Ammoniumnitrat

Sicherheitshinweise

GHS-Gefahrstoffkennzeichnung

Achtung

H- und P-Sätze

H: Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel.

P: Von Hitze / Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen.

EU-Gefahrstoffkennzeichnung

Brand-
fördernd

(O)

R- und S-Sätze

Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen.
Explosionsgefahr bei Mischung mit brennbaren Stoffen.

Vor Hitze schützen.
Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen.
Explosions- und Brandgase nicht einatmen.

Ammoniumnitrat ist das Salz, das sich aus Ammoniak und Salpetersäure bildet. Es wird insbesondere zur Herstellung von Düngemitteln und Sprengstoffen verwendet.

Herstellung

Ammoniumnitrat (NH₄NO₃) entsteht durch Neutralisation von Ammoniak mit Salpetersäure.

$\mathrm{\ NH_3+HNO_3 \to NH_4NO_3}$

Die Reaktion verläuft mit einer Reaktionswärme von -146 kJ/mol stark exotherm.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Ammoniumnitrat bildet farblose hygroskopische Kristalle, die bei 169,6 °C schmelzen. Der Feststoff kann in fünf verschiedenen polymorphen Kristallformen vorliegen, deren Umwandlungstemperaturen bei −16,9 °C, 32,3 °C, 84,2 °C und 125,2 °C liegen. Für die Neigung von Ammoniumnitrat-Kristallen zum Zusammenbacken sind dabei namentlich die ersten beiden Phasenumwandlungen in Nähe zur Raumtemperatur verantwortlich. Die polymorphen Formen treten in verschiedenen Kristallgittern auf:

Kristallgitter der Modifikationen

Polymorph I

169,6 °C - 125,2 °C

kubisch

Polymorph II

125,2 °C - 84,2 °C

tetragonal

Polymorph III

84,2 °C - 32,2 °C

orthorhombisch

Polymorph IV

32,2 °C - -16,9 °C

orthorhombisch

Polymorph V

< -16,9 °C

tetragonal

Der Phasenübergang zwischen den Polymorphen IV und III bei 32,2 °C ist bei der Handhabung aber auch Lagerung der Substanz relevant. In Formulierungen für Düngemittel oder Sprengstoffen kann dieses Verhalten zu unerwünschten Änderungen der Morphologie und damit der Eigenschaften führen. Durch Dotierung mit verschiedenen Salzen kann dieser Phasenübergang unterdrückt werden, um sogenanntes phasenstabilisiertes Ammoniumnitrat zu erhalten. Geeignete Salze können verschiedene Kaliumsalze, wie Kaliumfluorid, Kaliumchlorid, Kaliumnitrat, Kaliumcarbonat, Kaliumsulfat, Kaliumrhodanid und Kaliumdichromat sein, die allerdings mit einem Anteil von 1 bis 2 Ma% zugesetzt werden müssen.> Der Effekt kann auch mit einer wesentlich geringeren Menge von 0,1 Ma% Kaliumhexacyanidoferrat(II) K₄[Fe(CN)₆] · 3H₂O erreicht werden.

Mit der hygroskopischen Eigenschaft des Ammoniumnitrats ist eine starke Schmelzpunkterniedrigung verbunden: Schon eine Wasseraufnahme von nur 1 Masseprozent (Ma%) senkt den Schmelzpunkt des Salzes auf etwa 156 °C. Umgekehrt zeigt das Phasendiagramm bei einem Ammoniumnitratgehalt von 42 Ma% ein Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von -16,9 °C. — das in Wasser sehr leicht lösliche Ammoniumnitrat bewirkt also bis zu einem Gehalt von 42 Ma% eine Schmelzpunkterniedrigung des Wassers, worauf seine Anwendung u.a. in Kältemischungen beruht. Bei höheren Massenanteilen liegt das Ammoniumnitrat in zwei Phasen vor, zum einen der wässrigen Lösung, zum anderen dem Salz selbst als festem Bodensatz (bei 20 °C ab ca. 65 Ma%, bei 100 °C ab ca. 91,5 Ma%):

Ammonium nitrate water phase diagram.png

Bei hohem Druck sinkt die Wasserlöslichkeit drastisch: Bei Normaldruck und 25 °C enthält das Gemisch noch 67,6 Ma% Ammoniumnitrat, bis zu einem Druck von 12 kbar dagegen sinkt dieser Anteil auf nur noch 25,4 Ma%. Bei einem Druck von 12,1 kbar und einem Gehalt von 25,3 Ma% schneiden sich die Phasengrenzlinien zwischen der einphasigen Lösung und dem zweiphasigen Gemisch aus Lösung und Eis bzw. aus Lösung und Ammoniumnitrat als Polymorph IV. Oberhalb dieses Druckes liegt ein zweiphasiges Gemisch aus Eis und festem Ammoniumnitrat vor und es kann keine Lösung mehr existieren.

