Nitrato d’ammonio: analisi chimica dell’esplosione a Beirut

Responsabile del disastro accaduto a Beirut, il nitrato d’ammonio NH₄NO₃ è un composto chimico piuttosto comune, di facile reperibilità ed economico. Paragonata, esagerando, ad una nucleare, scopriamo un po’ di chimica ed un po’ di fisica dietro questa esplosione.

Nitrato d’ammonio

Chi è il nitrato d’ammonio? Di formula chimica NH₄NO₃, il nitrato d’ammonio è il sale dell’ammoniaca con acido nitrico. Su scala industriale è prodotto proprio a partire da una reazione di neutralizzazione tra ammoniaca (in forma anidra) e acido nitrico.

NH₃ + HNO₃ ⇄ NH₄NO₃

La reazione è fortemente esotermica e ha carattere esplosivo.

Generalmente i fertilizzanti apportano composti N, P e K al terreno. Il nitrato d’ammonio è uno dei composti azotati (N) più utilizzati nell’agricoltura. Questo perché, grazie alla sua composizione chimica, mette a disposizione azoto a rilascio immediato (dal gruppo nitrato) e azoto a rilascio lento (dal gruppo ammoniacale).

Un’altra applicazione è legata alla produzione di ghiaccio istantaneo. La reazione che mette a contatto NH₄NO₃ con H₂O è fortemente endotermica.

NH₄NO_3(s) + H₂O_(l) → NH₄⁺ + NO₃⁻ + H₂O_(l)

Chimica e fisica di una esplosione

A temperature non superiori ai 250°C, la reazione cui si assiste è la decomposizione termica a ossido nitroso ed acqua.

NH₄NO₃ → N₂O + 2 H₂O

Per temperature che superano invece i 250°C, la reazione cui possiamo assistere è la seguente.

2 NH₄NO₃ → O₂  + 2 N₂ +  4 H₂O

Una ulteriore possibile reazione di degradazione termica del nitrato d’ammonio può essere la seguente.

4 NH₄NO3 → 2 NH₃ + 3 NO₂ + NO + N₂ + 5 H₂O

Tutte le reazioni producono composti in fase gassosa e anche l’acqua, presente tra i prodotti di reazione, sarà in forma di vapore surriscaldato, considerate le temperature di innesco delle suddette reazioni (>100°C).

È intuitivo pensare che, probabilmente, tutte e tre le reazioni possano aver avuto luogo insieme ad altre reazioni dovute a sostanze potenzialmente esplosive presenti in loco.

La temperatura cui avviene la detonazione del NH₄NO₃ è di 1120°C [fonte]. Supponendo valida l’ipotesi di poter applicare l’equazione dei gas ideali e utilizzando le moli totali dei gas prodotti, si ottiene una forza per unità di superficie pari a 11000 atm circa.

L’esplosione ha liberato una energia di circa 5 terajoules, pari a 1,2 kilotoni (kT). La bomba atomica sganciata su Hiroshima, per paragone, ha liberato una energia compresa tra 13 e 18 kT. L’esplosione nel porto di Beirut, quindi, ha avuto una potenza pari a circa l’8% di quella di Little Boy.