On sait que le nitrate d'ammonium se décompose de manière exothermique lorsqu'il est chauffé pour former de l'oxyde nitreux et de l'eau. Cet article ¹ note que la décomposition irréversible du nitrate d'ammonium se produit dans la plage de température de $ \ pu {230-260 ^ \ circ C} $ span >.

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

Ils ont également noté qu'au-delà de $ \ pu {280 ^ \ circ C} $ , $ \ ce {NH4NO3} $ est capable d'une décomposition rapide et auto-accélérée (jusqu'au point de détonation).

Mais à la température de détonation, $ \ mathrm {t_d } $ (la température à laquelle les composés explosent), le nitrate d'ammonium se décompose complètement en azote, oxygène et eau, libérant une énorme quantité d'énergie.

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

Dans le contexte de l'explosion de Beyrouth, la question qui s'est posée était "quand le nitrate d'ammonium a-t-il atteint la température de détonation, et pourquoi a-t-il soudainement explosé? ". Selon un reportage de cnet.com:

Lorsqu'il est chauffé à plus de 170 degrés Fahrenheit, le nitrate d'ammonium commence à se décomposer. Mais avec un échauffement ou une détonation rapide, une réaction chimique peut se produire qui convertit le nitrate d'ammonium en azote et en oxygène gazeux et en vapeur d'eau. Les produits de la réaction sont inoffensifs - ils se trouvent dans notre atmosphère - mais le processus libère d'énormes quantités d'énergie. [...]

De plus, dans l'explosion, tout le nitrate d'ammonium n'est pas utilisé et explosé. Une partie se décompose lentement en créant des gaz toxiques comme les oxydes d'azote. Ce sont ces gaz qui sont responsables du panache de fumée rouge-brun vu à la suite de l'explosion de Beyrouth, a déclaré Rae.

Donc, ma théorie est que le nitrate d'ammonium a commencé à chauffer (du feu) en libérant toutes sortes d'oxydes d'azote (les fumées rouges). Ce feu a encore accéléré la réaction, chauffant davantage le nitrate d'ammonium restant jusqu'au point de détonation et c'est à ce moment que le nitrate d'ammonium a explosé instantanément en libérant une énorme quantité d'énergie qui envoie des ondes de choc autour du site avec un nuage en forme de champignon blanc (extrait du commentaire de @ DDuck) qui pourrait probablement être de l'azote et / ou des vapeurs d'eau où l'air humide (air chargé de vapeur d'eau) s'est condensé en raison de l'explosion (@StianYttervik) avec libération d'azote. C'est un incident triste et assez dévastateur.

Références

1. Sur la décomposition thermique du nitrate d'ammonium. Températures de réaction à l'état d'équilibre et vitesse de réaction par George Feick et RM Hainer, 1954 ( PDF)
2. Taux de réaction du nitrate d'ammonium en détonation Melvin A. Cook, Earle B. Mayfield et 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

Le nitrate d'ammonium ( $ \ ce {NH4NO3} $ ) est largement utilisé dans l'industrie des engrais et est l'une des formes d'engrais azoté les plus concentrées (35% des $ \ ce {N} $ ). Dans le même temps, il a également été largement utilisé comme matière explosive pour la détonation dans les mines. En raison de son caractère explosif, $ \ ce {NH4NO3} $ est associé à divers risques, notamment les incendies et les explosions, qui se sont produits à plusieurs reprises dans le passé (plus de 70 incidents au cours du 20e siècle, plus de la moitié d’entre eux se sont produits sur le sol américain). Quoi qu'il en soit, $ \ ce {NH4NO3} $ n'est pas considéré comme un matériau inflammable ou combustible à température et pression ambiantes (Ref.1). Cependant, c'est un oxydant puissant qui peut exploser dans certaines conditions telles que la température, le feu, le confinement et la présence d'impuretés (par exemple, $ \ ce {KCl} $ ), qui peut servir de promoteur pour faire exploser (Ref.2).

