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硝酸铵

2018-12-20 04:53:05     所属分类:土壤改良物
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  ✗
PubChem 22985
ChemSpider 21511
SMILES
InChI
InChIKey DVARTQFDIMZBAA-IKLDFBCSAH
UN编号 0222 – with > 0.2% combustible substances
1942 – with <= 0.2% combustible substances
2067 – fertilizers
2426 – liquid
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(水) 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。

硝酸铵是一种化合物,铵阳离子的硝酸盐(由氨离子和弱酸根组成)。它的化学式是NH4NO3(简化为N2H4O3),是一种白色结晶固体,在水中溶解度大。它主要用于农业作为高氮肥料。[4] 其他用途是作为采矿、采石和土木建筑中使用的爆炸混合物的成分之一。它是肥料炸弹(ANFO)的主要成分,这是一种普遍的工业炸药,占北美炸药的80%; 类似的配方也用于简易爆炸装置(IED俗称土制炸弹)。由于担心有被误用的可能性,许多国家正把它从消费性应用中阶段性淘汰不使用。 制作方法: 硝酸铵94%, 柴油6% 木粉少许一些金属铝粉,优点,低成本,容易使用。

目录

  • 1 性质
    • 1.1 物理性质
    • 1.2 化学性质
  • 2 反应生成
  • 3 生产
    • 3.1 反应
    • 3.2 晶相
  • 4 应用
    • 4.1 肥料
    • 4.2 爆破
      • 4.2.1 与燃油混合
      • 4.2.2 恐怖活动
    • 4.3 利基应用
  • 5 安全、管理和储存
  • 6 健康危害
  • 7 灾害

性质

物理性质

硝酸铵是无色斜方或单斜晶体。溶于水、甲醇和乙醇。溶于水时能吸收大量热能而降低温度。

化学性质

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:

反应生成

硝酸铵在智利最干旱的地区阿塔卡马沙漠,被发现为天然矿物(硝石的类铵物和其他硝石矿物例如硝酸钠),通常是在地表层和/或与其他硝酸盐,氯酸盐,碘酸盐和卤化物矿物质结合一起。过去硝酸铵在那里开采,但实际上现在使用的化学物质几乎100%是合成的。

生产

硝酸铵的工业化生产涉及氨与硝酸的酸碱反应:[5]

HNO3 + NH3→NH4NO3

合成方法:

1. 由氨水与硝酸作用制成。 NH3·H2O(aq)+HNO3(aq)→NH4NO3(aq)+H2O(l)

2. 把氨气吸收在硝酸中制成。 NH3(g)+HNO3(aq)→NH4NO3(s)

氨以无水形式(即气体形式)使用,硝酸则是高浓度的。这种反应是剧烈的,由于其高放热性的物质本性。通常溶液形成后的浓度约为83%,剩余的水会依据等级不同,被蒸发成浓度95%至99.9%的硝酸铵(AN熔体)。然后将95%至99.9%的AN熔体在喷雾塔中制成“颗粒”或小珠,或者通过在旋转的滚筒中喷雾和翻滚而制成稍大颗粒。小颗粒或大颗粒都可以进一步干燥,冷却,然后包膜以防止结块。这些小或大颗粒是典型的AN商业产品。

该方法所需的氨可通过哈伯法(Haber process)从氮和氢获得。由哈伯法生产的氨再通过奥士华法(Ostwald  process)可氧化成硝酸。另一种生产方法是变形的硝磷铵法(Odda process):

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

产物碳酸钙和硝酸铵可以纯化分离或者以钙化硝酸铵的形式出售。硝酸铵也可以通过置换反应制造:

(NH4)2SO4 + Ba(NO3)2→2NH4NO3 + BaSO4↓(s)
NH4Cl + AgNO3→NH4NO3 + AgCl(s)

反应

硝酸铵可与金属氢氧化物反应,释放氨并形成碱金属硝酸盐:

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

硝酸铵加热时不会残留残留物:

NH4NO3→N2O(g) + 2H2O

硝酸铵也是可以由排放入大气中的NO,SO2和NH3化合形成,也是PM10的次要成分[6]

晶相

由于条件变化(温度,压力)导致的晶体状态的变化影响硝酸铵的物理性质。 下述结晶状态已被确认:

晶系 温度 (°C) 状态 体积变化 (%)
  > 169.6 液体  
I 169.6 to 125.2 立方(等轴)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)型晶体是与氯化铯相关的类立方形式,硝酸根阴离子的氮原子和铵阳离子的氮原子在晶格中的位置对应CsCl晶格中的Cs和Cl。[7]

应用

肥料

硝酸铵是NPK(氮、磷、钾)比例为34-0-0(氮含量34%)的重要肥料[8]它比尿素(46-0-0)浓度低,这使得硝酸铵在运输上稍微处于劣势。但硝酸铵的优势在于它比尿素更稳定,并且不会迅速将氮气逸散到大气中。当气候温暖的时候,尿素最好在雨水来到之前尽快使用,或用土壤覆盖,以尽量减少氮气的流失。[9] [10]

爆破

硝酸铵本身不是一种爆炸物[11],但当与主要爆炸物如叠氮化物或燃料如铝粉或燃料油组合时,它很容易形成具有不同性能的爆炸性混合物。

硝酸铵在耐撞击方面而言是极其钝感的炸药,比安全炸药C4炸药更为钝感。一支工业8#雷管(起爆C4炸药只需要6#)都不足以起爆混合了敏化剂的硝酸铵。硝酸铵是最难引爆的硝酸炸药,撞击感度是:50kg锤50cm落高,0%爆炸。相比起著名炸药硝化甘油的200g锤,20cm落高,100%爆炸的感度,可见硝酸铵的钝感。而且硝酸铵一旦溶于水,起爆感度更是大大下降,根本是人不可能撞击引爆的。

