¿Cómo nitrato de amonio explotar en su propio?

Question

Pensé que el nitrato de amonio fue un oxidante que se necesita para ser mezclado con el combustible para formar un explosivo de alto (por ejemplo, el ANFO). Pero al parecer ha habido explosiones accidentales que involucran a la "fertilizante". Son estas explosiones también detonaciones? ¿Cuál es la fórmula química para el proceso?

$$\ce{NH4NO3 -> ???}$$

Parte de mi motivo para pedir la noticia de hoy (Agosto 4, 2020) de una explosión en Beirut. Los informes iniciales decir que fue causada por "2750 toneladas de almacenamiento de nitrato de amonio".

Answer 1

Se sabe que el nitrato de amonio se descomponen exotérmicamente cuando se calienta para formar el óxido nitroso y el agua. Este artículo¹ señala que el irreversible de descomposición del nitrato de amonio se produce en el rango de temperatura de $\pu{230-260 ^\circ C}$.

$$\ce{NH4NO3 ->[t >230 ^\circ C] N2O + 2H2O}$$

También señaló que más allá de $\pu{280 ^\circ C}$, $\ce{NH4NO3}$ es capaz de rápida, auto-aceleración de la descomposición (hasta el punto de detonación).

Pero en la detonación de la temperatura, $\mathrm{t_d}$ (la temperatura a la que los compuestos de estallar), nitrato de amonio se descompone totalmente para el nitrógeno, el oxígeno y el agua, liberando una enorme cantidad de energía.

$$\ce{2NH4NO3 ->[t_d] 2N2 + O2 + 4H2O}$$

En el contexto de Beirut explosión, la pregunta que se planteó fue "¿cuándo nitrato de amonio llegado a la detonación de la temperatura, y por qué lo hizo explotar de repente?". Según un informe de noticias de cnet.com:

Cuando se calienta por encima de 170 grados Fahrenheit, nitrato de amonio comienza a someterse a la descomposición. Pero con calentamiento rápido o detonación, un reacción química puede ocurrir que convierte amonio nitrato a nitrógeno y el gas de oxígeno y vapor de agua. Los productos de la reacción son inofensivo -- que se encuentran en nuestro ambiente -- pero el proceso de libera enormes cantidades de energía.[...]

Además, en la explosión, no todo el nitrato de amonio es y explotó. Algunos de los que se descompone lentamente, creando tóxicos gases como los óxidos de nitrógeno. Es estos gases son los responsables de el color rojo-marrón penacho de humo que se ve en las secuelas de Beirut explosión, Rae dijo.

Por lo tanto, mi teoría es que el nitrato de amonio comenzado la calefacción (del fuego) la liberación de todo tipo de óxidos de nitrógeno (el rojo de los humos). Este fuego acelerado aún más la reacción, tras el calentamiento, el resto de nitrato de amonio hasta el punto de detonación y que cuando el nitrato de amonio explotó al instante liberando gran cantidad de energía que enviar ondas de choque en todo el sitio, junto con un blanco de hongo en forma de nube (de @DDuck del comentario) que, probablemente, podría ser de nitrógeno y/o vapores de agua donde el aire húmedo (vapor de agua, el aire cargado) condensada debido a la explosión(@StianYttervik) con la liberación de nitrógeno. Es una triste y devastadora incidente.

Referencias

1. En la Descomposición Térmica del Nitrato de Amonio. De estado estacionario de la Reacción Temperaturas y Velocidad de Reacción Por George Feick y R. M. Hainer, 1954 (PDF)
2. Las velocidades de reacción de Nitrato de Amonio en la Detonación Melvin A. Cook, Earle B. Mayfield, y William S. Perdiz La Revista de Química Física de 1955 59 (8), 675-680 DOI: 10.1021/j150530a002 (PDF)
3. https://en.wikipedia.org/wiki/2020_Beirut_explosions

Answer 2

Nitrato de amonio ($\ce{NH4NO3}$) es ampliamente utilizado en la industria de fertilizantes y es una de las formas más concentradas de fertilizante de nitrógeno (35% de $\ce{N}$). Al mismo tiempo, también ha sido ampliamente utilizado como un material explosivo para la detonación de minas. Debido a su explosividad, $\ce{NH4NO3}$ está asociado con diversos riesgos como incendio y explosión, que se han producido repetidamente en el pasado (más de 70 incidencias durante el siglo 20, más de la mitad de ellos se produjo en el suelo de los estados unidos). Independientemente, $\ce{NH4NO3}$ no se considera un material inflamable o combustible a temperatura ambiente y presión (Ref.1). Sin embargo, es un fuerte agente oxidante que puede detonar bajo ciertas condiciones tales como la temperatura, el fuego, el aislamiento, y la presencia de impurezas (por ejemplo, $\ce{KCl}$), que puede actuar como un promotor para detonar (Ref.2).

