È noto che il nitrato di ammonio si decompone esotermicamente quando riscaldato per formare protossido di azoto e acqua. Questo documento ¹ rileva che la decomposizione irreversibile del nitrato di ammonio si verifica nell'intervallo di temperatura di $ \ pu {230-260 ^ \ circ C} $ span >.

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

Hanno inoltre notato che oltre a $ \ pu {280 ^ \ circ C} $ , $ \ ce {NH4NO3} $ è capace di una decomposizione rapida e autoaccelerata (fino al punto di detonazione).

Ma alla temperatura di detonazione, $ \ mathrm {t_d } $ (la temperatura alla quale i composti esplodono), il nitrato di ammonio si decompone completamente in azoto, ossigeno e acqua rilasciando un'enorme quantità di energia.

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

Nel contesto dell'esplosione di Beirut, la domanda sollevata era "quando il nitrato di ammonio ha raggiunto la temperatura di detonazione, e perché è esploso all'improvviso? ". Secondo un rapporto di cnet.com:

Quando viene riscaldato a oltre 170 gradi Fahrenheit, il nitrato di ammonio inizia a subire la decomposizione. Ma con un rapido riscaldamento o detonazione, può verificarsi una reazione chimica che converte il nitrato di ammonio in azoto e ossigeno gassoso e vapore acqueo. I prodotti della reazione sono innocui - si trovano nella nostra atmosfera - ma il processo rilascia enormi quantità di energia. [...]

Inoltre, nell'esplosione, non tutto il nitrato di ammonio viene consumato ed esploso. Alcuni di essi si decompongono lentamente creando gas tossici come gli ossidi di azoto. Sono questi gas i responsabili del pennacchio di fumo rosso-marrone osservato all'indomani dell'esplosione di Beirute, ha detto Rae.

Quindi, la mia teoria è che il nitrato di ammonio abbia iniziato a riscaldarsi (dal fuoco) rilasciando tutti i tipi di ossidi di azoto (i fumi rossi). Questo incendio ha ulteriormente accelerato la reazione, riscaldando ulteriormente il nitrato di ammonio rimanente fino al punto di detonazione ed è allora che il nitrato di ammonio è esploso istantaneamente rilasciando un'enorme quantità di energia che invia onde d'urto intorno al sito insieme a una nube bianca a forma di fungo (dal commento di @ DDuck) che potrebbe essere probabilmente azoto e / o vapori d'acqua dove l'aria umida (aria carica di vapore acqueo) si è condensata a causa dell'esplosione (@StianYttervik) con rilascio di azoto. È un incidente triste e abbastanza devastante.

Riferimenti

1. Sulla decomposizione termica del nitrato di ammonio. Temperatura di reazione allo stato stazionario e velocità di reazione Di George Feick e RM Hainer, 1954 ( PDF)
2. Tassi di reazione del nitrato di ammonio in detonazione Melvin A. Cook, Earle B. Mayfield e William S. Partridge The Journal of Physical Chemistry 1955 59 (8), 675-680DOI: 10.1021 / j150530a002 ( PDF )
3. https://en.wikipedia.org/wiki/2020_Beirut_explosions

Il nitrato di ammonio ( $ \ ce {NH4NO3} $ ) è ampiamente utilizzato nell'industria dei fertilizzanti ed è una delle forme più concentrate di fertilizzante azotato (35% di $ \ ce {N} $ ). Allo stesso tempo, è stato anche ampiamente utilizzato come materiale esplosivo per la detonazione nelle miniere. A causa della sua esplosività, $ \ ce {NH4NO3} $ è associato a vari pericoli, tra cui incendi ed esplosioni, che si sono verificati ripetutamente in passato (più di 70 incidenti durante il 20 secolo, più della metà di loro si è verificato nel suolo degli Stati Uniti). In ogni caso, $ \ ce {NH4NO3} $ non è considerato un materiale infiammabile o combustibile a temperatura e pressione ambiente (Rif.1). Tuttavia, è un forte agente ossidante che può esplodere in determinate condizioni come temperatura, fuoco, confinamento e presenza di impurità (ad esempio, $ \ ce {KCl} $ ), che può fungere da promotore per la detonazione (Rif.2).