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。

与燃油混合

肥料炸弹(ANFO)是94%硝酸铵(“AN”)和6%燃油(“FO”)的混合物,被广泛用作散装工业炸药。[12]:1ANFO低成本和易于使用的优点用于采煤,采石,金属开采等初阶应用,不论在耐水性,氧气平衡,高爆震速度和小直径性能等优点都大于传统工业炸药。[12]:2

恐怖活动

硝酸铵爆炸物被用于1970年威斯康辛大学麦迪逊分校的史特林厅爆炸事件上,1995年的奥克拉荷马城轰炸机,2011年德里爆炸事件,2013年海得拉巴爆炸事件和2011年在奥斯陆进行的轰炸。

2009年11月,在巴基斯坦前边界省份马拉克兰省(西北边境省)上部地区,下辖区,斯瓦特,奇拉尔和马拉坎德地区,禁止使用硫酸铵,硝酸铵和硝酸铵钙肥料 – 根据西北边境省政府的报导,这些化学品被武装分子用来制造炸药。由于这些禁令,“使火柴点火的原料-氯酸钾-已经超过化肥成为叛乱分子的首选爆炸物。”[13]

利基应用

因为硝酸铵在水中的溶解是高度吸热的,所以被使用在某些即溶冰敷袋上。它也被用于独立爆炸的“燃料”,如胍硝酸盐[14] [15],日本的安全气囊大厂高田公司制造的安全气囊的气体中使用硝酸铵作为5-氨基四唑的低成本(但不太稳定)替代品,因没有加入干燥剂,使得硝酸铵久了之后受潮及高温而变质,气囊作动时会因力道过大而使零件碎片飞散,反而造成车上驾驶及乘客因此受伤甚至死亡。在造成14人死亡后因不安全被召回[16] 受影响的汽车品牌甚广,全球召回的车辆达上千万辆。[1]

硝酸铵除了工业用和军用炸药,及其主要的用途做氮肥之外,也可用于杀虫剂、冷冻剂、氧化氮吸收剂,制造笑气、烟火等。

安全、管理和储存

健康和安全数据记载在供应商提供的安全资料表上,在互联网上可以找到。[17]为了因应数起导致许多人死亡的爆炸,美国环境保护署(EPA),职业健康与安全(OSHA)以及酒精,烟草和枪支管理局联合颁布了安全准则。[18]

加热或任何点火源可能会引起剧烈的燃烧或爆炸。[19]硝酸铵可与可燃和还原材料反应,因为它是一种强氧化剂。虽然主要是用于肥料,但亦可用于爆炸物。有时候用来开凿土地做农场池塘[20] [21],硝酸铵也用于改变其他爆炸物的爆炸速度,例如把*(TNT)转变成阿马托炸药(一种无烟炸药)。硝酸铵的储存和处理有许多可行的安全准则[22]。硝酸铵不应该存放在易燃物质附近。硝酸铵与某些物质如氯酸盐,无机酸和金属硫化物不相容,接触会导致剧烈或甚至猛烈的分解。[23]

硝酸铵的临界相对湿度为59.4%,高于此值将吸收大气中的水分。因此,将硝酸铵储存在密封容器中是很重要的。否则它会吸湿结成块。硝酸铵可以吸收足够的水分液化。将硝酸铵与某些其他肥料混合可以降低临界相对湿度。[24]这种材料有被作为爆炸物的潜在性,促使了监管措施。例如,在澳大利亚,“危险品条例”于2005年8月生效,以执行处理此类物质的许可。[25]许可证仅授予申请者(工业),并采取适当的安全措施,以防止任何滥用。其他用途,如教育和研究目的可以考虑使用,但个人使用则不允许。有执照处理该物质的人员仍须经授权人员监督,并在执照获得许可前应该要通过安全和国家警察检查。

健康危害

健康和安全数据显示在物质安全资料表中,可从供应商处获得,并可在互联网上找到。[27]

硝酸铵对健康并不十分有害,通常用于化肥产品。[27] [28] [29]

硝酸铵的半数致死剂量(LD50)为2217毫克/公斤(有毒物质的质量和试验生物体重比),[30]其比较约为食用盐的三分之二。

灾害

硝酸铵在加热时分解成一氧化二氮和水蒸气(不是爆炸性反应);然而,它可以被爆炸引起爆炸分解。由于硝酸铵本身可提供燃烧所需氧气,所以大量储存的硝酸铵会有很高的火灾风险,而且也可能被引爆:如1947年德克萨斯州城市发生的大灾难,那次灾难导致硝酸铵的储存和处理规定产生重大变更。[31]

导致爆炸的两大主要类型是:

  • 由于引爆机制的转变而产生爆炸。先是从一堆爆炸物中的炸药包起爆,接着由爆炸外壳射进易爆物引爆,或由爆炸混合物与一堆易爆物接触引爆。例子是Kriewald,Morgan(今日Sayreville,新泽西州),Oppau和Tessenderlo。
  • 爆炸是由火灾蔓延到硝酸铵本身(德克萨斯城,布雷斯特,奥克代尔PA),或由火灾中的硝酸铵与可燃物的混合物(Repauno,切诺基,Nadadores)造成。火灾至少需要在一定的温度上,完成从燃烧到爆炸的转换(一种称为“爆燃到爆轰转变”的现象)。纯的、紧凑的硝酸铵(AN)是稳定的,很难点燃,并且许多情况下,甚至不稳定的AN都没有在火中爆炸。
    1. ^ 高田气囊风暴 国内大规模召修28万辆次

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