硝酸铵化学方程式（高中化学课外知识点补充）

黎巴嫩爆炸事故发生后，小编们第一时间对事故“元凶”进行了报道分析。

文章发出后，后台收到不少读者留言，希望对硝酸铵进行更细致的安全知识介绍，以加强防范。

今天，特别邀请化工行业资深安全专家雷平妹老师给大家带来更为专业、更深刻的解读。

黎巴嫩大爆炸、2015年天津港爆炸、2019年3月21日的响水大爆炸的背后，都有着硝基类物质的身影。本文将从的化学性质、爆炸机理、热稳定性发现等方面，揭开硝酸铵的面纱。

1、硝酸铵（Ammonium Nitrate ）的化学结构

20 °C 时硝酸铵的分子量是 80.052 g/mol，密度是 1.725 g/cm3

2、硝酸铵的分类

按照ADR2019或JT617-2018，硝酸铵按照其浓度可以分类成1类爆炸品、5.1类氧化剂或9类其他危险货物。在做硝酸铵的分类测试时，按照UN测试分类方法，进行科学分类，如下表解释了不同浓度硝酸铵分类的结果，浓度的高低依次决定了是1类、5.1类还是9类危险货物。

3、硝酸铵的热稳定性影响因素

硝酸铵是工业上广泛使用的肥料之一，也是氮肥最集中的形式。但是，硝酸铵经常与过去连续发生的火灾、爆炸等危险相关联。硝酸铵在环境温度和压力下不是易燃或可燃材料，但它是一种强氧化剂，在一定条件下会发生爆炸；硝酸铵的热稳定性与爆炸有关，影响其热稳定性的主要有添加剂、受限空间、加热速率、温度、发热历史、样品大小、反应热力学、反应动力学以及水作为一种化学物质的作用；热稳定性研究发现，硝酸铵在约200°C的温度下稳定。硫酸钠是一种很好的硝酸铵分解抑制剂，因为它的存在可以减轻硝酸还原分解，而氯化钾是一种促进剂，因为它能增强逃逸反应（失控反应）。硝酸铵即使混合了抑制剂，也必须与促进剂分开储存。

表一、硝酸铵不同添加剂的矩阵表（Inhibitor-抑制剂；Promoter-促进剂）

水在物理和化学上干扰可能导致相关火灾场景；选择水处理相关火灾时，应谨慎行事。有证据表明，水量不足可能加剧火灾后果，因为少量水被高温汽化，反而加剧燃烧，所以一定要事先计算消防用水量，确保足够的水量来灭火此外，避免硝酸铵储存在热的或密闭空间中，并限制硝酸铵堆垛的大小，防止蓄热和积热引发自燃爆炸。

4、国内外硝酸铵爆炸事故统计

5、 硝酸铵的燃烧爆炸机理

学术界对硝酸铵的燃烧爆炸机理有不同的观点，普遍接受的第一种反应机理如下：

A 170°C时，融化的硝酸铵开始发生吸热可逆反应：

（2）NH4NO3 ⇌ HNO3 ＋ NH3 ∆H=176 kJ·mol-1

B 在170°C和280°C之间，发生如下的不可逆放热反应

(3) NH4NO3 → N2O ＋ 2H2O ∆H= -59 kJ·mol-1

(4) NH4NO3 → 1/2N2 ＋ NO + 2H2O ∆H= -257 kJ·mol-1

(5) NH4NO3 → 3/4N2 ＋ 1/2NO2 + 2H2O ∆H= -944 kJ·mol-1

C硝酸铵物料突然被加热，如在400°C，发生剧烈的爆炸分解反应：

(6)2NH4NO3 →2N2 ＋ O2 ＋ 4H2O ∆H= -1057 kJ·mol-1

(7)8NH4NO3 →5N2 ＋ 4NO + 2NO2 ＋ 16H2O ∆H= -600 kJ·mol-1

第二种公认的反应机理如下，普遍公认的分解机理是离解，HNO3导致NH3的后续氧化反应；方程式（8）为硝酸的离解反应，生成NO2+，反应方程式（9）中列出了NH3的氧化物，并生成N2O和水