Da utilizzare come esplosivo o reagente esplosivo, $ \ ce {NH4NO3} $ viene miscelato con olio combustibile, chiamato olio combustibile nitrato di ammonio (ANFO; Rif.1). Secondo Ref.2, durante l'esplosione si avrebbe la seguente reazione esotermica (l'idrocarburo è rappresentato da $ \ ce {CH2} $ ):

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

È interessante notare che questo può essere paragonato al TNT, il cui calore di combustione è $ \ Delta H = \ pu {-4196 kJ / kg} $ . Senza olio combustibile, può essere fatto esplodere in determinate condizioni. Si ritiene che la vaporizzazione di $ \ ce {NH4NO3} $ fuso porti alla formazione di ammoniaca e acido nitrico, che potrebbero iniziare la decomposizione di $ \ ce {NH4NO3} $ attraverso la seguente reazione:

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

A temperature più elevate (ad esempio, tra $ \ pu { 170 ^ \ circ C} $ e $ \ pu {280 ^ \ circ C} $ ) reazioni esotermiche irreversibili (equazioni $ (3) - (5) $ ) si verificano:

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

Se il materiale si surriscalda improvvisamente, ci saranno decomposizioni esplosive come mostrato nelle equazioni $ (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 $$

Tieni presente che tutte queste reazioni ad eccezione di $ (2) $ sono esotermiche. Inoltre, la maggior parte dei prodotti sono gas. Ho allegato un file PDF se Ref.2 se un lettore è interessato a come avvengono le esplosioni nelle giuste condizioni (altrimenti, è un campo ampio da spiegare). Ad esempio, la reazione $ (3) $ può essere resa più esotermica ( $ \ pu {789 kJ / mol} $ ) con prodotti più gassosi, se viene aggiunto del combustibile ossidabile come $ \ ce {C} $ (Rif.3):

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

È evidente dagli incidenti passati che hanno coinvolto $ \ ce {NH4NO3} $ che la presenza di impurità e le condizioni ambientali hanno un enorme effetto su la detonazione di $ \ ce {NH4NO3} $ durante l'archiviazione. Ad esempio, uno degli incidenti industriali più mortali nella storia degli Stati Uniti si è verificato il 16 aprile 1947 a Texas City, Texas, dove un'esplosione di $ \ ce {NH4NO3} $ ha coinvolto $ \ pu {2300 tons} $ di $ \ ce {NH4NO3} $ ha causato 581 morti e migliaia di feriti . L'incendio è stato causato dall'esplosione iniziale di $ \ ce {NH4NO3} $ su una nave, che ha provocato successive reazioni a catena di incendi ed esplosioni in altre navi e strutture vicine . Il $ \ ce {NH4NO3} $ esploso è stato rivestito con cera (a base di carbonio) per prevenire l'agglomerazione. ) $ sopra). Dopo questo incidente, le nuove tecnologie e pratiche sicure introdotte negli anni '50 hanno eliminato l'uso di rivestimenti in cera (Rif.2).

Riferimenti:

1. Guy Marlair, Marie-Astrid Kordek, "Safety and security issues relative allo stoccaggio a bassa capacità di fertilizzanti a base di AN", Journal of Hazardous Materials 2005 , 123 (1–3) , 13-28 ( https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.03.028).
2. Zhe Han, "Studi sulla stabilità termica del nitrato di ammonio", Ph.D. Dissertazione , Texas A&M University, TX, 2016 ( PDF).
3. Alex M. Djerdjev, Pramith Priyananda, Jeff Gore, James K. Beattie, Chiara Neto, Brian S. Hawkett, "Il meccanismo della detonazione spontanea del nitrato di ammonio in terreni reattivi", Journal of Environmental Chemical Engineering 2018 , 6 (1) , 281-288 ( https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.12.003).

In primo luogo, il nitrato di ammonio è una sorta di miscela tra un ossidante - la parte nitrata - e un riduttore - quella di ammonio. Questo è al centro della tua domanda.

La decomposizione diretta correttamente menzionata nelle risposte è tuttavia un processo in cui qualcosa si ossida e qualcosa si riduce.

Nel nitrato di ammonio fondamentalmente tu hanno tutto ciò di cui hai bisogno: il "carburante" e l '"ossigeno" analoghi di ciò che è coinvolto in una combustione standard, esplosiva o meno.

Tuttavia le altre risposte sono valide e più dettagliate dal punto di vista del meccanico-chimico . Un punto sottolinea la presenza di NO2 chiaramente visibile dal suo colore rosso brunastro prima della seconda potente esplosione.