À utiliser comme explosif ou réactif de dynamitage, $ \ ce {NH4NO3} $ est mélangé avec du fioul, appelé fioul au nitrate d'ammonium (ANFO; Réf.1). Selon la référence 2, pendant l'explosion, une réaction exothermique suivante aurait lieu (l'hydrocarbure est représenté par $ \ ce {CH2} $ ):

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

Fait intéressant, cela peut être comparé au TNT, dont la chaleur de combustion est $ \ Delta H = \ pu {-4196 kJ / kg} $ . Sans mazout, peut exploser dans certaines conditions. On pense que la vaporisation de $ \ ce {NH4NO3} $ fondu conduit à la formation d'ammoniac et d'acide nitrique, ce qui pourrait initier la décomposition de $ \ ce {NH4NO3} $ par la réaction suivante:

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

À des températures plus élevées (c'est-à-dire entre $ \ pu { 170 ^ \ circ C} $ et $ \ pu {280 ^ \ circ C} $ ) réactions exothermiques irréversibles (équations $ (3) - (5) $ ) se produisent:

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

Si le matériau est soudainement chauffé, il y aura des décompositions explosives comme indiqué dans les équations $ (6) $ et $ (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 $$

Gardez à l'esprit que toutes ces réactions à l'exception de $ (2) $ sont exothermiques. De plus, la plupart des produits sont des gaz. J'ai joint un fichier PDF si Réf.2 si un lecteur s'intéresse à la façon dont les explosions se produisent dans de bonnes conditions (sinon, c'est un vaste champ à expliquer). Par exemple, la réaction $ (3) $ peut être rendue plus exothermique ( $ \ pu {789 kJ / mol} $ ) avec plus de produits gazeux, si du carburant oxydable est ajouté tel que $ \ ce {C} $ (Ref.3):

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

Il ressort clairement des incidents passés impliquant $ \ ce {NH4NO3} $ que la présence d'impuretés et les conditions environnementales ont un effet énorme sur la détonation de $ \ ce {NH4NO3} $ pendant le stockage. Par exemple, l'un des incidents industriels les plus meurtriers de l'histoire des États-Unis s'est produit le 16 avril 1947 à Texas City, au Texas, où une explosion $ \ ce {NH4NO3} $ impliquant $ \ pu {2300 tonnes} $ de $ \ ce {NH4NO3} $ a causé 581 morts et des milliers de blessures . L'incendie a été causé par l'explosion initiale de $ \ ce {NH4NO3} $ sur un navire, ce qui a entraîné des réactions en chaîne d'incendies et d'explosions sur d'autres navires et installations à proximité. . Le $ \ ce {NH4NO3} $ éclaté a été enduit de cire (à base de carbone) pour éviter le mottage (voir l'équation $ (8 ) $ ci-dessus). Après cet accident, les nouvelles technologies et pratiques sécuritaires introduites dans les années 1950 ont éliminé l'utilisation de revêtements de cire (Réf.2).

Références:

1. Guy Marlair, Marie-Astrid Kordek, "Safety and security issues related to low capacity storage of AN-based engrais", Journal of Hazardous Materials 2005 , 123 (1–3) , 13-28 ( https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.03.028).
2. Zhe Han, «Études de stabilité thermique du nitrate d'ammonium», Ph.D. Dissertation , Texas A&M University, TX, 2016 ( PDF).
3. Alex M. Djerdjev, Pramith Priyananda, Jeff Gore, James K. Beattie, Chiara Neto, Brian S. Hawkett, "Le mécanisme de la détonation spontanée du nitrate d'ammonium dans les sols réactifs", Journal of Environmental Chemical Engineering 2018 , 6 (1) , 281-288 ( https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.12.003).

Premièrement, le nitrate d'ammonium est une sorte de mélange entre un oxydant - la partie nitrate - et un réducteur - l'ammonium. Ceci est au cœur de votre question.

La décomposition directe correctement mentionnée dans les réponses est néanmoins un processus dans lequel quelque chose s'oxyde et quelque chose se réduit.

Dans le nitrate d'ammonium, vous ont tout ce dont vous avez besoin - les analogues «carburant» et «oxygène» de ce qui est impliqué dans une combustion standard, explosive ou non.

Encore les autres réponses sont valables et plus détaillées du point de vue d'un mécanicien chimiste . On souligne la présence de NO2 clairement visible par sa couleur rouge brunâtre avant la deuxième puissante explosion.

Mais la réponse directe à votre question est que l'oxydant et les agents réducteurs sont déjà dans le sel.

