы имеют разницу в плотности 3,6%, и, следовательно, переход между ними вызывает изменение объема. Одним из практических последствий этого является то, что нитрат аммония не может использоваться в качестве твердого ракетного топлива, так как в нем образуются трещины. Стабилизированный нитрат аммония (PSAN) был разработан как решение этой проблемы и включает в себя стабилизаторы галогенидов металлов, которые предотвращают колебания плотности. [16]
Нитрат аммония является важным удобрением с рейтингом NPK 34-0-0 (34% азота). [17] Он менее концентрирован, чем мочевина (46-0-0), что дает нитрату аммония небольшое неудобство при транспортировке. Преимущество нитрата аммония перед мочевиной заключается в том, что он более стабилен и не так быстро теряет азот в атмосферу.
Нитрат аммония легко образует взрывчатые смеси с различными свойствами при смешивании с такими взрывчатыми веществами, как тротил, или с такими видами топлива, как алюминиевый порошок или мазут. Примеры взрывчатых веществ, содержащих нитрат аммония, включают:
ANFO представляет собой смесь 94% аммиачной селитры («AN») и 6% мазута («FO»), широко используемую в качестве промышленного взрывчатого вещества . [18] : 1 Он используется в угольной промышленности , карьерах , горнодобывающей промышленности и гражданском строительстве в нетребовательных областях применения, где преимущества низкой стоимости, относительной безопасности и простоты использования ANFO важнее преимуществ, предлагаемых обычными промышленными взрывчатыми веществами, такими как водостойкость, кислородный баланс , высокая скорость детонации и эффективность в малых диаметрах. [18] : 2
Взрывчатые вещества на основе аммиачной селитры использовались при взрыве в Стерлинг-холле в Мэдисоне, штат Висконсин, в 1970 году, в Оклахома-Сити в 1995 году, в Дели в 2011 году , в Осло в 2011 году , в Мьюрманни и в Хайдарабаде в 2013 году .
В ноябре 2009 года правительство Северо-Западной пограничной провинции (СЗПП) Пакистана ввело запрет на сульфат аммония , нитрат аммония и кальциево-аммиачные удобрения в бывшем округе Малаканд , включающем округа Верхний Дир , Нижний Дир , Сват , Читрал и Малаканд СЗПП, после сообщений о том, что эти химикаты использовались боевиками для изготовления взрывчатых веществ. Из-за этих запретов « хлорат калия — материал, который позволяет безопасным спичкам загораться — превзошел удобрения в качестве взрывчатого вещества, выбранного повстанцами». [19]
Нитрат аммония используется в некоторых мгновенных холодных пакетах , поскольку его растворение в воде является высокоэндотермическим . В 2021 году Университет науки и технологий короля Абдаллы в Саудовской Аравии провел эксперименты по изучению потенциала растворения нитрата аммония в воде для автономных систем охлаждения и в качестве хладагента. Они предположили, что воду можно дистиллировать и повторно использовать с использованием солнечной энергии, чтобы избежать потерь воды в суровых условиях. [20]
Когда-то он использовался в сочетании с независимыми взрывчатыми «топливами», такими как нитрат гуанидина , [21] [22] как более дешевая (но менее стабильная) альтернатива 5-аминотетразолу в нагнетателях подушек безопасности, производимых Takata Corporation , которые были отозваны как небезопасные после гибели 14 человек. [23] Текущее общее количество смертей в США составляет 27. [24]
Существует множество инструкций по безопасности для хранения и обращения с нитратом аммония. Данные по охране труда и технике безопасности приведены в паспортах безопасности, которые можно получить у поставщиков и от различных правительств. [25] [26] [27]
Чистый нитрат аммония не горит, но как сильный окислитель он поддерживает и ускоряет горение органических (и некоторых неорганических) материалов. [25] [28] [29] Его нельзя хранить рядом с горючими веществами.
Хотя нитрат аммония стабилен при температуре и давлении окружающей среды во многих условиях, он может детонировать от сильного инициирующего заряда. Его не следует хранить рядом с взрывчатыми веществами или взрывчатыми веществами.
Расплавленный нитрат аммония очень чувствителен к ударам и детонации, особенно если он загрязнен несовместимыми материалами, такими как горючие вещества, легковоспламеняющиеся жидкости, кислоты, хлораты, хлориды, сера, металлы, древесный уголь и опилки. [30] [25]
Контакт с некоторыми веществами, такими как хлораты , минеральные кислоты и сульфиды металлов , может привести к бурному или даже сильному разложению, способному воспламенить близлежащие горючие материалы или детонировать. [31] [32]
Нитрат аммония начинает разлагаться после плавления , выделяя NOx , HNO3 , NH3и H 2 O. Его нельзя нагревать в замкнутом пространстве. [25] Получающееся в результате разложения тепло и давление увеличивают чувствительность к детонации и увеличивают скорость разложения. Детонация может произойти при 80 атмосферах . Загрязнение может снизить это давление до 20 атмосфер. [30]
Нитрат аммония имеет критическую относительную влажность 59,4% при 30 °C. При более высокой влажности он будет поглощать влагу из атмосферы. Поэтому важно хранить нитрат аммония в плотно закрытой таре. В противном случае он может слеживаться в большую твердую массу. Нитрат аммония может поглощать достаточно влаги, чтобы превратиться в жидкость. Смешивание нитрата аммония с некоторыми другими удобрениями может снизить критическую относительную влажность. [33]
Потенциал использования материала в качестве взрывчатого вещества побудил к принятию регулирующих мер. Например, в Австралии в августе 2005 года вступили в силу Правила по опасным грузам, обеспечивающие лицензирование при работе с такими веществами. [34] Лицензии выдаются только заявителям (отрасли), принявшим соответствующие меры безопасности для предотвращения любого неправомерного использования. [35] Также могут рассматриваться дополнительные варианты использования, такие как образовательные и исследовательские цели, но индивидуальное использование не будет. Сотрудники тех, у кого есть лицензии на работу с веществом, по-прежнему должны находиться под надзором уполномоченного персонала и должны пройти проверку безопасности и национальной полиции, прежде чем лицензия может быть выдана.
Нитрат аммония не опасен для здоровья и обычно используется в удобрениях. [36] [37] [38]
Нитрат аммония имеет ЛД50 2217 мг/кг [39] , что для сравнения составляет около двух третей от ЛД50 поваренной соли .
Нитрат аммония разлагается, не взрывоопасно, на газы закись азота и водяной пар при нагревании. Однако его можно вызвать взрывоопасным разложением путем детонации . [40] Большие запасы материала также могут представлять серьезную опасность пожара из-за их поддерживающего окисления , ситуации, которая может легко перерасти в детонацию. Взрывы не являются редкостью: относительно небольшие инциденты происходят почти каждый год, а также произошло несколько крупных и разрушительных взрывов. Примерами являются взрыв Оппау 1921 года (один из крупнейших искусственных неядерных взрывов ), катастрофа в Техас-Сити 1947 года, взрывы в Тяньцзине в Китае в 2015 году и взрыв в Бейруте в 2020 году . [41]
Нитрат аммония может взорваться двумя способами:
Аун в своих комментариях, опубликованных в аккаунте президента в Twitter, сказал, что «неприемлемо» то, что 2750 тонн аммиачной селитры хранились на складе в течение шести лет без мер безопасности, и поклялся, что виновные понесут «самое суровое наказание».