Ma la risposta diretta alla tua domanda è che l'ossidante e le sostanze riducenti sono già all'interno del sale.

Nota a margine: il nitrato di ammonio può decomporsi per shock meccanico, quindi c'erano condizioni sufficienti per innescare la seconda potente esplosione.

Il punto principale di questa risposta è utilizzare l'esplosione della West Fertilizer Company del 2013 ( animazione USCSB per contesto) come esempio di scenari che potrebbero portare alla detonazione di AN e anche per mostrare che la situazione può diventare molto complesso e imprevedibile.

Qualsiasi cosa nelle vicinanze può diventare combustibile, soprattutto se è già in corso un incendio. Ciò include i contenitori, le impurità, la fuliggine e i detriti del fuoco, ecc. Inoltre, il punto di fusione del nitrato di ammonio è ~ 337 F, il che significa che può fondere, possibilmente fuoriuscire dal suo contenitore e mescolarsi facilmente con le fonti di carburante.

Il rapporto finale sull'esplosione di fertilizzanti del CSB occidentale degli Stati Uniti, sezione 4.3, delinea tre possibili scenari in cui potrebbe essersi verificata l'esplosione del 2013 a ovest, in Texas. La sezione 4.2 delinea i fattori generali che contribuiscono.

Questi non sono gli unici modi in cui può esplodere, ma sono alcuni esempi dei tipi di condizioni che potrebbero portare all'esplosione.

Dovresti assolutamente leggere il rapporto; il mio breve riassunto di seguito lascia fuori molte analisi rilevanti.

Quindi, dalla sezione 4.2, fattori che contribuiscono (FGAN = nitrato di ammonio di grado fertilizzante):

Contaminazione

In situazioni di incendio, il comportamento della FGAN è imprevedibile, in parte a causa del numero di reazioni di decomposizione endotermiche ed esotermiche che si verificano con l'aumento della temperatura. Le reazioni di decomposizione di FGAN oltre la prima fase devono ancora essere definite in modo univoco e le reazioni di decomposizione successive di FGAN possono essere solo presunte. Quando i contaminanti vengono aggiunti all'AN, le reazioni di decomposizione diventano sempre più complesse. Possibili fonti di contaminazione in un'area di stoccaggio FGAN possono includere liquidi infiammabili, metalli finemente suddivisi o materiali organici, sali clorurati, carboni, acidi, fibre e solfuri. Questi contaminanti possono aumentare la sensibilità esplosiva di FGAN.

È probabile che la FGAN fusa nel WFC sia entrata in contatto con contaminanti immagazzinati nel magazzino dei fertilizzanti o prodotti durante l'incendio che ha preceduto l'esplosione. I materiali delle sementi, lo zinco e altri prodotti organici, compresi i bidoni costruiti in legno, erano presenti vicino all'area di stoccaggio FGAN o potrebbero essere entrati in contatto con FGAN fusa. Durante l'incendio, la fuliggine del fumo e anche il legno che crolla e il materiale del tetto potrebbero essersi mescolati con il mucchio FGAN.

Scarsa ventilazione

La ventilazione limitata ha aumentato la quantità di fuliggine nel fumo e la potenziale contaminazione del palo FGAN. ...

Ad un certo punto, circa 5 o 6 minuti prima della detonazione, il carattere dell'incendio è cambiato, secondo i resoconti dei testimoni oculari e le prove fotografiche (Figura 40). Questo cambiamento è stato molto probabilmente causato da una maggiore ventilazione attraverso un'apertura bassa nell'edificio, probabilmente quando il fuoco bruciava attraverso le porte della stanza o il tetto. L'incendio potrebbe anche essere stato potenziato dai gas ossidanti provenienti dal mucchio di FGAN riscaldato ...

La ventilazione aggiuntiva ha causato una marcata diminuzione del fumo scuro e probabilmente è stata accompagnata da un notevole aumento della radiazione termica all'interno dell'edificio del fertilizzante maggiore disponibilità di ossigeno per la legna che brucia e altri combustibili. Con il fumo scuro all'interno della struttura ridotto, il calore radiante raggiungerebbe la superficie del FGAN nel bidone e l'aumento del flusso d'aria attraverso l'edificio aumenterebbe notevolmente il flusso di calore radiante aumentando la temperatura del legno che brucia. La superficie della FGAN, ricoperta di fuliggine o asfalto fuso, assorbirebbe il flusso di calore e provocherebbe un riscaldamento molto rapido della superficie della pila FGAN. La superficie molto calda e contaminata del cumulo era quindi sensibile alla detonazione.

