Amoni nitrat (AN) | Khái niệm hoá học

1. Lịch sử và nguồn gốc

Amoni nitrat (AN) là một trong những hợp chất phổ biến nhất và quan trọng nhất về mặt thương mại kể từ khi được phát hiện vào thế kỷ XVII (1659). Lượng AN được sản xuất và sử dụng nhiều chủ yếu là do nó là thành phần chính trong phân bón (đạm 2 lá) và vật liệu nổ công nghiệp.

Trong vai trò là phân bón, AN cung cấp Nitro ở cả dạng NH₃ và ion nitrat. Đối với vai trò là chất nổ, AN hoạt động như là một chất oxy hóa cung cấp một nguồn oxy rẻ trong thuốc nổ để kết hợp với nhiên liệu và giải phóng năng lượng. 

Vụ nổ AN kinh hoàng tại Beirut - Lebanon

AN là một trong những chất nổ mạnh gây ra các vụ nổ có cường độ nghiêm trọng. Những vụ tai nạn nổi tiếng và được nhiều người biết đến là các vụ tai nạn ở Upper Silesia (1921); Oppau, Germany (1921), Brest, France (1947), Texas City, USA (1947). Toulose, France (2001),... Mới đây nhất là vụ nổ thảm khốc ở thủ đô Beirut hôm 4/6/2020 do tia lửa hàn trong quá trình sửa chữa nhà kho nhiều khả năng đã làm cháy 2750 tấn amoni nitrat cất trữ tại đây suốt 6 năm qua, gây ra tiếng nổ cực lớn,phá hủy nhiều nhà cửa ở Beirut - Lebanon khiến ít nhất 100 người thiệt mạng.

Amoni nitrat (AN)

2. Tính chất vật lý và hóa học

a. Một số thông tin cơ bản về tính chất vật lí

AN là một chất rắn màu trắng, hút ẩm ở dạng tinh thể tại nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn, tan nhiều trong nước, điểm nóng chảy (MP) khoảng 169,6^oC, tỷ khối là 1,73 g/cm3; điểm sôi khoảng 210^oC, phân hủy khoảng 230^oC, tan chảy trên 325^oC.

Tính chất vật lý của AN

b. Tính chất hóa học

Khi bị giam giữ và nung nóng, AN có thể phát nổ vượt quá 260^oC tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt. Hóa học phân hủy của bất kỳ chất nào là chìa khóa cho hành vi gây nổ của nó và do đó, AN đã được nghiên cứu và công bố rộng rãi. Khi phân tích dữ liệu thí nghiệm, người ta cần chú ý đến các yếu tố cơ bản như tốc độ gia nhiệt, áp suất và độ tinh khiết vì những yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Mặc dù, một số con đường phản ứng được đề xuất, không có cơ chế đơn lẻ nào hiện có thể giải thích tất cả các khía cạnh của sự phân hủy AN. Vẫn có một mức độ chấp nhận cơ chế phản ứng cụ thể ở một nhiệt độ cụ thể. Với mục đích hiểu được tính hữu ích và các nguy cơ liên quan đến việc sử dụng AN trong chất nổ AN, đặc biết là ANFO (ANFO (hoặc AN / FO , đối với amoni nitrat / dầu nhiên liệu ) là một chất nổ công nghiệp số lượng lớn được sử dụng rộng rãi.), sẽ đủ để biết rằng tốc độ nung nóng và giam giữ là hai thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy và tạo thành sản phẩm cuối cùng trong sự phân hủy AN. Có ý kiến cho rằng trong khi tốc độ gia nhiệt cao khuyến khích sự phân hủy bề mặt tỏa nhiệt và tạo ra N₂ và HNO₃, ở nhiệt độ thấp hơn khuyến khích sự phân hủy khối lượng lớn tỏa nhiệt và tạo ra N₂O và H₂O. Rất nhiều tạp chất có thể hoạt động như chất xúc tác, các tác nhân khác có thể bao gồm nhiên liệu kim loại giúp tăng cường năng lượng nhiệt được giải phóng trong quá trình phân hủy. Hiện tượng này được ứng dụng trong công thức thuốc nổ ANFO mang lại hiệu suất nổ tốt hơn ở mật độ khối cao hơn.

Qúa trình phân hủy AN có thể được biểu diễn dưới đây:

Ở 180^oC: NH₄NO₃ = NH₃ + HNO₃

250^oC: NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O

>300^oC: NH₄NO₃ = 2N₂ + 4H₂O + O₂

Trong điều kiện bị giam giữ, sự nổ AN diễn ra như sau:

4NH₄NO₃ = 2NO₂ + 8H₂O + 3N₂ 

3. Ứng dụng

Amoni nitrat là chất ôxi hóa mạnh, nitrat amôni tạo thành một hỗn hợp chất nổ khi kết hợp với nhiên liệu như hyđrô, thường là dầu diesel (dầu) hoặc kerosene. Tiêu biểu là vụ đánh bom khủng bố tại Thành phố Oklahoma của Mỹ vào sáng ngày 19/4/1995, do Timothy McVeigh thực hiện tại tòa nhà Liên bang Afred P. Murrah. Đây được coi là một trong những vụ khủng bố tồi tệ nhất nước Mỹ khiến 168 người chết, trong đó có 19 trẻ em và hơn 500 người bị thương.

Một phần tòa nhà Alfred P. Murrah ở thành phố Oklahoma, Mỹ, bị thổi bay trong vụ đánh bom năm 1995

Nitrat amoni cũng được sử dụng trong các loại thuốc nổ quân sự như bom phát quang  BLU-82B/C-130 được thả từ máy bay MC-130 và là một thành phần của vật liệu nổ amatol, làm từ hỗn hợp của TNT và NH₄NO₃. Các hỗn hợp sử dụng trong mục đích quân sự thường pha chế thêm gần 20% bột nhôm nữa để tăng sức công phá…

Tuy nhiên ngày nay, ứng dụng phổ biến nhất của amoni nitrat là để sản xuất phân bón, do nó chứa nhiều nitơ cần thiết cho cây trồng bởi cây cần nitơ để tạo ra các protein và được sản xuất công nghiệp với giá không quá đắt.

Phân bón Amoni nitrat

Amoni nitrat cũng được sử dụng trong các túi lạnh nhanh (instant cold pack). Trong ứng dụng này, nitrat amoni được trộn với nước trong một phản ứng thu nhiệt, với nhiệt lượng 26,2 kilojoule mỗi mole chất phản ứng. Các sản phẩm của các phản ứng nitrat amoni được ứng dụng trong các túi khí. Chất azit natri (NaN₃) là hóa chất được sử dụng trong các túi khí và nó phân hủy tạo ra natri Na và nitơ N₂.

2Na₃N $\to$6Na + N₂

Nitrat amoni còn được ứng dụng trong việc xử lý các quặng titanium hay điều chế chất ôxít nitơ (N₂O) và điều chế amoniac khan, một hóa chất thường được sử dụng trong việc sản xuất methamphetamine.

Amoni nitrat rất dễ nổ khi tiếp xúc với lửa và khi phát nổ, amoni nitrat có thể giải phóng các khí độc bao gồm oxit nitơ và khí amoniac.

Cũng vì nó rất dễ cháy nổ nên thế giới đã có các quy tắc nghiêm ngặt về cách lưu trữ ammonium nitrate một cách an toàn, trong đó yêu cầu tối thiểu nhất là vị trí lưu trữ cần phải được chống cháy triệt để và không thể có bất kỳ cống, ống hoặc các nguồn nào khác để ammonium nitrate có thể tiếp xúc, tích tụ, tạo ra nguy cơ nổ.