Para su uso como un explosivo o una voladura de reactivos, $\ce{NH4NO3}$ es mezclado con el combustible de aceite, el cual es llamado nitrato de amonio de fuel-oil (ANFO; Ref.1). De acuerdo a la Ref.2, durante la explosión, la siguiente reacción exotérmica tendría lugar (hidrocarburos está representado por $\ce{CH2}$):

$$\ce{3NH4NO3 + CH2 -> 3N2 + 7 H2O + CO2} \quad \Delta H = \pu{-4017 kJ/kg} \tag1$$

Curiosamente, esto puede ser comparado con TNT, el calor de combustión es $\Delta H = \pu{-4196 kJ/kg}$. Sin combustible, aceite, puede ser detonado bajo ciertas condiciones. Se cree que la vaporización de fundido $\ce{NH4NO3}$ conduce a la formación de amoniaco y ácido nítrico, que podría iniciar la descomposición de la $\ce{NH4NO3}$ a través de la siguiente reacción:

$$\ce{NH4NO3 <=> HNO3 + NH3} \quad \Delta H = \pu{176 kJ/mol} \tag2$$

A temperaturas más altas (es decir, entre el $\pu{170 ^\circ C}$ e $\pu{280 ^\circ C}$) exotérmica las reacciones irreversibles (ecuaciones $(3)-(5)$) se producen:

$$\ce{NH4NO3 -> N2O + 2H2O } \quad \Delta H = \pu{-59 kJ/mol} \tag3$$ $$\ce{NH4NO3 -> 1/2N2 + NO + 2H2O } \quad \Delta H = \pu{-2597 kJ/mol} \tag4$$ $$\ce{NH4NO3 -> 3/4N2 + 1/2NO2 + 2H2O } \quad \Delta H = \pu{-944 kJ/mol} \tag5$$

Si el material es de repente se calienta, no será explosivo de descomposición, como se muestra en las ecuaciones de $(6)$ e $(7)$):

$$\ce{2NH4NO3 -> 2N2 + O2 + 4H2O } \quad \Delta H = \pu{-1057 kJ/mol} \tag6$$ $$\ce{8NH4NO3 -> 5N2 + 4NO + 2NO2 + 16H2O } \quad \Delta H = \pu{-600 kJ/mol} \tag7$$

Tenga en cuenta que todas estas reacciones, excepto para $(2)$ son exotérmicas. También, la mayoría de los productos son gases. Os adjunto un archivo PDF si Ref.2 si el lector está interesado en cómo las explosiones ocurren durante condiciones adecuadas (de lo contrario, es un campo amplio para explicar). Por ejemplo, la reacción de $(3)$ puede ser más exotérmica ($\pu{789 kJ/mol}$) con más productos gaseosos, si algunos oxidables de combustible se agrega como $\ce{C}$ (Ref.3):

$$\ce{2NH4NO3 (s) + C (s) -> 2N2 (g) + CO2 (g) + 4H2O (g)} \tag8$$

Es evidente a partir de los últimos incidentes de $\ce{NH4NO3}$ que la presencia de impurezas y de las condiciones ambientales tienen un gran efecto sobre la detonación de $\ce{NH4NO3}$ durante el almacenamiento. Por ejemplo, uno de los más sangrientos incidentes industriales en la historia de los estados unidos se produjo el 16 de abril de 1947, en la Ciudad de Texas, Texas, donde un $\ce{NH4NO3}$ explosión que implican $\pu{2300 tons}$ de $\ce{NH4NO3}$ causado 581 víctimas mortales y miles de heridos. El fuego fue causado por la explosión inicial de $\ce{NH4NO3}$ en un barco, lo que ha dado lugar a reacciones en cadena de incendios y explosiones en otros buques y las instalaciones cercanas. La explotó $\ce{NH4NO3}$ fue cubierto con (a base de carbón) cera para prevenir la formación de grumos (Véase la ecuación $(8)$ anterior). Después de este accidente, las nuevas tecnologías y las prácticas de seguridad que se introdujo en la década de 1950 se eliminó el uso de capas de cera (Ref.2).