E dalla sezione 4.3, alcuni scenari di detonazione:

• Scenario 1 : Detonazione dalla cima della pila FGAN.
• Scenario 2: detonazione in FGAN riscaldato lungo il muro esterno esposto al fuoco.
• Scenario 3: detonazione nella fossa dell'ascensore che si diffonde nel contenitore principale della FGAN

Scenario 1: detonazione dall'alto della pila

In base alla posizione della pila e alle proprietà del contenitore insieme alle circostanze di altri incidenti indotti dal fuoco, uno scenario possibile è che un periodo di contaminazione con fuliggine e altre sostanze organiche (possibilmente compreso asfalto fuso e gocciolamento di plastica dal tetto in scandole composito in fiamme e tubo di caduta in PVC dal meccanismo dell'ascensore) sia stato seguito da circa 5 a 6 minuti di intenso riscaldamento radiante dalle fiamme sopra e adiacente al bidone FGAN principale. Durante questo periodo, sulla pila potrebbe essersi accumulato uno strato di FGAN liquido molto caldo, contaminato e sensibile. La schiuma FGAN probabilmente produceva gas ossidanti e quelli miscelati con fumo infiammabile per produrre una nuvola di gas detonabile sopra il mucchio di FGAN nel contenitore principale e possibilmente in un contenitore adiacente collegato al contenitore principale attraverso una serie di fori tagliati nella partizione tra i contenitori. La nuvola era costituita da potenti ossidanti che sarebbero previsti quando FGAN subisce la decomposizione termica, come NO2, O2 e HNO3, nonché fumo ricco di carburante e prodotti di pirolisi che fuoriescono dalla FGAN fusa. La nuvola di gas potrebbe quindi essersi infiammata dall'alto, subendo una transizione da deflagrazione a detonazione (DDT) nel confinamento del contenitore.

Scenario 2: detonazione lungo la linea del fuoco

Questo scenario prevedeva il riscaldamento della FGAN attraverso i muri ed è noto come altamente improbabile, quindi per essere breve non lo citerò qui. Vedere la sezione 4.3.2 per i dettagli.

Scenario 3: detonazione nella fossa dell'ascensore

Un altro possibile scenario di detonazione si concentra sulla fossa dell'ascensore vicino al Contenitore FGAN. Un coperchio in fibra di vetro copriva la fossa e il pavimento si allontanava dalla fossa per impedire che il deflusso vi entrasse, ma la luce del fuoco ha sciolto la copertura e nella fossa avrebbero potuto essere presenti resti di FGAN. ...

Se l'erosione iniziasse nella fossa, il meccanismo più fattibile sarebbe un collasso della parete ovest del cassone, rovesciando FGAN in una miscela di gomma in fiamme dal nastro dell'elevatore fuso e FGAN residuo nel fondo della fossa. La massa della FGAN in caduta, combinata con il forte confinamento delle pareti della fossa di cemento, potrebbe aver fornito le condizioni per un DDT in fase solida che inizia dal fondo del pozzo e si diffonde nella pila principale.

TLDR

Quindi sì, il TLDR qui è che le condizioni in un incendio possono essere estremamente complicate e imprevedibili, dando luogo a molte opportunità di contaminazione e detonazione.

In particolare:

• AN può sciogliersi e il liquido può fare cose imprevedibili.
• I contenitori possono essere distrutti dal fuoco permettendo ad AN di fuggire dentro luoghi imprevedibili.
• Anche se l'AN fosse privo di contaminazioni in condizioni normali, qualsiasi cosa nell'area può diventare una fonte di carburante, inclusi i contenitori stessi, i detriti del fuoco, il fumo, la fuliggine, le parti di edifici crollate, ecc.

A Beirut abbiamo visto che c'era già un fuoco acceso per un periodo di tempo significativo prima dell'esplosione, così come un'esplosione più piccola che si è verificata < 30 secondi prima di quello principale. C'erano anche lampi e scoppi e molte altre cose ( secondo quanto riferito c'erano fuochi d'artificio immagazzinati nello stesso magazzino). Era anche in un porto marittimo, il che significava che probabilmente c'erano molte cose vicine che fungevano da fonti di carburante.

