硝酸铵

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硝酸铵
Structural formula
Ammonium nitrate crystal structure
Sample of white powder
IUPAC名
Ammonium nitrate
别名 硝铵
识别
CAS号 6484-52-2
RTECS BR9050000
性质
化学式 NH4NO3
摩尔质量 80.04336 g·mol⁻¹
外观 白色固体
密度 1.72 g/cm³ (固)
熔点 169.6 °C
沸点 约210°C时分解
溶解性 119 g/100 ml (0°C)
190 g/100 ml (20°C)
286 g/100 ml (40°C)
421 g/100 ml (60°C)
630 g/100 ml (80°C)
1024 g/100 ml (100°C)
爆炸性
撞击感度 50 cm (50 kg), 0%
爆速 5,270 m/s
危险性
欧盟分类 未列明
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
2
3
OX
相关物质
其他阴离子 亚硝酸铵高氯酸铵
其他阳离子 硝酸钠硝酸钾
硝酸羟胺
相关化学品 一氧化二氮
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

硝酸銨是一種化合物,銨陽離子的硝酸鹽(由氨離子和弱酸根組成)。它的化學式是NH4NO3(簡化為N2H4O3),是一種白色結晶固體,在水中溶解度大。它主要用於農業作為高氮肥料。[4] 其他用途是作為採礦、採石和土木建築中使用的爆炸混合物的成分之一。它是肥料炸彈(ANFO)的主要成分,這是一種普遍的工業炸藥,佔北美炸藥的80%; 類似的配方也用於簡易爆炸裝置(IED俗稱土製炸彈)。由於擔心有被誤用的可能性,許多國家正把它從消費性應用中階段性淘汰不使用。

性质[编辑]

物理性质[编辑]

硝酸铵是無色斜方或單斜晶體。溶於水、甲醇乙醇。溶於水時能吸收大量熱能而降低溫度。

化学性质[编辑]

硝酸铵遇热能够分解。

  • 169℃:
  • 230℃,反应迅速进行:
  • 300℃:
  • 400℃以上,反应极为猛烈:

反應生成[编辑]

硝酸銨在智利最乾旱的地區阿塔卡馬沙漠,被發現為天然礦物(硝石的類銨物和其他硝石礦物例如硝酸鈉),通常是在地表層和/或與其他硝酸鹽,氯酸鹽,碘酸鹽和鹵化物礦物質結合一起。過去硝酸銨在那裡開採,但實際上現在使用的化學物質幾乎100%是合成的。

生產[编辑]

硝酸銨的工業化生產涉及氨與硝酸的酸鹼反應:[5]

HNO3 + NH3→NH4NO3

合成方法:

1. 由氨水硝酸作用製成。 NH3·H2O(aq)+HNO3(aq)→NH4NO3(aq)+H2O(l)

2. 把氨氣吸收在硝酸中製成。 NH3(g)+HNO3(aq)→NH4NO3(s)

氨以無水形式(即氣體形式)使用,硝酸則是高濃度的。這種反應是劇烈的,由於其高放熱性的物質本性。通常溶液形成後的濃度約為83%,剩餘的水會依據等級不同,被蒸發成濃度95%至99.9%的硝酸銨(AN熔體)。然後將95%至99.9%的AN熔體在噴霧塔中製成“顆粒”或小珠,或者通過在旋轉的滾筒中噴霧和翻滾而製成稍大顆粒。小顆粒或大顆粒都可以進一步乾燥,冷卻,然後包膜以防止結塊。這些小或大顆粒是典型的AN商業產品。

該方法所需的氨可通過哈伯法(Haber process)從氮和氫獲得。由哈伯法生產的氨再通過奧士華法(Ostwald  process)可氧化成硝酸。另一種生產方法是變形的硝磷銨法(Odda process):

Ca(NO3)2 + 2NH3 + CO2 + H2O → 2NH4NO3 + CaCO3

產物碳酸鈣和硝酸銨可以純化分離或者以鈣化硝酸銨的形式出售。硝酸銨也可以通過置換反應製造:

(NH4)2SO4 + Ba(NO3)2→2NH4NO3 + BaSO4↓(s)

NH4Cl + AgNO3→NH4NO3 + AgCl(s)

反應[编辑]

