Azotan amonu, czyli inaczej saletra amonowa ma bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle wojskowym i rolniczym. Jest związkiem silnie wybuchowym, przez co stanowił on przyczynę wielu katastrof. W dzisiejszym artykule przedstawimy właściwości, zastosowanie oraz sposoby pozyskiwania azotanu amonu.
Definicja
Azotan amonu (saletra amonowa, ang. ammonium nitrate) o wzorze NH4NO3 to nieorganiczny związek chemiczny z grupy saletr. Inaczej sól kwasu azotowego i amoniaku. Azotan amonu ma silne właściwości wybuchowe, a jego największymi producentami są Rosja i Stany Zjednoczone USA.
Właściwości chemiczne i fizyczne
W warunkach pokojowych saletra amonowa przybiera postać białych (czasem bezbarwnych) kryształków lub proszku. Azotan amonu jest silnie higroskopijny, czyli ma zdolność do pochłaniania wilgoci z powietrza. Jednocześnie bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie, tworząc silną reakcję endotermiczną (pochłaniającą energię cieplną z otoczenia i powodującą ochładzanie się roztworu, ΔHo = 26 kJ/mol). Tym samym mieszanina saletry amonowej z lodem może być idealną mieszaniną chłodzącą.
Właściwości wybuchowe
Saletra amonowa jest związkiem wysoce nietrwałym podczas ogrzewania do wysokich temperatur. Już w temperaturze około 250 °C dochodzi do rozkładu azotanu amonu na wodę i podtlenek azotu (N2O). W trakcie rozkładu saletry amonowej wydzielane są ogromne ilości ciepła (reakcja egzotermiczna). Tym samym istnieje realne ryzyko wybuchu. Jednocześnie zastosowanie różnego rodzaju substancji zanieczyszczających obniża temperaturę rozkładu i zwiększa energię wybuchu mieszaniny. Właściwość ta wykorzystywana jest podczas tworzenia materiałów wybuchowych.
Azotan amonu jest związkiem podtrzymującym palenie, ponieważ dostarcza on do układu tlen. Pożary wywołane obecnością saletry amonowej, mogą przebiegać bez udziału powietrza. Na skutek wybuchu saletry amonowej wytwarza się temperatura rzędu 1500 °C. Sama eksplozja saletry amonowej może być zainicjowana przez kilka czynników. Wśród nich zalicza się:
- termiczny rozkład czystej soli;
- użycie detonatorów o wystarczającej sile;
- rozkład termiczny spowodowany obecnością związków organicznych;
- wpływ niektórych związków nieorganicznych oraz sproszkowanych metali.
Związkiem silnie zwiększającym wybuchowość azotanu amonu jest rtęć. Z tego powodu, nie należy stosować m.in. termometrów rtęciowych na etapie produkcji tej substancji.
| Wzór sumaryczny | NH4NO3 |
| Masa molowa | 80,04 g/mol |
| Gęstość | 1,72 g/cm³ (20 °C) |
| Rozpuszczalność w wodzie | 118 g/100 ml (0 °C) 150 g/100 ml (20 °C) 297 g/100 ml (40 °C) 410 g/100 ml (60 °C) 576 g/100 ml (80 °C) 1024 g/100 ml (100 °C) |
| Rozpuszczalność w innych cieczach | metanol, etanol |
| Temperatura topnienia | 169.6 °C |
| Temperatura wrzenia | 210 °C (rozkład następuje od 170 °C) |
| Wrażliwość na tarcie i uderzenie | niska |
| Prędkość detonacji | 2500 m/s |
Wytwarzanie
Azotan amonu produkowany jest na skalę przemysłową w wyniku zobojętnienia kwasu azotowego amoniakiem. Ten proces produkcji saletry amonowej prezentuje poniższe równanie:
HNO3 + NH3 → NH4NO3
W reakcji tej amoniak występuje w formie anhydrytu, czyli nie zawiera w sobie wody. Sama reakcja przebiega bardzo burzliwie z racji swojej silnej egzotermiczności. W jej wyniku powstaje najczęściej koncentrat o stężeniu 83%. Wraz z odparowaniem wody, zagęszczenie to zwiększa się do wartości od 95 do 99,9%. W kolejnym kroku azotan amonu przetapia się do postaci grobulek, a następnie suszy, schładza i okrywa aby zapobiec pękaniu i rozpadaniu. Właśnie w takiej formie trafia on do obrotu przemysłowego.
Innym sposobem na pozyskiwanie saletry amonowej jest reakcja kwasu azotowego z węglanem amonu, zaprezentowana poniżej:
2HNO3 + (NH4) 2CO3 → 2NH4NO3 + H2O + CO2↑
Największymi producentami saletry amonowej są:
- Rosja (19,9% światowej produkcji);
- USA (15,8% światowej produkcji);
- Chiny (12,1% światowej produkcji);
- Polska i Ukraina (kolejno 5,6 i 5,5% światowej produkcji);
Zastosowanie
Azotan amonu znalazł zastosowanie głównie w dwóch gałęziach gospodarki: w przemyśle wojskowym (pirotechnice) i rolnictwie. Saletra amonowa jest składnikiem wielu znanych nam materiałów wybuchowych, takich jak ANFO (ang. Ammonium Nitrate Fuel Oil, inaczej saletrol), ANNM (ang. Ammonium Nitrate – NitroMethane), amonal (rodzaj amonitu), amonit, Dynamon K (mieszanina saletry amonowej z łatwo utleniającymi się substancjami palnymi), sznajderyt (mieszanina azotu amonu i dwunitronaftalenu).