Remarque: le nitrate d'ammonium peut se décomposer par choc mécanique, il y avait donc suffisamment de conditions pour déclencher la deuxième explosion puissante.

Le point principal de cette réponse est d'utiliser l'explosion 2013 de la West Fertilizer Company ( animation USCSB pour le contexte) comme exemple de scénarios pouvant conduire à une détonation AN, et aussi pour montrer que la situation peut devenir très complexe et imprévisible.

Tout ce qui se trouve à proximité peut devenir du carburant, surtout si un incendie est déjà en cours. Cela inclut les conteneurs, les impuretés, la suie et les débris du feu, etc. De plus, le point de fusion du nitrate d'ammonium est de ~ 337 F, ce qui signifie qu'il peut fondre, s'échapper éventuellement de son conteneur et se mélanger facilement aux sources de carburant.

Le rapport final sur l'explosion des engrais US CSB West, section 4.3, décrit trois scénarios possibles dans lesquels l'explosion de 2013 dans l'ouest du Texas aurait pu se produire. La section 4.2 décrit les facteurs contributifs généraux.

Ce ne sont pas les seules façons dont il peut exploser, mais ce sont quelques exemples des types de conditions qui pourraient conduire à une explosion.

Vous devriez absolument lire le rapport; mon bref résumé ci-dessous laisse beaucoup d'analyses pertinentes.

Donc, à partir de la section 4.2, les facteurs contributifs (FGAN = nitrate d'ammonium de qualité engrais):

Contamination

Dans les situations d'incendie, le comportement du FGAN est imprévisible, en partie à cause du nombre de réactions de décomposition endothermiques et exothermiques qui se produisent lorsque la température augmente. Les réactions de décomposition du FGAN au-delà de la première étape doivent encore être définies de manière unique, et les réactions de décomposition ultérieures du FGAN ne peuvent être que supposées. Lorsque des contaminants sont ajoutés à l'AN, les réactions de décomposition deviennent de plus en plus complexes. Les sources possibles de contamination dans une zone de stockage de FGAN peuvent inclure des liquides inflammables, des métaux finement divisés ou des matières organiques, des chlorures, des carbones, des acides, des fibres et des sulfures. Ces contaminants peuvent augmenter la sensibilité explosive du FGAN.

Le FGAN fondu du WFC est probablement entré en contact avec des contaminants qui étaient stockés dans l'entrepôt d'engrais ou qui ont été produits lors de l'incendie qui a précédé l'explosion. Des semences, du zinc et d'autres produits organiques, y compris les bacs en bois, étaient présents près de la zone de stockage du FGAN ou auraient pu entrer en contact avec du FGAN fondu. Pendant l'incendie, la suie de la fumée ainsi que le bois qui s'effondre et les matériaux de toiture peuvent s'être mélangés avec la pile FGAN.

Mauvaise ventilation

La ventilation limitée a augmenté la quantité de suie dans la fumée et la contamination potentielle du tas de FGAN. ...

À un moment donné, environ 5 à 6 minutes avant l'explosion, le caractère de l'incendie a changé, selon les récits de témoins oculaires et les preuves photographiques (Figure 40). Ce changement a probablement été causé par une ventilation accrue à travers une ouverture basse dans le bâtiment, peut-être lorsque le feu a brûlé à travers les portes de ces pièces ou le toit. Le feu aurait également pu être aggravé par les gaz oxydants du tas de FGAN chauffé ...

La ventilation supplémentaire a provoqué une diminution marquée de la fumée noire et a probablement été accompagnée d'une augmentation majeure du rayonnement thermique à l'intérieur du bâtiment d'engrais en raison de augmentation de la disponibilité de l'oxygène pour la combustion du bois et d'autres combustibles. Avec la fumée noire à l'intérieur de la structure réduite, la chaleur radiante atteindrait la surface du FGAN dans le bac, et l'augmentation du flux d'air à travers le bâtiment augmenterait considérablement le flux de chaleur rayonnante en augmentant la température du bois brûlant. La surface du FGAN, recouverte de suie ou d'asphalte fondu, absorberait le flux de chaleur et provoquerait un échauffement très rapide de la surface du tas de FGAN. La surface très chaude et contaminée de la pile était alors sensible à la détonation.