( 8) 2HNO3 ⇌ NO2+ + NO3– + H2O

( 9) NH3 + NO2+ = products (N2O, H2O)

(10 ) 2HNO3 ⇌ 2NO2 + H2O + ½O2

为了更详细地解释反应方程式（8）和式（9），在存在水的情况下用“酸”表示NH4+、H3O+或HNO3，以下分解机理方程式（11）~方程式（13）做了说明，其中考虑反应方程式（12）由于反应速度慢，认为是控制步骤；

(11 ) HNO3 + acid ⇌ H2ONO2+ → NO2+ + H2O

(12 ) NO2+ + NH3 → [NH3NO2+] *

(13 ) [NH3NO2+] → NO2 + H3O+ → NO2 + H2O

反应方程式（12）也可以用基本反应来描述，在342-387°C的温度范围内，其中NO2+随后氧化成NH3，如反应方程式（14）~式（19）所列。反应方程式（20）是整体根据这个理论得出的化学计量方程式

(14 ) NH3 + NO2 → NH2 + HNO2

(15 ) NH2 + NO2 → NH + HNO2

(16 ) NH + NO2 → HNO + NO

(17 ) NH2 + NO → N2 + H2O

(18 ) 2HNO → N2O + H2O

(19 ) 2HNO2 → NO2 + H2O + NO

(20 ) 4NH3 + 5NO2 → N2O + 2N2 + 6H2O + 3NO

第三种假定方法，与前面提到的机制稍有不同，另一种方法，假设生成硝铵中间体，硝酸铵的分解，如反应方程式（21）~（25）所列

( 21) NH4+ + NO3– = NH3 + HONO2

(22 ) HONO2 → HO + NO2

(23 ) HO + NH3 → HOH + NH2

(24 ) NH2 + NO2 → NH2NO2

(25 ) NH2NO2 → N2O + H2O

6、硝酸铵的热稳定实验发现

图41自加热速率与温度的关系，温度在200°C左右加热速率平缓增加，超过200°C直线上升。

图41自加热速率与压力的关系，温度在200°C左右加热速率平缓增加，超过200°C压力速率直线上升。实验结果表明当加热速率较快时，自加热速率和压力上升速度加快，反应更加剧烈。

图46不同加热速率下的硝酸铵分解（温度和时间的关系）

图47不同加热速率下的硝酸铵分解（压力和时间的关系）

图上，预加热的硝酸铵需要分解时间更短，达成同等温度需要时间更短；原因是当硝酸铵突然被加热时，加热过程被看作是连续的，并且绝热条件下等待和搜索的时间大大缩短，增加了自我加速硝酸铵的反应，分解发生得更快，因此如果突然升温，更容易发生分解。

7、氮氧化物的特点

氮氧化物指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。常见的氮氧化物有一氧化氮（NO，无色）、二氧化氮（NO2，红棕色）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮（N2O5）等，其中除五氧化二氮常态下呈固体外，其他氮氧化物常态下都呈气态。作为空气污染物的氮氧化物（NOx）常指NO和NO2。除二氧化氮以外，其他氮氧化物均极不稳定，遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又变为二氧化氮。因此，职业环境中接触的是几种气体混合物常称为硝烟（气），主要为一氧化氮和二氧化氮，并以二氧化氮为主。氮氧化物都具有不同程度的毒性。

另外还有一氧化氮二聚体（N₂O₂）、叠氮化亚硝酰（N₄O）、三氧化氮（NO₃），但主要是NO和NO2，它们是常见的大气污染物。另外三硝基胺（N(NO2)3）也是仅由氮、氧元素组成的化合物，但不是严格意义上的氧化物。

五氧化二氮

除五氧化二氮为固体外, 其余均为气体。分子式NOx。其中四氧化二氮是二氧化氮二聚体,常与二氧化氮混合存在构成一种平衡态混合物。一氧化氮和二氧化氮的混合物,又称硝气(硝烟)。相对密度:一氧化氮接近空气,一氧化二氮、二氧化氮比空气略重。熔点: 五氧化二氮为30℃，其余均为零下。均微溶于水, 水溶液呈不同程度酸性。氮氧化物系非可燃性物质,但均能助燃，如一氧化二氮(N2O)、二氧化氮和五氧化二氮遇高温或可燃性物质能引起爆炸。