Strukturformel

Allgemeines
Name	Ammoniumnitrat
Andere Namen	Ammonsalpeter Ammoniaksalpeter brennbarer Salpeter salpetersaures Ammonium Ammonnitrat Ammonium nitricum
Summenformel	H₄N₂O₃
CAS-Nummer	6484-52-2
PubChem	22985
Kurzbeschreibung	farbloser Feststoff
Eigenschaften
Molare Masse	80,04 g/mol
Aggregatzustand	fest
Dichte	1,73 g/cm³ (20 °C
Schmelzpunkt	169,6 °C
Siedepunkt	210 °C (15 hPa), bei Normaldruck Zersetzung ab 170 °C
Löslichkeit	sehr gut in Wasser: 208,9g/100g bei 25 °C gut löslich in Methanol wenig löslich in Ethanol und Aceton Unlöslich in Diethylether

Ammonium nitrate water pressure phase diagram.png

Die Dichte von reinem Ammoniumnitrat beträgt 1,725 g/cm³. In wäßriger Lösung steigt die Dichte mit steigender Konzentration bzw. sinkt mit steigender Temperatur.

Dichte von wässrigen Ammoniumnitratlösungen bei verschiedenen Temperaturen
Gehalt (Ma%)	20	30	40	50	60	70	80	90	94
20 °C	1,0830	1,1275	1,1750	1,2250	1,2785
40 °C	1,0725	1,1160	1,1630	1,2130	1,2660	1,3220
60 °C	1,0620	1,1045	1,1510	1,2005	1,2525	1,3090	1,3685
80 °C	1,0550	1,0935	1,1390	1,1875	1,2395	1,2960	1,3550
100 °C	1,0410	1,0820	1,1270	1,1745	1,2265	1,2825	1,3420	1,4075
120 °C							1,3285	1,3930	1,4210
140 °C								1,3785	1,4065
160 °C									1,3940

In Methanol ergeben sich bei 30 °C eine 20-%ige bzw. bei 60 °C eine 40-%ige Lösung. Die Löslichkeit in Ethanol ist wesentlich geringer. Hier kann bei 20 °C nur eine 4-%ige Lösung erhalten werden.

Chemische Eigenschaften

Beim Erhitzen (T> 170 °C) zerfällt Ammoniumnitrat gemäß der Gleichung

$\mathrm{ NH_4NO_3 \longrightarrow 2 \ H_2O + N_2O}$

in Wasser und Lachgas. Durch starke Initialzündung zerfällt es folgendermaßen:

$\mathrm{2 \ NH_4NO_3 \longrightarrow 4 \ H_2O + 2 \ N_2 + O_2}$

Das Stickstoffatom des Nitrat-Ions NO₃⁻ (Oxidationsstufe +V) oxidiert dabei das Stickstoffatom des Ammonium-Ions NH₄⁺ (Oxidationsstufe -III), so dass sich am Ende, im N₂-Molekül, beide Stickstoffatomeauf gleicher Oxidationsstufe (hier 0) befinden. Reaktionen dieser Art, bei denen Atome andere Atome desselben Elements oxidieren und dabei selbst reduziert werden, so dass sich am Ende alle auf gleicher Oxidationsstufe befinden, heißen Komproportionierungen.

Der explosionsartige Übergang vom Feststoff (NH₄NO₃) zu ausnahmslos gasförmigen Produkten (H₂O, N₂ und O₂) dieser Reaktion erklärt die hohe Sprengkraft des Ammoniumnitrats: Mit etwa 980 l/kg besitzt es eines der höchsten spezifischen Schwadenvolumen, und kalkuliert man auch noch seine Dichte mit ein, ergibt sich ein sogar noch höheres Verhältnis (Schwadenvolumen/Sprengstoffvolumen). Weitere wichtige Explosionskennzahlen sind:

Explosionswärme: 2625 kJ/kg.
Detonationsgeschwindigkeit: 2500 m/s bei einer Dichte von 1,4 g/cm³
Bleiblockausbauchung: 180 cm³/10 g.
Schlagempfindlichkeit: 49 N·m
Reibempfindlichkeit: Bis 353 N Stiftbelastung keine Reaktion
Stahlhülsentest: Grenzdurchmesser 1,0 cm.