Et à partir de la section 4.3, quelques scénarios de détonation:

• Scénario 1 : Détonation depuis le haut de la pile FGAN.
• Scénario 2: Détonation dans un FGAN chauffé le long d'un mur extérieur exposé au feu.
• Scénario 3: Détonation dans une fosse d'ascenseur qui se propage au bac principal du FGAN

Scénario 1: Détonation depuis le haut de la pile

En fonction de l'emplacement de la pile et des propriétés de la poubelle ainsi que des circonstances d'autres incidents provoqués par un incendie, un scénario possible est qu'une période de contamination par de la suie et d'autres matières organiques (peut-être y compris de l'asphalte fondu et du plastique s'écoulant du toit en bardeaux composites en feu et du tuyau en PVC du mécanisme de l'élévateur) a été suivie d'environ 5 à 6 minutes de chauffage par rayonnement intense des flammes au-dessus et à côté du bac principal FGAN. Pendant ce temps, une couche de FGAN liquide très chaud, contaminé et sensible pourrait s'être accumulée sur le tas. Le FGAN moussant produisait probablement des gaz oxydants, et ceux mélangés à de la fumée inflammable pour produire un nuage de gaz détonable sur la pile de FGAN dans le bac principal et éventuellement dans un bac adjacent relié au bac principal par une série de trous creusés dans la cloison entre les bacs. Le nuage était composé d'oxydants puissants qui seraient attendus lorsque le FGAN subit une décomposition thermique, tels que NO2, O2 et HNO3, ainsi que des fumées riches en carburant et des produits de pyrolyse dégageant des gaz du FGAN fondu. Le nuage de gaz pourrait alors s'être enflammé d'en haut, subissant une transition de déflagration en phase gazeuse à la détonation (DDT) dans le confinement du bac.

Scénario 2: Détonation le long de la ligne de feu

Ce scénario impliquait le chauffage du FGAN à travers les murs et est noté comme étant hautement improbable, donc pour rester bref, je ne vais pas le citer ici. Voir la section 4.3.2 pour plus de détails.

Scénario 3: Détonation dans la fosse d'ascenseur

Un autre scénario de détonation possible se concentre sur la fosse d'ascenseur près du Bin FGAN. Un couvercle en fibre de verre couvert la fosse, et le sol s'est incliné loin de la fosse pour empêcher le ruissellement d'y pénétrer, mais la lumière du feu a fait fondre le couvercle, et des restes de FGAN auraient pu se trouver dans la fosse. ...

Si la détonation commençait dans la fosse, le mécanisme le plus réalisable serait un effondrement du mur ouest de la poubelle, déversant du FGAN dans un mélange de caoutchouc brûlé provenant de la ceinture d'ascenseur fondue et du FGAN résiduel fond de la fosse. La masse du FGAN tombant, combinée au fort confinement des parois de la fosse en béton, aurait pu fournir les conditions pour un DDT en phase solide commençant au fond de la fosse et se répandant dans la pile principale.

TLDR

Alors oui, le TLDR ici est que les conditions d'un incendie peuvent être extrêmement compliquées et imprévisibles, donnant lieu à de nombreuses opportunités de contamination et de détonation.

En particulier:

• AN peut fondre et le liquide peut faire des choses imprévisibles.
• Les conteneurs peuvent être détruits par le feu permettant à AN de s'échapper dans des endroits imprévisibles.
• Même si l'AN était exempt de contaminants dans des conditions normales, tout ce qui se trouve dans la zone peut devenir une source de carburant, y compris les conteneurs eux-mêmes, les débris d'incendie, la fumée, la suie, les pièces de construction effondrées, etc.

À Beyrouth, nous avons vu qu'il y avait déjà un incendie qui brûlait pendant un laps de temps significatif avant l'explosion, ainsi qu'une petite explosion qui s'est produite < 30 secondes avant le principal. Il y avait aussi des flashs, des bangs et beaucoup d'autres choses ( il y aurait des feux d'artifice stockés dans le même entrepôt). C'était aussi dans un port de mer, ce qui signifie qu'il y avait probablement beaucoup de choses à proximité pour servir de sources de carburant.