Referencias:

1. Chico Marlair, Marie-Astrid Kordek, "la Seguridad y la seguridad de las cuestiones relativas a la baja capacidad de almacenamiento de fertilizantes a base de," Diario de Materiales Peligrosos de 2005, 123(1-3), 13 al 28 (https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.03.028).
2. Zhe Han, "la Estabilidad Térmica de los Estudios de Nitrato de Amonio," Tel. D. Tesis doctoral, universidad de Texas a&M University, TX, 2016 (PDF).
3. Alex M. Djerdjev, Pramith Priyananda, Jeff Gore, James K. Beattie, Chiara Neto, Brian S. Hawkett, "El mecanismo de la evolución espontánea de la detonación de nitrato de amonio en reactivos de motivos," Diario de Ambiental Ingeniería Química 2018, 6(1), 281-288 (https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.12.003).

Answer 3

En primer lugar, el nitrato de amonio es una especie de mezcla entre un oxidante - el nitrato parte - y un reductor de velocidad - el amonio uno. Este es el meollo de la cuestión.

El directo de descomposición correctamente mencionado en las respuestas es sin embargo un proceso en el que algo se oxida y algo se reduce.

En nitrato de amonio básicamente, usted tiene todo lo que necesita - el "combustible" y el "oxígeno" análogos de lo que está involucrado en un estándar, explosivas o no, de la combustión.

Todavía las otras respuestas son válidas y más detallada de un producto químico de tipo mecanicista punto de vista. Un punto fuera de la presencia de NO2 visto claramente por su color rojo color amarronado antes de la segunda explosión potente.

Pero la respuesta directa a tu pregunta es que el oxidante y la reducción de las materias ya están dentro de la sal.

---

Nota al margen: el nitrato de amonio puede descomponer por choque mecánico, por lo que no había suficientes condiciones para activar el segundo potente explosión.

Answer 4

El punto principal de esta respuesta es utilizar el 2013 West fertilizer Company explosión (USCSB de animación para el contexto) como un ejemplo de situaciones que podrían llevar a UNA detonación, y también para mostrar que la situación puede llegar a ser muy complejo e impredecible.

---

Nada en las proximidades puede convertirse en combustible, especialmente si el fuego ya está en marcha. Esto incluye los contenedores, las impurezas, el hollín y la suciedad de la fuego, etc. Además, el nitrato de amonio punto de fusión es de ~337 F, lo que significa que puede ser fundido, posiblemente escapar de su contenedor, y fácilmente se mezcla con las fuentes de combustible.

El NOS CSB Oeste de Fertilizantes Explosión informe final, en la sección 4.3, se describen tres posibles escenarios en los que el 2013 explosión en West, Texas, podría haber ocurrido. Sección 4.2 describe general de los factores que contribuyen.

Estas no son las únicas formas en que se pueden explotar, pero son un par de ejemplos de los tipos de condiciones que pueden llevar a la explosión.

Definitivamente, usted debe leer el informe; mi breve resumen a continuación deja un montón de análisis pertinentes a cabo.

Así que a partir de la sección 4.2, los factores que contribuyen (FGAN = fertilizante de nitrato de amonio de grado):

La contaminación

En situaciones de incendio, el comportamiento de FGAN es impredecible, en parte debido a que el número de endotérmica y la descomposición exotérmica reacciones que tienen lugar con el aumento de la temperatura. FGAN las reacciones de descomposición más allá del primer paso aún no se han definido de forma exclusiva, y la posterior las reacciones de descomposición de FGAN sólo puede ser asumida. Cuando los contaminantes se agregan a UNA, la las reacciones de descomposición vuelto cada vez más compleja. Las posibles fuentes de contaminación en un FGAN área de almacenamiento puede incluir líquidos inflamables, finamente dividido metales o materiales orgánicos, cloruro de las sales, los carbones, los ácidos, las fibras y los sulfuros. Estos contaminantes pueden aumentar la sensibilidad de explosivos FGAN.

El fundido FGAN en el CFM probablemente entró en contacto con los contaminantes que se han almacenado en el fertilizante almacén o fueron producidos durante el incendio que precedieron a la explosión. La semilla de los materiales, zinc, y otros productos orgánicos, incluyendo la madera construidos por los contenedores de basura, estuvieron presentes cerca de la FGAN de área de almacenamiento o podría han entrado en contacto con el FGAN. Durante el incendio, hollín del humo y también el colapso de madera y material para techos podría haber mezclado con el FGAN de la pila.