硝酸銨可與金屬氫氧化物反應,釋放氨並形成鹼金屬硝酸鹽:

NH4NO3 + MOH→NH3 + H2O + MNO3(M = Na,K)

硝酸銨加熱時不會殘留殘留物:

NH4NO3→N2O(g) + 2H2O

硝酸銨也是可以由排放入大氣中的NO,SO2和NH3化合形成,也是PM10的次要成分[6]

晶相[编辑]

由於條件變化(溫度,壓力)導致的晶體狀態的變化影響硝酸銨的物理性質。 下述結晶狀態已被確認:

晶系 溫度 (°C) 狀態 體積變化 (%)
  > 169.6 液體  
I 169.6 to 125.2 立方(等軸)晶系 -2.1
II 125.2 to 84.2 四方(正方)晶系 +1.3
III 84.2 to 32.3 α-斜方晶系 -3.6
IV 32.3 to −16.8 β-斜方晶系 +2.9
V −16.8 四方(正方)晶系  

第五(V)型晶體是與氯化銫相關的類立方形式,硝酸根陰離子的氮原子和銨陽離子的氮原子在晶格中的位置對應CsCl晶格中的Cs和Cl。[7]

應用[编辑]

肥料[编辑]

硝酸銨是NPK(氮、磷、鉀)比例為34-0-0(氮含量34%)的重要肥料[8]它比尿素(46-0-0)濃度低,這使得硝酸銨在運輸上稍微處於劣勢。但硝酸銨的優勢在於它比尿素更穩定,並且不會迅速將氮氣逸散到大氣中。當氣候溫暖的時候,尿素最好在雨水來到之前儘快使用,或用土壤覆蓋,以盡量減少氮氣的流失。[9] [10]

爆破[编辑]

硝酸銨本身不是一種爆炸物[11],但當與主要爆炸物如疊氮化物或燃料如鋁粉或燃料油組合時,它很容易形成具有不同性能的爆炸性混合物。

硝酸銨是極其鈍感的炸藥,比安全炸藥C4炸药更为鈍感。一支工業8#雷管(起爆C4炸药只需要6#)都不足以起爆混合了敏化劑的硝酸銨。硝酸銨是最難引爆的硝酸炸藥,撞擊感度是:50kg鎚50cm落高,0%爆炸。相比起著名炸藥硝化甘油的200g鎚,20cm落高,100%爆炸的感度,可见硝酸铵的钝感。而且硝酸銨一旦溶於水,起爆感度更是大大下降,根本是人不可能撞擊引爆的。

然而硝酸铵对高温的耐受力就很差了。前文提到,一百六七十多摄氏度就可以让硝酸铵分解,这几乎相当于遇到火星就爆炸。相比之下C4炸药即使是扔进火里也只会缓慢燃烧。

與燃油混合[编辑]

肥料炸彈(ANFO)是94%硝酸銨(“AN”)和6%燃油(“FO”)的混合物,被廣泛用作散裝工業炸藥。[12]:1ANFO低成本和易於使用的優點用於採煤,採石,金屬開採等初階應用,不論在耐水性,氧氣平衡,高爆震速度和小直徑性能等優點都大於傳統工業炸藥。[12]:2

恐怖活動[编辑]

硝酸銨爆炸物被用於1970年威斯康辛大學麥迪遜分校的史特林廳爆炸事件上,1995年的奧克拉荷馬城轟炸機,2011年德里爆炸事件,2013年海得拉巴爆炸事件和2011年在奧斯陸進行的轟炸。

2009年11月,在巴基斯坦前邊界省份馬拉克蘭省(西北邊境省)上部地區,下轄區,斯瓦特,奇拉爾和馬拉坎德地區,禁止使用硫酸銨,硝酸銨和硝酸銨鈣肥料 – 根據西北邊境省政府的報導,這些化學品被武裝分子用來製造炸藥。由於這些禁令,“使火柴點火的原料-氯酸鉀-已經超過化肥成為叛亂分子的首選爆炸物。”[13]

利基應用[编辑]