È molto, molto concepibile che l'AN si riscaldasse abbastanza e abbastanza contaminati durante questo periodo da esplodere.

Ecco un elenco di altri incidenti AN che potresti ricercare da solo per scoprire altri scenari che possono portare a detonazioni. I più importanti:

• BASF, Oppau, Germania, 1921
• Texas City, Texas, USA, 1947
• AZF, Tolosa, Francia, 2001
• Ryongchŏn, Corea del Nord, 2004
• Tianjin, Cina, 2015

Inoltre, potresti trovare alcune delle teorie riguardanti il ​​ 1988 Interessante anche l'incidente di PEPCON in Nevada, USA. Quello non era nitrato di ammonio (era perclorato di ammonio, un altro ossidante), ma i possibili scenari sono simili e illustra anche la complessità di questo tipo di situazioni.

Quando si pensa al fuoco e si analizzano i requisiti di un incendio in un combustibile e in un ossidante, questo è - in termini chimici - solo un modo diverso di determinare un agente ossidante e un agente riducente in una reazione redox.

Il nitrato di ammonio, come altri nitrati come il nitrato di potassio, noto anche come salnitro, è un agente ossidante attraverso l'anione nitrato in cui l'atomo di azoto si trova nel $ \ mathrm {+ V} $ stato di ossidazione. Questo sembra essere il più alto stato di ossidazione in cui l'azoto si trova nei composti stabili; alti stati di ossidazione degli atomi elettronegativi tendono ad essere instabili e reagiscono come agenti ossidanti (vedi anche perclorato $ \ ce {ClO4 -} $ con cloro nella $ \ mathrm {+ VII} $ stato di ossidazione, per cui si può fare un argomento simile). Pertanto, l'azoto nel nitrato, come parte di una reazione redox, ridurrà il suo stato di ossidazione assorbendo elettroni.

L'esame del nitrato di ammonio rivela che c'è un altro atomo di azoto nel catione di ammonio che si trova nel $ \ mathrm {-III} $ stato di ossidazione. Poiché questo è lo stato di ossidazione più basso noto dell'azoto, non può agire come agente ossidante ma può agire come agente riducente - vedi ad esempio il processo Ostwald in cui l'ammoniaca (anche nella $ \ mathrm {-III} $ stato di ossidazione) viene bruciato in un'atmosfera di ossigeno che alla fine produce acido nitrico.

Quindi, abbiamo effettivamente sia un agente ossidante che uno riducente nel sale: il primo è l'anione nitrato e il secondo è il catione di ammonio. In condizioni normali, questi non reagiranno (ecco perché il nitrato di ammonio è stabile, può essere acquistato da fornitori di sostanze chimiche e la scheda di sicurezza di sicurezza non include esplosivo come segnale di avvertimento). Tuttavia, sono in grado di reagire e hanno percorsi di reazione termodinamicamente favorevoli come la risposta di Matthew delinea piacevolmente.

È interessante notare che il nitrito di ammonio ( $ \ ce {NH4NO2} $ ) è molto più labile e molto difficile da preparare poiché i due ioni tendono a reagire per formare azoto gassoso e acqua anche in soluzione a temperatura ambiente.

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

Per quanto riguarda la domanda se il disastro di Beirut è stata una deflagrazione o una detonazione: il termine applicabile dipende unicamente dalla velocità di decomposizione e dalla velocità del fronte che ne risulta. Se la decomposizione avviene a velocità supersoniche, ciò porta a un'onda d'urto caratteristica di una detonazione. Se la decomposizione è subsonica, stai osservando una deflagrazione.

modifica: la mia valutazione originale era sbagliata

Si decompone ENDOTERMICAMENTE, quindi non si propaga da solo e non è un esplosivo basso: NH4NO3 - > 2H2O + N2O

Tuttavia a il passaggio dell'onda d'urto può indurre questa decomposizione in una grande quantità di nitrato di ammonio contemporaneamente, che è una detonazione. L'onda d'urto iniziale potrebbe provenire da un altro esplosivo o da un incendio di carburante che è stato intensificato dalle proprietà ossidanti del nitrato di ammonio. Non sono sicuro di come si verifichi esattamente quest'ultimo, ma non è la prima volta che accade

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Ammonium_nitrate_disasters