硝酸銨：是天使還是魔鬼

張壽春

自20世紀(jì)初硝酸銨大規(guī)模生產(chǎn)后，已引發(fā)了多起重大的、災(zāi)難性安全事故，如1921年德國奧堡工廠大爆炸、1947年美國得克薩斯州港口大爆炸、2001年法國圖盧茲化工廠大爆炸……

硝酸銨，一種曾在農(nóng)業(yè)上廣泛使用的明星肥料，卻為何又成為了慘烈爆炸案的元兇呢？

身份多變的化學(xué)物質(zhì)

硝酸銨的化學(xué)式為NH₄NO₃，因含氮量高（僅次于液氨和尿素），常被用來制造化肥。它是一種無色無臭的晶體，極易溶于水，易吸濕結(jié)塊。純硝酸銨在常溫下是穩(wěn)定的，但遇熱會分解，且溫度越高，反應(yīng)越迅速。當(dāng)溫度達(dá)400℃時，硝酸銨的分解反應(yīng)極為猛烈，會發(fā)生爆炸，從而產(chǎn)生氮氣和有毒的二氧化氮等氣體。

氮循環(huán)示意圖

17世紀(jì)中葉，德國科學(xué)家首次制得硝酸銨。當(dāng)然，此時他們還不知道硝酸銨可用作化學(xué)肥料使農(nóng)作物增產(chǎn)。19世紀(jì)末期，歐洲人用硫酸銨與智利硝石進行復(fù)分解反應(yīng)生產(chǎn)硝酸銨。到了20世紀(jì)，隨著合成氨工業(yè)的興起，硝酸銨生產(chǎn)獲得了豐富的原料，其應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)以后，由于制造成本較低，硝酸銨已被廣泛地用作氮肥。

同時，硝酸銨中合有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮兩種氮源，易被農(nóng)作物吸收，且在土壤中沒有殘留，使農(nóng)作物枝繁葉茂，產(chǎn)量大幅提升，因此被廣大農(nóng)民朋友當(dāng)做“施肥明星”而廣為使用。

如果硝酸銨只是本分地?fù)?dān)當(dāng)“施肥明星”的角色，那不啻于是一件造福于全人類的幸事。但硝酸銨易溶于水和吸濕性強的性質(zhì)，特別是還有助燃和爆炸的“壞脾氣”，使得許多國家不得不對硝酸銨的生產(chǎn)、運輸、貯存和使用進行嚴(yán)格限制和管理，有些國家甚至禁止將硝酸銨直接作為肥料使用。同時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硝酸銨也可以作為一種強效炸藥，結(jié)果就使得硝酸銨成為二戰(zhàn)時期炸藥制備的必備材料。甚至直到2l世紀(jì)的今天，硝酸銨也常被作為采礦、采石和土木建筑中使用的爆炸混合物中的主要成分。

改頭換面的硝酸銨

氮素是農(nóng)作物的重要養(yǎng)料，以硝酸銨為主要原料的氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。但為了減少爆炸等情況的發(fā)生，將硝酸銨進行改性處理，大力發(fā)展以硝酸銨為氮源的安全、高效復(fù)合肥料是農(nóng)業(yè)化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一條行之有效的途徑，如硝酸銨磷、硝酸銨磷鉀、硝酸銨鈣等均為肥效良好的硝基復(fù)合肥代表。

以硝酸銨鈣為例，這是一種新型高端氮肥，其吸濕性低于普通硝酸銨，在儲存和運輸中不易發(fā)生火災(zāi)，比硝酸銨更安全。硝酸銨鈣的含氮量低于硝酸銨，但增加了農(nóng)作物生長所需的鈣元素，綜合肥效較硝酸銨更高，其作為硝酸銨的替代產(chǎn)品有著廣闊的發(fā)展前景。

貝魯特爆炸現(xiàn)場的景象，左側(cè)可見港口的谷倉塔殘骸，右側(cè)則可見因爆炸造成的大坑洞（圖片來源/維基百科）

化肥有助于提升作物產(chǎn)量

硝酸銨作為化肥提高了糧食產(chǎn)量，改善了人類生存。當(dāng)我們辯證地看待硝酸銨的多面性，還會發(fā)現(xiàn)，雖然它在多次爆炸事故中的確扮演了不光彩的角色，但它作為炸藥以其蘊藏的強勁力量也為工業(yè)及軍事發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻。從普通的巖石爆破到水下爆破，從民用炸藥到軍用武器待用炸藥，都有硝酸銨炸藥奮不顧身的身影。

由于硝酸銨極易溶于水，嚴(yán)重的吸濕性和結(jié)塊性是其作為炸藥最主要的缺陷，因此科學(xué)家致力于硝酸銨炸藥的技術(shù)研究，開發(fā)出了改性硝銨炸藥、膨化硝銨炸藥和粉狀乳化硝銨炸藥，有效地提升了硝酸銨炸藥的爆炸性能和使用范圍。比如，為了降低硝酸銨的吸濕性，可以在硝酸銨中添加十八烷胺鹽、十二烷胺基磺酸鈉等表面活性劑;為了降低其結(jié)塊性，可以加入木粉、棉籽餅粉、麻桿粉、樹皮粉等。又如，將硝酸銨的水溶液與礦物油及其他可燃劑組成油相溶液，經(jīng)乳化形成一種油包水的乳化體系，然后經(jīng)成粉工藝制成粉狀乳化硝銨炸藥。這種粉狀乳化炸藥具有良好的抗水性能和儲存穩(wěn)定性，有較高的爆轟感度、優(yōu)良的爆炸性能和抗水能力，同時對人體無毒害，對環(huán)境無污染，成本低，工藝先進。