因為硝酸銨在水中的溶解是高度吸熱的,所以被使用在某些即溶冰敷袋上。它也被用於獨立爆炸的“燃料”,如胍硝酸鹽[14] [15],日本的安全氣囊大廠高田公司製造的安全氣囊的氣體中使用硝酸銨作為5-氨基四唑的低成本(但不太穩定)替代品,因沒有加入乾燥劑,使得硝酸銨久了之後受潮及高溫而變質,氣囊作動時會因力道過大而使零件碎片飛散,反而造成車上駕駛及乘客因此受傷甚至死亡。在造成14人死亡後因不安全被召回[16] 受影響的汽車品牌甚廣,全球召回的車輛達上千萬輛。[1]

硝酸铵除了工業用和軍用炸藥,及其主要的用途做氮肥之外,也可用於殺蟲劑冷凍劑氧化氮吸收劑,製造笑氣、煙火等。

安全、管理和儲存[编辑]

健康和安全數據記載在供應商提供的安全資料表上,在網際網路上可以找到。[17]為了因應數起導致許多人死亡的爆炸,美國環境保護署(EPA),職業健康與安全(OSHA)以及酒精,煙草和槍枝管理局聯合頒布了安全準則。[18]

加熱或任何點火源可能會引起劇烈的燃燒或爆炸。[19]硝酸銨可與可燃和還原材料反應,因為它是一種強氧化劑。雖然主要是用於肥料,但亦可用於爆炸物。有時候用來開鑿土地做農場池塘[20] [21],硝酸銨也用於改變其他爆炸物的爆炸速度,例如把三硝基甲苯(TNT)轉變成阿馬托炸藥(一種無煙炸藥)。硝酸銨的儲存和處理有許多可行的安全準則[22]。硝酸銨不應該存放在易燃物質附近。硝酸銨與某些物質如氯酸鹽,無機酸和金屬硫化物不相容,接觸會導致劇烈或甚至猛烈的分解。[23]

硝酸銨的臨界相對濕度為59.4%,高於此值將吸收大氣中的水分。因此,將硝酸銨儲存在密封容器中是很重要的。否則它會吸濕結成塊。硝酸銨可以吸收足夠的水分液化。將硝酸銨與某些其他肥料混合可以降低臨界相對濕度。[24]這種材料有被作為爆炸物的潛在性,促使了監管措施。例如,在澳大利亞,“危險品條例”於2005年8月生效,以執行處理此類物質的許可。[25]許可證僅授予申請者(工業),並採取適當的安全措施,以防止任何濫用。其他用途,如教育和研究目的可以考慮使用,但個人使用則不允許。有執照處理該物質的人員仍須經授權人員監督,並在執照獲得許可前應該要通過安全和國家警察檢查。

健康危害[编辑]

健康和安全數據顯示在物質安全資料表中,可從供應商處獲得,並可在網際網路上找到。[27]

硝酸銨對健康並不十分有害,通常用於化肥產品。[27] [28] [29]

硝酸銨的半數致死劑量(LD50)為2217毫克/公斤(有毒物質的質量和試驗生物體重比),[30]其比較約為食用鹽的三分之二。

災害[编辑]

硝酸銨在加熱時分解成一氧化二氮和水蒸氣(不是爆炸性反應);然而,它可以被爆炸引起爆炸分解。由於硝酸銨本身可提供燃燒所需氧氣,所以大量儲存的硝酸銨會有很高的火災風險,而且也可能被引爆:如1947年德克薩斯州城市發生的大災難,那次災難導致硝酸銨的儲存和處理規定產生重大變更。[31]

導致爆炸的兩大主要類型是:

•由於引爆機制的轉變而產生爆炸。先是從一堆爆炸物中的炸藥包起爆,接著由爆炸外殼射進易爆物  

引爆,或由爆炸混合物與一堆易爆物接觸引爆。例子是Kriewald,Morgan(今日Sayreville,新澤西州),Oppau和Tessenderlo。

•爆炸是由火災蔓延到硝酸銨本身(德克薩斯城,布雷斯特,奧克代爾PA),或由火災中的硝酸銨與可燃物的混合物(Repauno,切諾基,Nadadores)造成。火災至少需要在一定的溫度上,完成從燃燒到爆炸的轉換(一種稱為“爆燃到爆轟轉變”的現象)。純的、緊湊的硝酸銨(AN)是穩定的,很難點燃,並且許多情況下,甚至不穩定的AN都沒有在火中爆炸。

  1. ^ 高田氣囊風暴 國內大規模召修28萬輛次