一氧化氮为氮氧化合物，化学式NO， 相对分子质量30.01，氮的化合价为+2。是一种无色无味气体难溶于水的有毒气体。由于一氧化氮带有自由基，这使它的化学性质非常活泼。当它与氧气反应后，可形成具有腐蚀性的气体——二氧化氮（NO2），二氧化氮可与水反应生成硝酸。方程式为：3NO2+H2O==2HNO3+NO。危险特性：具有强氧化性。与易燃物、有机物接触易着火燃烧。遇到氢气爆炸性化合。接触空气会散发出棕色有酸性氧化性的棕黄色雾。

一氧化二氮（nitrous oxide），化学式N2O。又称笑气，无色有甜味气体，是一种氧化剂，在一定条件下能支持燃烧（同氧气，因为笑气在高温下能分解成氮气和氧气），但在室温下稳定，有轻微麻醉作用，并能致人发笑。其麻醉作用于1799年由英国化学家汉弗莱·戴维发现。有关理论认为N2O与CO2分子具有相似的结构（包括电子式），则其空间构型是直线型，N2O为极性分子。现在主要用于表演，也可以用来做赛车加速器中的助燃剂。

二氧化氮是指高温下棕红色有毒气体。在常温下(0~21.5℃)二氧化氮与四氧化二氮混合而共存。有毒、有刺激性。溶于浓硝酸中而生成发烟硝酸。能叠合成四氧化二氮。与水作用生成硝酸和一氧化氮。与碱作用生成硝酸盐。能与许多有机化合物起激烈反应。二氧化氮在臭氧的形成过程中起着重要作用。人为产生的二氧化氮主要来自高温燃烧过程的释放，比如机动车尾气、锅炉废气的排放等。二氧化氮还是酸雨的成因之一，所带来的环境效应多种多样，包括：对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化的影响，大气能见度的降低，地表水的酸化、富营养化（由于水中富含氮、磷等营养物藻类大量繁殖而导致缺氧）以及增加水体中有害于鱼类和其它水生生物的毒素含量。

8、硝酸铵的存储要求

1）储存建筑物高度不得超过一层，并必须有足够的通风，在发生火灾时应能够自动通风或能够充分通风

2）仓库在发生火灾时能自动通风或足够通风，

3）由于腐蚀性和硝酸铵的反应特性，避免污染，建筑物和构筑物应干燥，屋顶、墙壁和地板不渗水

4）建筑材料、容器满足分隔距离要求

5）针对氧化剂，如果可以设计成避光和避热的半地下层储藏间最好

6）考虑到水对硝酸铵的影响，日常储存区域灭火介质配备为黄沙

9、结论

农业用的化肥硝酸铵本身不是炸药，是5.1类强氧化剂或9类危险货物，爆炸主要原因是硝基NO3本身就是很不稳定的，在高温碰撞下很容易受热分裂，产生不稳定的氮氧化物，最后氮氧化物分裂产生稳定态的氮气和氧气，而氧气本身就是帮助燃烧，在大量释放氧气的情况下，加速燃烧。所以我们经历的各类硝基物爆炸，都是跟不稳定的硝基有关，面对此类化学物质的储存管控，做到如下的措施：

1）通风、防潮、防热

2）控制堆垛数量，严格执行禁忌混配原则

3）避免各类点火源（切割打磨等明火、静电火花、动火作业、防爆工具和防爆电器）

4）控制无关人员进出

5）控制储存总量，确保先进先出，确保最长存储周期小于理论计算的安全周

6）严格按照操作规程上下货物，严禁野蛮堆垛和装卸

7）做好破损包件的收集管理、严禁仓库内取样作业

8）按照甲类仓库设计规范配备必要的消防设施，并测试检查消防设施随时在可用状态

9）培训员工日常的操作能力和应急处置能力，定期开展应急演练

10)坚持日常巡检制度，确保有问题立即整改，不留隐患