Eksplozija v Bejrutu: zakaj eksplodira amonijev nitrat

V torek popoldne je pristaniški del Bejruta stresla ena najmočnejših nejedrskih eksplozij v zgodovini. Po uradnih podatkih je razneslo 2.750 ton amonijevega nitrata, ki je bil shranjen v skladišču, potem ko so ga pred sedmimi leti tja odnesli z zasežene ladje. Ocenjujejo, da je eksplozija po sproščeni energiji ustrezala 1-2 kilotonam TNT, kar je približno desetina sproščene energije v jedrski bombi Mali deček, ki so jo leta 1945 odvrgli na Hirošimo (15 kiloton).

V kilotonah TNT merimo sproščeno energijo pri eksplozijah. Ena kilotona TNT ustreza 4,18 TJ energije, kar je približno energija, ki jo Nuklearna elektrarna Krško proizvede v poldrugi uri. Čez palec lahko torej rečemo, da se je v Bejrutu v drobcu sekunde sprostilo toliko energije, kot jo NEK proizvaja slabe tri ure. To pa ni malo, a tudi ni edini faktor, ki ga je treba upoštevati pri obravnavi eksplozij. To je namreč področje, s katerim se ukvarja kar svoja vrsta kemije. Dokončne ocene sproščene energije sicer še ni in nekateri strokovnjaki so v svojih ocenah tudi konzervativnejši (240 ton TNT).

Eksplozivi imajo v kemijskih vezeh uskladiščeno veliko energije, ki se pri detonaciji hitro sprosti v okolico. A to še ni zadostni razlog, da bo neka kemijska snov res eksploziv. Polne litij-ionske baterije imajo za svojo maso veliko energije, pa po navadi ne eksplodirajo, četudi se vnamejo. Eksplozija je po definiciji naglo povečanje prostornine, kar je tisti ključni dejavnik. Niso vse eksplozije kemične, saj poznamo tudi jedrske, visokotlačne ipd. V kemijski reakciji, ki naj povzroči eksplozijo, mora nastati čim več plinastih produktov (idealno je, če nastanejo samo plinasti produkti). Gostote plinov so nekaj tisočkrat nižje od gostote trdnih snovi ali tekočin; pri nastanku plinov se prostornina naglo poveča.

Reakcije, ki sprostijo največ energije, so oksidacije. Hkrati imajo to uporabno lastnost, da je večina produktov plinastih. Oksidant je lahko marsikaj, najpogostejšega pa imamo kar v zraku, kjer je 21 odstotkov kisika. In s tem pridemo do amonijevega nitrata, ki so ga skladiščili v Bejrutu. Po neuradnih podatkih je šlo za Nitropril ali Nitroprill. Prvi je znana znamka amonijevega nitrata, ki ga proizvaja Orica, drugo je verjetno kakšen ponaredek.

Pred eksplozijo se je vnel požar, zaradi česar se je nad mestom vil oblak belega dima, slišati je bilo tudi manjše eksplozije. Ko pa je požar zajel amonijev nitrat, je odjeknila silovita eksplozija, mesto pa je prekril oblak rdeče-oranžnega dima, kar je značilen odtis dušikovega dioksida. Po posnetkih so ocenili, da je eksplozija pline potiskala s hitrostjo 3000 metrov na sekundo, kar je v skladu s tabeliranimi vrednostmi hitrosti detonacije za amonijev nitrat, ki znaša 2700 m/s. Snovi, kjer se hitrost razpada širi z nadzvočno hitrostjo (340 m/s), imenujemo visokoeksplozivne in so posebej nevarne, ker povzročijo močan udarni val. Nadtlak, ki ga je povzročila eksplozija, je še na razdalji dva kilometra znašal 70 milibarov (ekvivalent 700 kilogramov na kvadratni meter). Na razdalji 250 metrov od eksplozije, kjer so stale stavbe, pa je bil tlak 18-krat večji od normalnega tlaka (torej 18.000 milibar) - to je dovolj, da zruši stavbe. Udarni val so zaznali celo na 200 kilometrov oddaljenem Cipru, v Bejrutu pa so zabeležili seizmični sunek tretje stopnje.

Amonijev nitrat je zanimiva sol, ki nima nobenega kovinskega atoma. Uporablja se zlasti kot gnojilo, saj ima visok delež dušika (34 odstotkov) in je dobro topna v vodi. Hkrati pa je amonijev nitrat lahko uporaben kot eksploziv. Sam po sebi ni nevaren, saj ne eksplodira in je stabilen. Še več, za uporabo kot eksploziv potrebuje aditive. Sčasoma bo amonijev nitrat razpadel v vodo in didušikov oksid (N₂O), kar pa ni nič hudega. Če pa amonijevemu nitratu dovedemo veliko energije, denimo ob požaru, razpade naglo. Eksplozivno razpade tudi ob kontaktu z nekaterimi močnimi oksidanti (klorati, kislinami itd.), ni pa občutljiv na udarce.

Za oksidacije potrebujemo oksidant in reducent. Oksidant je resda lahko kisik iz zraka, a ga je premalo, da bi bile eksplozije res močne. Amonijev nitrat pa ima formulo NH₄NO₃, kjer prepoznamo reducirani dušikov atom (z oksidacijskim številom -3 v amonijevem ionu) in oksidirani dušikov atom (z oksidacijskim številom +5 v nitratnem ionu). Amonijev nitrat ima torej v isti "molekuli" (kristali ne tvorijo molekul) zapakiran oksidant in reducent. Pri reakciji v idealnih pogojih nastanejo dušik, vodna para in kisik, v realnosti pa še dušikovi oksidi. Vse to so plini, zato je "izkoristek" eksplozije odličen. Iz ene tone amonijevega nitrata, ki ima prostornino slabih 0,6 kubičnega metra, nastane okrog 10.000 kubičnih metrov plinov pri normalnih pogojih. Rezultat je silovito povečanje tlaka, ki kot tlačni val potuje navzven - to je detonacija s sledečim udarnim valom.

Eksplozije amonijevega nitrata žal niso nič novega. A edini primerljivi z eksplozijo v Bejrutu sta bili eksplozija v Texas Cityju leta 1947, ko je na francoski ladji razneslo 2300 ton amonijevega nitrata, in istega leta na ladji Ocean Liberty v Brestu. V bombnem napadu v Oklahoma Cityju leta 1995 je razneslo dve toni amonijevega nitrata.