La Mala Ventilación

La ventilación limitada aumento de la cantidad de hollín en el humo y el potencial de la contaminación de la FGAN de la pila. ...

En algún momento alrededor de 5 a 6 minutos antes de la detonación, el personaje de el fuego cambiado, de acuerdo a relatos de testigos y evidencia fotográfica (Figura 40). Este cambio probablemente fue causada por el aumento de la ventilación a través de una abertura baja en el edificio, posiblemente cuando el fuego ardía a través de la la semilla de la sala de las puertas o en el techo. El fuego también podría haber sido mejorada por los gases oxidantes de la calefacción FGAN pila...

La ventilación adicionales provocó una marcada disminución en la oscuridad de humo y, probablemente, fue acompañado por un importante incremento en la radiación de calor en el interior del fertilizante de la construcción, debido al aumento de la disponibilidad de oxígeno para la combustión de leña y otros combustibles. Con el humo oscuro dentro de la estructura de la reducción de calor radiante podría llegar a la superficie de la FGAN en la papelera, y el aumento del flujo de aire a través del edificio aumentar considerablemente el flujo de calor radiante por elevación de la temperatura de la quema de madera. La superficie de la FGAN, cubierto de hollín o de fundido de asfalto, a absorber el flujo de calor y causar un calentamiento rápido de la superficie de la FGAN de la pila. El agua muy caliente y contaminado de la superficie de la pila, a continuación, sensible a la detonación.

Y de la sección 4.3, un par de detonación escenarios:

• Escenario 1: la Detonación de la parte superior de la FGAN de la pila.
• Escenario 2: la Detonación climatizada FGAN a lo largo de la pared exterior se expone al fuego.
• Escenario 3: la Detonación en el hueco del elevador que se extendió a las principales FGAN bin

Escenario 1: la Detonación de la parte superior de la pila

Basado en la ubicación de la pila y las propiedades de la papelera, junto con las circunstancias de otro fuego inducida por los incidentes, un escenario posible es que un período de la contaminación con hollín y otros compuestos orgánicos (posiblemente incluyendo fundido de asfalto plástico y el goteo de la quema de compuestos techo de tejas y PVC tubo de caída desde el ascensor mecanismo) fue seguido por alrededor de 5 a 6 minutos de intenso calor radiante de las llamas por encima y al lado de la principal FGAN de reciclaje. Durante este tiempo, una capa de agua muy caliente, contaminados, y el líquido sensible FGAN podría haber acumulado en la pila. La formación de espuma FGAN probable produce gases oxidantes, y los mezcla con inflamables de humo para producir un detonable nube de gas más el FGAN pila en el depósito principal y, posiblemente, en una contigua bin vinculada a los principales de reciclaje a través de una serie de agujeros en la partición entre los contenedores. La nube consistió oxidantes potentes que sería se espera cuando FGAN se somete a la descomposición térmica-tales como el NO2, O2, y HNO3, así como fuelrich de humo y productos de pirólisis gas a partir del fundido FGAN. La nube de gas, entonces podría tener encendió desde arriba, pasando por una fase gaseosa de la deflagración a la detonación de la transición (DDT) en el el confinamiento de la basura.

Escenario 2: la Detonación a lo largo de la línea del fuego

Este escenario involucrados calefacción de la FGAN a través de las paredes y se señaló como muy raro, así que para mantener este corto no voy a citar aquí. Véase la sección 4.3.2 para más detalles.

Escenario 3: la Detonación en el hueco del elevador

Otra posible detonación escenario se centra en el hueco del elevador, cerca de la FGAN de reciclaje. Una tapa de fibra de vidrio cubierta de la fosa, y el piso inclinado lejos del hoyo para evitar que los residuos entren en él, pero el fuego podría haber derretido la cubierta, y FGAN restos podrían haber sido en el hoyo. ...

Si el la detonación se inició en el hoyo, a continuación, la mayoría de los mecanismo viable sería un colapso de la pared oeste de la bin, derramando FGAN en una mezcla de goma quemada de la derretido ascensor cinturón y residual FGAN en la parte inferior de la fosa. La masa de la caída de la FGAN, combinado con el fuerte de confinamiento de la fosa de hormigón de las paredes, podría haber proporcionado las condiciones para una fase sólida DDT, comenzando en la parte inferior de pit y la difusión en la pila principal.

---

TLDR

Así que sí, la TLDR aquí es que las condiciones de un incendio puede ser extremadamente complicado e impredecible, dando lugar a un montón de oportunidades para la contaminación y de la detonación.

