Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).
Ammoniumnitrat ist alsAmmoniumsalz ein anorganischesSalz, das sich z. B. bei der Neutralisationsreaktion des wasserlöslichen, basischen GasesAmmoniak mitSalpetersäure bildet. Das so hergestellte und getrocknete Ammoniumnitrat wird einerseits zur Herstellung vonDüngemitteln verwendet, ist aber andererseits auch einSprengstoff, der bei nicht sachgemäßer Lagerung und Handhabung spontan explodieren kann. Auf diese Weise hat gelagertes Ammoniumnitrat schon viele schwerwiegende Unfälle verursacht.
Ammoniumnitrat wurde erstmals 1659 vonJohann Rudolph Glauber durch Reaktion vonAmmoniumcarbonat mit Salpetersäure hergestellt.[7] Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde es von Grindel und Robin als Ersatz fürKaliumnitrat in Schwarzpulver für die Verwendung in Sprengstoffen in Betracht gezogen. Über seine explosiven Eigenschaften wurde 1849 von Reise und Millon berichtet, als eine Mischung aus pulverförmigem Ammoniumnitrat und Holzkohle beim Erhitzen explodierte. Zu diesem Zeitpunkt wurde Ammoniumnitrat nicht als Sprengstoff betrachtet, obwohl es weltweit zu kleinen Bränden und Explosionen mit Ammoniumnitrat kam. Ende des 19. Jahrhunderts versuchte man in Europa in Kohlenminen die Verwendung von Schwarzpulver zu beschränken und einen sicheren Sprengstoff als Ersatz zu finden. In England wurden nach Experimenten mit verschiedenen Sprengstoffen schließlich mehrere empfohlen, wovon die meisten auf Ammoniumnitrat basierten. SowohlDynamit als auch Schwarzpulver fielen bei den Tests durch und wurden durch Sprengstoffe auf der Basis von Ammoniumnitrat ersetzt. Die von diesem Ausschuss erzielten Ergebnisse führten zum englischen Kohlebergbau-Verordnungsgesetz von 1906. Bis 1913 erreichte die britische Kohleförderung mit 287 Millionen Tonnen einen historischen Höchststand, wobei jährlich mehr als 5000 Tonnen Sprengstoff verbraucht wurden, wovon ab 1917 92 % dieser Sprengstoffmenge auf Ammoniumnitrat basierte. Um die Kosten für Sprengstoffzusammensetzungen zu senken, fügte die Sprengstoffindustrie den Formulierungen mehr von der billigeren Verbindung Ammoniumnitrat hinzu, was jedoch den unglücklichen Nebeneffekt hatte, dass die Empfindlichkeit der Sprengstoffe gegenüber Feuchtigkeit erhöht wurde. Die Chemiker überwanden dieses Problem, indem sie das Ammoniumnitrat mit verschiedenen anorganischen Pulvern beschichteten, und bzw. oder es mit Dynamit mischten. Auch die Verpackung der Sprengstoffe wurde verbessert, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.[8]
Nach Ende des Ersten Weltkrieges wurde in einem Chemiewerk derBASF inOppau in großem Umfang Ammoniumnitrat als Düngemittel hergestellt. Um die für die Verwendung als Düngemittel ungünstigenhygroskopischen Eigenschaften von Ammoniumnitrat zu verbessern, wurde anfangsKaliumchlorid zugefügt, was zu einer Umwandlung in ein Gemisch aus Ammoniumchlorid und Kaliumnitrat führte, was alsKalkammonsalpeter bezeichnet wurde. Später wurde das Kaliumchlorid durchAmmoniumsulfat ersetzt, wodurch ein Produkt entstand, das alsAmmonsulfatsalpeter (chemischAmmoniumsulfatnitrat) bezeichnet wurde. Der Begriff Leunasalpeter, der sich auf die Leuna-Fabrik der BASF bezieht, wird manchmal als Synonym für Ammonsulfatsalpeter verwendet. Der in Oppau produzierte Ammonsulfatsalpeter wurde oft einfach als Mischsalz bezeichnet. Dieses Produkt ist eine Quelle sowohl für primäre (Stickstoff) als auch für sekundäre (Schwefel) Pflanzennährstoffe. Die Mischung der beiden Verbindungen bildet entweder nur eine Mischung der beiden Verbindungen oderDoppelsalze (2AN-AS oder 3AN-AS), je nach Herstellungsverfahren und Mischungsverhältnissen. Die Bildung von Doppelsalzen aus AN und AS ist seit 1909 aus den Arbeiten des niederländischen Physikochemikers Franciscus A. H. Schreinemakers (1864–1945) bekannt. Am Morgen des 21. September 1921 kam es in dem Werk inOppau zu zwei kurz aufeinanderfolgenden Explosionen von etwa 400 Tonnen Ammoniumsulfatnitrat, bei der mehr als 500 Menschen starben.[9] Diese Explosion zog umfangreiche Untersuchungen zu dem Unglück und Studien zu den Eigenschaften von Ammoniumsulfatnitrat, aber auch Ammoniumnitrat nach sich.[10]
Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs begann die Regierung der USA mit der Lieferung von so genanntemAmmoniumnitrat in Düngemittelqualität (FGAN) nach Europa, das aus körnigem Ammoniumnitrat bestand, das mit etwa 0,75 % Wachs beschichtet und mit etwa 3,5 % Ton konditioniert war. Da dieses Material nicht als Sprengstoff galt, wurden bei der Handhabung und dem Transport keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen getroffen – die Arbeiter rauchten sogar während der Verladung des Materials. Bis zum 16. und 17. April 1947 wurden zahlreiche Transporte ohne Schwierigkeiten durchgeführt, bis sich eine schwere Explosion ereignete. DieSS Grandchamp und die SS Highflyer, die beide im Hafen vonTexas City vor Anker lagen und mit FGAN beladen waren, explodierten. Als Folge dieser Katastrophen wurde in den USA eine Reihe von Untersuchungen eingeleitet, um die möglichen Ursachen der Explosionen zu ermitteln. Gleichzeitig wurde auch eine gründlichere Untersuchung der explosiven Eigenschaften von Ammoniumnitrat und seiner Mischungen mit organischen und anorganischen Materialien durchgeführt. Kaum hatte die Explosion in Texas City stattgefunden, erschütterte eine ähnliche Explosion an Bord der SS Ocean Liberty am 28. Juli 1947 den Hafen vonBrest in Frankreich. Die Untersuchungen zeigten, dass Ammoniumnitrat viel gefährlicher war als bisher angenommen und strengere Vorschriften, die ihre Lagerung, Verladung und ihren Transport in den USA regeln, wurden umgehend in Kraft gesetzt.[8]
In den 1970er Jahren begannen die US-FirmenIreco undDuPont damit, ihren FormulierungenAluminium undMonomethylaminnitrat (MAN) beizufügen, um gelierte Sprengstoffe herzustellen, die leichter explodieren können. Neuere Entwicklungen betreffen die Herstellung von Emulsionssprengstoffen (zum Teil mit Mischungen aus Ammonium- undNatriumnitrat), die Tröpfchen einer Lösung von Ammoniumnitrat in Öl enthalten.[8]
Ammoniumnitrat bildet farblosehygroskopische Kristalle, die bei 169,6 °C schmelzen. Der Feststoff kann in fünf verschiedenenpolymorphen Kristallformen vorliegen, mit Umwandlungstemperaturen bei −16,9 °C, 32,3 °C, 84,2 °C und 125,2 °C.[4][11] Für die Neigung von Ammoniumnitrat-Kristallen zum Zusammenbacken sind dabei namentlich die ersten beiden Phasenumwandlungen in Nähe der Raumtemperatur verantwortlich. Die polymorphen Formen treten in verschiedenen Kristallgittern auf:
Der Phasenübergang zwischen den Polymorphen IV und III bei 32,2 °C ist bei der Handhabung, aber auch bei der Lagerung der Substanz relevant. In Formulierungen für Düngemittel oder Sprengstoffe kann dieses Verhalten zu unerwünschten Änderungen derMorphologie 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, wieKaliumfluorid,Kaliumchlorid,Kaliumnitrat,Kaliumcarbonat,Kaliumsulfat,Kaliumrhodanid undKaliumdichromat sein, die allerdings mit einem Anteil von 1 bis 2 Ma% (Massenprozent) zugesetzt werden müssen.[12] Der Effekt kann auch mit einer wesentlich geringeren Menge von 0,1 Ma%Kaliumhexacyanidoferrat(II) K4[Fe(CN)6] · 3 H2O erreicht werden.[13][14]
Mit der hygroskopischen Eigenschaft des Ammoniumnitrats ist eine starkeSchmelzpunktabsenkung verbunden: Schon eine Wasseraufnahme von nur 1 Ma% senkt den Schmelzpunkt des Salzes auf etwa 156 °C. Umgekehrt zeigt das Phasendiagramm bei einem Ammoniumnitratgehalt von 42 Ma% einEutektikum mit einem Schmelzpunkt von −16,9 °C.[4] 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. inKältemischungen beruht.[15] Bei höherenMassenanteilen 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%):
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 sinkt dieser Anteil auf nur noch 25,4 Ma%.[3] 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.[3] Oberhalb dieses Druckes liegt ein zweiphasiges Gemisch aus Eis und festem Ammoniumnitrat vor und es kann keine Lösung mehr existieren.
