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(shí)，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?dú)夂陀卸镜亩趸葰怏w。

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(shí)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(jìn)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(shí)，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(qiáng)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(yùn)輸、貯存和使用進(jìn)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(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硝酸銨也可以作為一種強(qiáng)效炸藥，結(jié)果就使得硝酸銨成為二戰(zhàn)時(shí)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(jìn)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(yùn)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(yùn)藏的強(qiáng)勁力量也為工業(yè)及軍事發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。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(shí)對人體無毒害，對環(huán)境無污染，成本低，工藝先進(jìn)。

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(yùn)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(diǎn)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(gè)重要角色之外，其作為固體火箭推進(jìn)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(jìn)劑是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(diǎn)成為現(xiàn)代大多數(shù)固體推進(jìn)劑的主要氧化劑，但高氯酸銨燃燒時(shí)所產(chǎn)生的含氯化合物使火箭具有很強(qiáng)的特征信號而易被監(jiān)測，同時(shí)還會導(dǎo)致環(huán)境問題。比如，高氯酸銨基推進(jìn)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(jì)，當(dāng)航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)，每個(gè)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(jìn)劑的另一個(gè)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(jìn)航天工程矢量圖

高氯酸銨是一種強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)劑氧化劑的理想物質(zhì)。

硝酸銨氧化劑具有來源廣、廉價(jià)、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(diǎn)，因此硝酸銨氧化劑在低特征信號和鈍感推進(jìn)劑的應(yīng)用中倍受關(guān)注。但硝酸銨作為固體推進(jìn)劑的氧化劑也存在諸多不足，比如能量低、燃速慢、吸濕性強(qiáng)、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(jìn)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(jìn)行了改性以克服其不足。比如，在推進(jìn)劑體系中引入含能黏合劑及合能增塑劑，彌補(bǔ)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(jìn)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(shí)還可提高硝酸銨基推進(jìn)劑的比沖和燃速。

當(dāng)前，中國固體火箭推進(jìn)劑技術(shù)仍有很大的進(jìn)步空間。但隨著中國經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jìn)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(shí)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(xiǎn)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）