此外，還可以將硝酸銨固體制成液體硝酸銨直接作為炸藥使用，這樣，生產(chǎn)過程中取消了結(jié)晶、包裝、轉(zhuǎn)運等工序，生產(chǎn)環(huán)節(jié)大幅度減少，爆炸性大大降低，安全性得到極大提高，其工藝既符合國家政策要求，又符合行業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)的需求。以上優(yōu)點使得液體硝酸銨直接應(yīng)用于工業(yè)炸藥生產(chǎn)的工藝也成為今后炸藥行業(yè)發(fā)展的主流之一。

作為氧化劑為航天助力

硝酸銨除了扮演化學(xué)肥料和工業(yè)炸藥這兩個重要角色之外，其作為固體火箭推進劑的氧化劑，在全球范圍內(nèi)也受到了廣泛關(guān)注。

固體推進劑是固體火箭發(fā)動機的動力源用材料，是經(jīng)過特殊加工、自身含有氧化劑和燃燒劑，能夠在沒有環(huán)境氧的參與下自持燃燒并產(chǎn)生大量熾熱氣體的合能材料，在導(dǎo)彈和航天技術(shù)發(fā)展中起著重要作用。

高氯酸銨（NH₄ClO₄）因性能高和燃速快等優(yōu)點成為現(xiàn)代大多數(shù)固體推進劑的主要氧化劑，但高氯酸銨燃燒時所產(chǎn)生的含氯化合物使火箭具有很強的特征信號而易被監(jiān)測，同時還會導(dǎo)致環(huán)境問題。比如，高氯酸銨基推進劑燃燒的主要產(chǎn)物之一是氯化氫（HCl），它和空氣中的水蒸氣混合形成鹽酸，產(chǎn)生煙霧并具有劇毒性。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)航天飛機發(fā)射時，每個固體火箭助推器會產(chǎn)生100多噸氯化氫。此外，高氯酸銨基推進劑的另一個威脅就是它燃燒釋放的含氯化合物會破壞平流層臭氧層。

火箭推進航天工程矢量圖

高氯酸銨是一種強大的氧化劑

三相轉(zhuǎn)化示意圖

為了使航天技術(shù)更好地服務(wù)于人類而又盡可能地減少對環(huán)境的污染和破壞，要求研制“潔凈”推進劑的呼聲不斷高漲。具有環(huán)境友好和低特征信號的無氯推進劑受到了人們越來越多的關(guān)注，而符合這些要求的硝酸銨成為了替代高氯酸銨作為固體推進劑氧化劑的理想物質(zhì)。

硝酸銨氧化劑具有來源廣、廉價、燃燒火焰溫度低、分子內(nèi)不合氯或其他鹵素，燃燒后不產(chǎn)生氯化氫、對溫度和沖擊不敏感，在寬溫度范圍內(nèi)有較好的力學(xué)性能的優(yōu)點，因此硝酸銨氧化劑在低特征信號和鈍感推進劑的應(yīng)用中倍受關(guān)注。但硝酸銨作為固體推進劑的氧化劑也存在諸多不足，比如能量低、燃速慢、吸濕性強、室溫下相轉(zhuǎn)變易引起體積變化等，這也使得它在固體推進劑中的應(yīng)用受到較大的限制。

含氯化合物會破壞平流層臭氧層

經(jīng)過不懈努力，科學(xué)家通過引入添加劑對硝酸銨進行了改性以克服其不足。比如，在推進劑體系中引入含能黏合劑及合能增塑劑，彌補了硝酸銨能量低的不足;加入燃速催化劑，如氧化鐵（Fe₂O₃）、氧化鉻（Cr₂O₃）、二氧化錳（MnO₂）、重鉻酸鉀（K₂Cr₂O₇）等，提高了硝酸銨基推進劑的燃速;加入表面活性劑或聚苯乙烯等聚合物從而改善硝酸銨的吸濕性;加入相穩(wěn)定劑，如硝酸鉀（KNO₃）、氧化銅（CuO）、氧化高鎳（Ni₂O₃）、氧化鋅（ZnO）等，解決了硝酸銨的相轉(zhuǎn)變問題。此外，在硝酸銨中添加一定比例的高氯酸銨，也可使硝酸銨達(dá)到相穩(wěn)定，同時還可提高硝酸銨基推進劑的比沖和燃速。

當(dāng)前，中國固體火箭推進劑技術(shù)仍有很大的進步空間。但隨著中國經(jīng)濟實力的增長和科研投入的增多，我們相信，高性能新型固體火箭推進劑的研制將助力中國航天事業(yè)更加輝煌。

硝酸銨造福于人類生活質(zhì)量的提高和航天事業(yè)發(fā)展，是天使;但它又不時向我們發(fā)難，留下慘痛的記憶，是魔鬼。因此人類才要更科學(xué)、更理性地了解和駕馭自然界中的危險性物質(zhì)，讓它們更和諧地與我們相處。

（責(zé)任編輯/岳萌 美術(shù)編輯/周游）