Die Dichte von reinem Ammoniumnitrat beträgt 1,725 g·cm−3.[4] In wässriger Lösung steigt die Dichte mit steigender Konzentration bzw. sinkt mit steigender Temperatur.[4]
Dichte von wässrigen Ammoniumnitratlösungen bei verschiedenen Temperaturen[4]
Gehalt (Ma%)
020 %
030 %
040 %
050 %
060 %
070 %
080 %
090 %
094 %
020 °C
1,0830
1,1275
1,1750
1,2250
1,2785
040 °C
1,0725
1,1160
1,1630
1,2130
1,2660
1,3220
060 °C
1,0620
1,1045
1,1510
1,2005
1,2525
1,3090
1,3685
080 °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
InMethanol ergeben sich bei 30 °C eine 20%ige bzw. bei 60 °C eine 40%ige Lösung.[4] Die Löslichkeit in Ethanol ist wesentlich geringer. Hier kann bei 20 °C nur eine 4%ige Lösung erhalten werden.[4]
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, beideStickstoffatome auf 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, heißenKomproportionierungen.
Der explosionsartige Übergang vom Feststoff (NH4NO3) zu ausnahmslos gasförmigen Produkten (H2O, N2 und O2) dieser Reaktion erklärt die hoheSprengkraft des Ammoniumnitrats: Mit etwa 980 l/kg[11] besitzt es eines der höchstenspezifischen Schwadenvolumen, und kalkuliert man auch noch seine Dichte mit ein, ergibt sich ein sogar noch höheres Verhältnis (Schwadenvolumen/Sprengstoffvolumen).Weitere wichtige Explosionskennzahlen sind:[11]
Durch Reaktion mit konzentrierterSchwefelsäure und anschließenderDestillation lässt sich dieSalpetersäure zurückgewinnen, welche die Ausgangssubstanz zur Herstellung vieler Explosivstoffe ist:
Außerdem wird es fürSprengstoffe genutzt. Ammoniumnitrat ist beispielsweise in den SprengmittelnANC,Donarit undKinepak enthalten.
Auch als Treibmittel fürAirbags in Kraftfahrzeugen wurde Ammoniumnitrat zeitweise verwendet. Es erwies sich allerdings insbesondere unter dem Einfluss von hoher Umgebungstemperatur undLuftfeuchtigkeit als nicht ausreichend langzeitstabil und wurde durch andere Treibmittel abgelöst.[17] Allein in den USA mussten über 40 Millionen Fahrzeuge zurückgerufen werden, weil mindestens ein Airbag einen Gasgenerator mit Ammoniumnitrat enthielt.[18]
Obwohl es als brandfördernd gilt und beim Erhitzen explodieren kann, gehört Ammoniumnitrat nicht zu den eigentlich explosionsgefährlichen Stoffen im Sinne desSprengstoffgesetzes.[11] Gleichwohl wird der Umgang mit ihm in der Bundesrepublik Deutschland durch das Sprengstoffgesetz geregelt, und so darf Ammoniumnitrat wegen seiner möglichen Gefährlichkeit in Düngemitteln inzwischen nur noch gemischt mit harmlosen Stoffen wie Kalk verwendet werden (KAS27). Typische Konzentrationen beim HerstellerChemie Linz waren ehemals 26 und 28 % N (Stickstoffgehalt). Heute üblich ist 27 % N, was etwa 70 % NH4NO3 und Rest Kalk sowie etwas Öl gegen das Zusammenbacken der Kugeln bedeutet. Höhere Stickstoffgehalte bis 46 % sind durchHarnstoff realisierbar, seinAmidstickstoff ist langsamer verfügbar.