Durch Reaktion mit konzentrierter Schwefelsäure und anschließender Destillation lässt sich die Salpetersäure zurückgewinnen, welche die Ausgangssubstanz zur Herstellung vieler Explosivstoffe ist:

$\mathrm{\ NH_4NO_3 +\ H_2SO_4 \to (NH_4)HSO_4 +\ HNO_3 }$

Verwendung

Ammoniumnitrat ist der Hauptbestandteil vieler Düngemittel (Ammoniumnitrat-Harnstoff-Läsung, Mehrnährstoffdünger ("Blaukorn"), Kalkammonsalpeter, Nitramoncal), gewerblicher Sprengstoffe wie beispielsweise der Sprengmittel ANC und Donarit, aber auch vieler illegal hergestellter Sprengstoffe wie ANNM.

Obwohl es als brandfördernd gilt und beim Erhitzen explodieren kann, gehört Ammoniumnitrat nicht zu den eigentlich explosionsgefährlichen Stoffen im Sinne des Sprengstoffgesetzes. Gleichwohl wird der Umgang mit ihm in der Bundesrepublik Deutschland durch das Sprengstoffgesetz geregelt, und so darf Ammoniumnitrat wegen seiner latenten Gefährlichkeit in Düngemitteln inzwischen nur noch gemischt mit harmlosen Stoffen wie Kalk verwendet werden (KAS27).

Katastrophen

Die Explosion großer Mengen Ammoniumnitrat ist die Ursache zahlreicher Explosionskatastrophen:

Eine der verheerendsten dieser Katastrophen war die Explosion des Oppauer Ammoniakwerkes bei der BASF in Ludwigshafen am Rhein am 21. September 1921. Festgewordene Dünger-Mischungen aus Ammoniumnitrat und Ammoniumsulfat wurden dort üblicherweise vor ihrem Versand mittels Dynamit aufgelockert, und vermutlich aufgrund eines Fehlers beim Mischungsverhältnis kam es bei einer dieser Sprengungen zu einer Initialzündung, die dann insgesamt 4500 Tonnen des am Unglücksort gelagerten Ammoniumnitrat-Gemisches zur Explosion brachte und so einen der größten Explosionsschäden der Geschichte verursachte: 561 Menschen wurden getötet, 1952 verletzt und ein großer Teil der Fabrik sowie der umliegenden Bebauung wurden zerstört. Die Explosion war bis in das 300 Kilometer entfernte München zu hören.

Bei der Texas-City-Explosion am 16. April 1947 explodierten im Hafen von Texas City (Texas, USA) die beiden mit Ammoniumnitrat beladenen Frachter Grandcamp (Frankreich) und Highflyer (USA). Es gab 500 bis 600 Tote, über 100 Vermisste, 8000 Verletzte, Hunderte Obdachlose und 65 Millionen US-Dollar Schaden.
Am 28. Juli 1947 explodierte im Hafen von Brest (Frankreich) der mit Ammoniumnitrat beladene Frachter Ocean Liberty (Norwegen). Es gab 26 Tote und über 100 Verletzte.
Genau 80 Jahre nach der Explosion des Oppauer Ammoniakwerkes (siehe oben) starben am 21. September 2001 bei einer Ammoniumnitrat-Explosion in der Düngemittel-Fabrik AZF im französischen Toulouse 31 Menschen, und auch hier gab es darüber hinaus tausende Verletzte und riesige Sachschäden.
Beim Eisenbahnunfall von Ryongchŏn am 22. April 2004 kam es im nordkoreanischen Ryongchŏn zur Explosion eines mit Ammoniumnitrat beladenen Zugwaggons, bei der mindestens 161 Menschen starben, schätzungsweise rund 1300 Menschen verletzt und 8000 Häuser zerstört oder beschädigt wurden.
Anschlag in Oklahoma City, U.S.A. durch die Attentäter Nichols/McVeigh am 19.April 1995
Anschläge in Norwegen 2011 des Attentäters Anders Behring Breivik am 22. Juli 2011
Bei einem Brand und einer heftigen Explosion in der West Fertilizer Company am 17. April 2013 starben mindestens 14 Menschen und 180 weitere wurden verletzt.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de