Il est très, très concevable que l'AN soit suffisamment chauffé et suffisamment contaminés pendant ce temps pour exploser.

Voici une liste d'autres accidents AN que vous pourriez rechercher par vous-même pour découvrir d'autres scénarios pouvant conduire à des explosions. Les plus notables:

• BASF, Oppau, Allemagne, 1921
• Texas City, Texas, USA, 1947
• AZF, Toulouse, France, 2001
• Ryongchŏn, Corée du Nord, 2004
• Tianjin, Chine, 2015

Vous pouvez également trouver quelques théories concernant le 1988 Accident de PEPCON au Nevada, USA intéressant également. Ce n'était pas du nitrate d'ammonium (c'était du perchlorate d'ammonium, un autre oxydant), mais les scénarios possibles sont similaires et cela illustre également la complexité de ce genre de situations.

Quand on pense au feu et dissèque les exigences d'un feu en un combustible et un comburant, ce n'est - en termes chimiques - qu'une manière différente de déterminer un agent oxydant et un agent réducteur dans une réaction redox.

Le nitrate d'ammonium - comme d'autres nitrates tels que le nitrate de potassium qui est également connu sous le nom de salpêtre - est un agent oxydant à travers l'anion nitrate dans lequel l'atome d'azote est dans le $ \ mathrm {+ V} $ état d'oxydation. Cela se trouve être l'état d'oxydation le plus élevé dans l'azote dans les composés stables; les états d'oxydation élevés des atomes électronégatifs ont tendance à être instables et à réagir comme des agents oxydants (voir aussi perchlorate $ \ ce {ClO4 -} $ avec du chlore dans le $ \ mathrm {+ VII} $ état d'oxydation, pour lequel un argument similaire peut être fait). Ainsi, l'azote dans le nitrate, dans le cadre d'une réaction redox, réduira son état d'oxydation en absorbant des électrons.

L'examen du nitrate d'ammonium révèle qu'il y a un autre atome d'azote dans le cation ammonium qui est dans le $ \ mathrm {-III} $ état d'oxydation. Comme il s'agit de l'état d'oxydation connu le plus bas de l'azote, il ne peut pas agir comme un agent oxydant mais il peut agir comme un agent réducteur - voir par exemple le procédé d'Ostwald dans lequel l'ammoniac (également dans le $ \ mathrm {-III} $ (état d'oxydation) est brûlé dans une atmosphère d'oxygène conduisant finalement à l'acide nitrique.

Ainsi, nous avons en fait à la fois un oxydant et un réducteur dans le sel: le premier est l'anion nitrate et le second est le cation ammonium. Dans des conditions normales, ceux-ci ne réagiront pas (d'où la raison pour laquelle le nitrate d'ammonium est stable à la conservation, peut être acheté auprès de fournisseurs de produits chimiques et la fiche signalétique n'inclut pas explosif comme signe d'avertissement). Cependant, ils sont capables de réagir et ils ont des voies de réaction thermodynamiquement favorables comme le décrit joliment la réponse de Matthew.

Fait intéressant, le nitrite d'ammonium ( $ \ ce {NH4NO2} $ ) est beaucoup plus labile et très difficile à préparer car les deux ions ont tendance à réagir pour former de l'azote gazeux et de l'eau même en solution à température ambiante.

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

Quant à la question de savoir si le désastre de Beyrouth était une déflagration ou une détonation: le terme applicable dépend uniquement de la vitesse de décomposition et de la vitesse résultante du front. Si la décomposition se produit à des vitesses supersoniques, cela conduit à une onde de choc caractéristique d'une détonation. Si la décomposition est subsonique, vous observez une déflagration.

edit: mon évaluation initiale était erronée

Il se décompose ENDOTHERMIQUE, donc il ne se propage pas automatiquement, et n'est pas un faible explosif: NH4NO3 - > 2H2O + N2O

Cependant un le passage d'une onde de choc peut induire cette décomposition en une grande quantité de nitrate d'ammonium à la fois, ce qui est une détonation. L'onde de choc de départ peut provenir d'un autre explosif ou d'un incendie de carburant qui a été intensifié par les propriétés oxydantes du nitrate d'ammonium. Je ne sais pas exactement comment cela se produit, mais ce n'est pas la première fois que cela se produit

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