Wegen seiner Gefährlichkeit zählt dieEU Ammoniumnitrat mit einem Stickstoffgehalt im Verhältnis zum Ammoniumnitrat von mehr als 16 % seit 1. Februar 2021 zu denbeschränkten Ausgangsstoffen für Explosivstoffe mit der Folge, dass die Abgabe an und die Verwendung, der Besitz und die Verbringung durch Personen verboten ist, sofern diese nicht zu beruflichen oder gewerblichen Zwecken tätig werden; die berufliche oder gewerbliche Zweckbestimmung ist bei Verkauf zu überprüfen undverdächtige Transaktionen und Diebstahl sind meldepflichtig.[19] Bereits seit 27. Juni 2010 (mit Übergangsregelungen bis 1. Juli 2014) war dasInverkehrbringen von Gemischen mit diesem Stickstoffgehalt von über 16 % in der EU außer an Landwirte und entsprechende gewerbliche Verwender verboten.[20]
Explosion des Ammoniakwerkes derBASF inOppau (heute ein Stadtteil vonLudwigshafen am Rhein) am 21. September 1921: FestgewordenerAmmoniumsulfatnitrat-Dünger wurde dort üblicherweise vor dem Ausschleusen mittels Dynamit aufgelockert. Der Dünger galt zu dieser Zeit entsprechend dem Stand des Wissens als nicht explosionsfähig. Aufgrund einer Änderung des Produktionsverfahrens kam es vermutlich zu einer lokalen Anreicherung von Ammoniumnitrat im Produkt. Durch die Sprengungen wurden zwei kurz aufeinanderfolgende Explosionen ausgelöst, bei denen in einem Silo ca. 400 von insgesamt 4500 Tonnen Düngemittel detonierten und so einen der größten Explosionsschäden der Geschichte verursachten: 559 Menschen wurden getötet, 1977 verletzt und ein großer Teil der Fabrik sowie der umliegenden Bebauung wurden zerstört.[22] Die Explosion war bis in das 300 Kilometer entfernte München zu hören.[23]
Bei derTexas-City-Explosion am 16. April 1947 explodierten im Hafen vonTexas City in denVereinigten Staaten die beiden mit ca. 2300 Tonnen Ammoniumnitrat beladenen Frachter Grandcamp (Frankreich) und Highflyer (USA). Es gab 500 bis 600 Tote,[24] über 100 Vermisste, 8000 Verletzte, Hunderte Obdachlose und 65 Millionen US-Dollar Schaden.
Am 28. Juli 1947 explodierte im Hafen vonBrest (Frankreich) der mit Ammoniumnitrat beladene FrachterOcean Liberty (Norwegen). Es gab 26 Tote und über 100 Verletzte.[25][26]
Am 9. Januar 1963 kam es inOulu (Finnland) zu einer Explosion in einer Stickstofffabrik, bei der 10 Angestellte starben.[27][28]
BeimBombenanschlag auf das Murrah Federal Building in Oklahoma City am 19. April 1995 in den USA ermordete derrechtsextreme TerroristTimothy McVeigh 168 Menschen, darunter 19 Kinder in einem Kindergarten, und verletzte mehr als 800 weitere Personen, indem er eineAutobombe mit einem von ihm selbst hergestellten, 2,4 Tonnen schweren Sprengsatz aus Ammoniumnitrat undNitromethan zur Detonation brachte und damit ein achtstöckiges Verwaltungsgebäude zum Einsturz brachte. Über 300 weitere Gebäude wurden beschädigt.
Genau 80 Jahre nach der Explosion des Oppauer Ammoniakwerkes (siehe oben) starben am 21. September 2001 bei einer Ammoniumnitrat-Explosion in der Düngemittelfabrik AZF im französischen Toulouse 31 Menschen. Auch hier gab es darüber hinaus tausende Verletzte und riesige Sachschäden.
BeimEisenbahnunfall von Ryongchŏn am 22. April 2004 kam es im nordkoreanischenRyongchŏn zur Explosion eines mit Ammoniumnitrat beladenen Zugwaggons, bei der mindestens 161 Menschen starben. Schätzungsweise 1300 Menschen wurden verletzt und 8000 Häuser zerstört oder beschädigt.[29]
Am 24. Mai 2004 explodierte in der Gemeinde Mihăilești Kreis Buzău Rumänien bei einem Autounfall ein LKW mit 20 Tonnen Ammoniumnitrat. Es gab 18 Tote und 13 Schwerverletzte. Durch die Explosion bildete sich ein Krater von 6,5 m Tiefe und 21 m Durchmesser.[30][31][32][29]
Am 12. August 2015 wurdenbei einer Explosion im chinesischen Tianjin hunderte Menschen getötet bzw. verletzt. Laut der britischen ZeitungThe Guardian waren vor Ort neben zahlreichen anderen Substanzen 800 Tonnen Ammoniumnitrat gelagert.[35] Diese Menge ist geeignet, den ca. 100 m breiten Krater zu erklären, den die Explosion hinterließ. Welche Substanz den Hauptanteil an der Zerstörung hatte, ist nicht bekannt.
Am 4. August 2020 zerstörteeine gewaltige Explosion von – nach Angaben des libanesischen Ministerpräsidenten – 2750 Tonnen Ammoniumnitrat denHafen von Beirut sowie weite Teile der Umgebung. Die Explosion war noch hunderte Kilometer weit zu hören.[36]
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