En particular:

• UNA puede derretir y el líquido puede hacer cosas impredecibles.
• Los contenedores pueden ser destruidos por el fuego, permitiendo escapar a lugares inesperados.
• Incluso si la UNA se contaminan libre en condiciones normales, cualquier cosa en la zona puede convertirse en una fuente de combustible, incluyendo los propios contenedores, desechos de fuego, humo, hollín, se derrumbó partes de los edificios, etc.

En Beirut, hemos visto que ya hay un fuego que quema por una cantidad significativa de tiempo antes de la explosión, así como una pequeña explosión que se produjo < 30 segundos antes de la principal. También hubo destellos y explosiones y un montón de otras cosas que hay (según los informes, hubo fuegos artificiales almacenados en el mismo almacén). Fue en un puerto, lo que implica que probablemente había un montón de cosas que están cerca, para actuar como fuentes de combustible.

Es muy, muy posible que el se convirtió en UN tanto acalorado bastante contaminada, lo suficiente durante este tiempo para detonar.

Aquí está una lista de otros accidentes que podrían investigación por su cuenta para averiguar acerca de otras situaciones que pueden llevar a las detonaciones. La mayoría de los notables:

• BASF, Oppau, Alemania, 1921
• La Ciudad de Texas, Texas, Estados Unidos, 1947
• AZF, Toulouse, Francia, 2001
• Ryongchŏn, Corea Del Norte, 2004
• Tianjin, China, 2015

También, se pueden encontrar algunas de las teorías sobre el 1988 PEPCON accidente en Nevada, Estados Unidos interesante. Que no era de nitrato de amonio (fue el perclorato de amonio, otro oxidante), pero los posibles escenarios son similares y también ilustra la complejidad de ese tipo de situaciones.

Answer 5

Cuando uno piensa en el fuego y disecciona los requisitos de un incendio en un combustible y un oxidante, esto es – en términos químicos, sólo una forma diferente de la determinación de un agente oxidante y agente reductor en una reacción redox.

Nitrato de amonio – al igual que otros nitratos, tales como el nitrato de potasio, el cual también es conocido como salpetre – es un agente oxidante a través del anión nitrato en el que el átomo de nitrógeno se encuentra en la $\mathrm{+V}$ estado de oxidación. Esto pasa a ser el más alto estado de oxidación del nitrógeno se encuentra en compuestos estables; los altos estados de oxidación de los átomos electronegativos tienden a ser inestables y reaccionan como agentes oxidantes (véase también el perclorato $\ce{ClO4-}$ con cloro en las $\mathrm{+VII}$ estado de oxidación, para que un argumento similar se puede hacer). Por lo tanto, el nitrógeno en nitrato, como parte de una reacción redox reducir su estado de oxidación mediante la adopción de electrones.

El examen de nitrato de amonio revela que hay otro átomo de nitrógeno en el catión amonio, que es en el $\mathrm{-III}$ estado de oxidación. Como este es el nitrógeno del estado de oxidación más bajo conocido, que no puede actuar como un agente oxidante pero puede actuar como agente reductor – véase, por ejemplo, el proceso de Ostwald en el cual el amoníaco (también en la $\mathrm{-III}$ estado de oxidación) se quema en una atmósfera de oxígeno en última instancia conduce a ácido nítrico.

Por lo tanto, tenemos tanto un oxidante y agente reductor en la sal: el primero es el anión nitrato y el último es el catión amonio. En condiciones normales, estos no reaccionan (de ahí el por qué de nitrato de amonio es estable, puede ser adquirido de los proveedores de químicos y el MSDS no incluyen explosivos como una señal de advertencia). Sin embargo, son capaces de reaccionar y han termodinámicamente favorable vías de reacción como la de san Mateo respuesta muy bien los contornos.

Curiosamente, amonio nitrito ($\ce{NH4NO2}$) es mucho más lábil y muy duro para prepararse como los dos iones tienden a reaccionar para formar gas de nitrógeno y agua, incluso en solución a temperatura ambiente.

$$\ce{NH4+ + NO2- -> N2 + 2 H2O}$$

En cuanto a la pregunta de si el desastre de Beirut fue una deflagración o detonación: término que se aplica depende únicamente de la tasa de descomposición y la velocidad resultante de la frente. Si la descomposición ocurre en supersónico de las tasas, esto conduce a una onda de choque característica de una detonación. Si la descomposición es subsónico, se está observando una deflagración.