Saletra amonowa to również częsty składnik nawozów mineralnych. Wyróżnia się największą zawartością azotu w grupie nawozów saletrzano-amonowych (aż 34%). Dzięki silnym właściwościom higroskopijnym i dobrej rozpuszczalności w wodzie, saletra amonowa bardzo szybko przedostaje się do gleby. Jednocześnie nawozy mające w składzie azotan amonu mają bardzo szerokie zastosowanie (sprawdzą się do nawożenia wszystkich rodzajów roślin i mogą być wykorzystywane we wszystkich rodzajach gleby).
Jako składniki pomocnicze zmniejszające higroskopijność i skłonność do zbrylania się mieszaniny, stosuje się węglan wapnia lub węglan magnezu. Niestety magazynowanie azotanu amonu nastręcza wielu kłopotów. Przede wszystkim związane z tym jest zbrylanie produktu, które spowodowane jest naciskiem jego górnych warstw na te znajdujące się na dole opakowania. Sporą rolę odgrywają tu również zmiany fizykochemiczne – w tym związane z przechodzeniem z jednej
odmiany krystalograficznej w drugą. W celu ograniczenia zjawiska zbrylania się produktu, pokrywa się go różnymi dodatkami, takimi jak parafina, ziemia okrzemkowa, kaolin czy mączka kostna.
Identyfikacja
| Numer CAS | 6484-52-2 |
| ChEBI | CHEBI:63038 |
| ChEMBL | ChEMBL1500032 |
| ChemSpider | 21511 |
| ECHA InfoCard | 100.026.680 |
| Numer EC | 229-347-8 |
| PubChem | 22985 |
| RTECS | BR9050000 |
| UNII | T8YA51M7Y6 |
Największe eksplozje saletry amonowej
Silne właściwości wybuchowe azotanu amonu były przyczyną wielu katastrof przemysłowych, w których śmierć poniosły tysiące osób. Najczęściej powodem eksplozji były niewłaściwe warunki składowania tej substancji. Sprawdźmy zatem jakie były największe eksplozje spowodowane saletrą amonową.
- Eksplozja w Oppau, Niemcy, 21 września 1921 roku – doszło do niej w składzie chemicznym koncernu BASF. Na skutek nieszczęśliwego wypadku, doszło tam do eksplozji 4500 ton mieszaniny nawozu siarczanu amonu i azotanu amonu. Sam wybuch wyczuwalny był w oddalonym o ok. 300 km Monachium. W katastrofie śmierć poniosło 561 osób, a ponad 2000 zostało rannych. Eksplozja pozbawiła dachu nad głową ok. 6 tys. osób.
- Katastrofa w Texas City, USA, 16 kwietnia 1947 roku – do wybuchu doszło w ładowni francuskiego statku s/s „Grandcamp” w porcie w Texas City, w stanie Teksas. Znajdowało się tam ok. 2300 ton saletry amonowej. Odnotowano wtedy śmierć 581 osób, podczas gdy wiele tysięcy odniosło poważne obrażenia. Wydarzenie to do dzisiaj uznawane jest za najgroźniejszą katastrofę przemysłową w historii Stanów Zjednoczonych.
- Katastrofa kolejowa w Ryongch’ŏn, Korea Północna, 22 kwietnia 2004 roku – doszło tam do zderzeniu dwóch pociągów, z czego jeden przewoził saletrę amonową, a drugi zbiorniki z benzyną. Oficjalne źródła podają, że w wyniku katastrofy zginęły 154 osoby, a 1300 zostało rannych. Nieoficjalnie jednak wiadomo o zdecydowanie większej liczbie ofiar. Początkowo doszło do zapłonu benzyny spowodowanego obsunięciem się linii wysokiego napięcia. To z kolei zapoczątkowało reakcję łańcuchową i wybuch saletry amonowej z drugiego pociągu.
- Eksplozja w Mihăilești, Rumunia, 24 maja 2004 roku –ciężarówka przewożąca ponad 23 tony azotanu amonu z niewiadomych przyczyn zjechała z trasy i przewróciła się na prawy bok. Po kilku minutach zajęła się ogniem, co 20 minut później spowodowało ogromny wybuch. W jego wyniku zginęło w sumie 18 osób – w tym strażacy, reporterzy lokalnej telewizji oraz osoby przejeżdżające nieopodal. Eksplozja była na tyle potężna, że w miejscu ciężarówki powstał krater o głębokości 6,5 metra i średnicy 14 metrów.
- Eksplozja w Bejrucie, Liban, 4 sierpnia 2020 roku – jedna z największych katastrof przemysłowych i lądowych ostatnich lat. W magazynie portowym, w którym składowano sztuczne ognie oraz saletrę amonową doszło do z pozoru niegroźnego pożaru (początkowo do akcji skierowano zaledwie 9 strażaków i jedną ratowniczkę). Niestety ogień szybko się rozprzestrzenił i w momencie gdy natrafił na 2750 ton saletry amonowej, doszło do gigantycznej eksplozji. Wybuch był tak ogromny, że w miejscu magazynu powstał szeroki na 120 metrów krater, a rozprzestrzeniająca się fala uderzeniowa miała magnitudę 3,3 w skali Richtera. Oszacowano, że eksplozję można porównać do wybuchu 1155 ton trotylu, a sam wybuch był jedną z najsilniejszych eksplozji nienuklearnych spowodowanych przez człowieka. Zginęły wówczas 204 osoby, a blisko 7,5 tys. innych zostało rannych.