Ammoniumnitrat

Stoff und Bedeutung

Ammoniumnitrat (NH₄NO₃), auch Ammonsalpeter genannt, ist ein anorganisches Ammoniumsalz. Es ist ein farbloser, hygroskopischer Feststoff; hygroskopisch bedeutet, dass er Wasser aus der Luft aufnimmt. Die Stoffmenge hat die molare Masse 80,04 g·mol⁻¹.

Der Stoff ist wichtig, weil er einerseits als Stickstoffquelle in Düngemitteln eingesetzt wird, andererseits aber beim Erhitzen oder unter bestimmten Bedingungen explosionsartig reagieren kann. Bei unsachgemäßer Lagerung und Handhabung hat gelagertes Ammoniumnitrat deshalb schwere Unfälle verursacht.

Herstellung und grundlegende Daten

Ammoniumnitrat entsteht durch Neutralisation des basischen, wasserlöslichen Gases Ammoniak mit Salpetersäure:

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

Die Reaktion ist stark exotherm, sie setzt also Wärme frei. Ihre molare Reaktionsenthalpie beträgt −146 kJ·mol⁻¹.

Reines Ammoniumnitrat hat bei 20 °C eine Dichte von 1,72 g·cm⁻³ beziehungsweise 1,725 g·cm⁻³. Es schmilzt bei etwa 169 °C, genauer bei 169,6 °C. Bei Normaldruck beginnt es ab 170 °C sich zu zersetzen; ein Siedepunkt von 210 °C gilt bei 15 hPa. In Wasser ist es sehr gut löslich: bei 20 °C 867 g/l. Es ist außerdem gut in Methanol und DMSO löslich, wenig in Ethanol und Aceton sowie nahezu unlöslich in Diethylether.

Kristalle, Wasseraufnahme und Lösungen

Ammoniumnitrat kann in fünf polymorphen Kristallformen vorkommen. Polymorphie bedeutet, dass derselbe Stoff unterschiedliche Kristallgitter bilden kann. Die Formen wechseln bei −16,9 °C, 32,3 °C, 84,2 °C und 125,2 °C: Polymorph I ist kubisch (169,6 °C bis 125,2 °C), II tetragonal (125,2 °C bis 84,2 °C), III orthorhombisch (84,2 °C bis 32,2 °C), IV orthorhombisch (32,2 °C bis −16,9 °C) und V tetragonal (unter −16,9 °C).

Besonders wichtig ist der Übergang von Polymorph IV zu III bei 32,2 °C. Er kann bei Lagerung oder Verwendung die Form der Körner und damit die Eigenschaften von Düngemitteln oder Sprengstoffen unerwünscht verändern; auch die Umwandlungen nahe Raumtemperatur fördern das Zusammenbacken. Salzzusätze können diesen Übergang unterdrücken und phasenstabilisiertes Ammoniumnitrat erzeugen. Genannt werden Kaliumsalze in Mengen von 1 bis 2 Ma% oder 0,1 Ma% Kaliumhexacyanidoferrat(II) K₄[Fe(CN)₆] · 3 H₂O.

Schon 1 Ma% aufgenommenes Wasser senkt den Schmelzpunkt auf etwa 156 °C. Ein Wasser-Ammoniumnitrat-Gemisch besitzt bei 42 Ma% Ammoniumnitrat ein Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von −16,9 °C. Ein Eutektikum ist die Zusammensetzung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt. Diese Schmelzpunkterniedrigung ist die Grundlage für Kältemischungen. Bei hohem Druck nimmt die Wasserlöslichkeit stark ab: Bei 25 °C sinkt der Anteil von 67,6 Ma% bei Normaldruck auf 25,4 Ma% bei 12 kbar.

Zersetzung und Explosionsverhalten

Beim Erhitzen über 170 °C zerfällt Ammoniumnitrat zu Wasser und Lachgas:

NH₄NO₃ → 2 H₂O + N₂O

Eine starke Initialzündung kann folgende Reaktion auslösen:

2 NH₄NO₃ → 4 H₂O + 2 N₂ + O₂

Dabei oxidiert das Stickstoffatom des Nitrat-Ions NO₃⁻ mit Oxidationsstufe +V das Stickstoffatom des Ammonium-Ions NH₄⁺ mit Oxidationsstufe −III. In N₂ haben beide die Oxidationsstufe 0. Diese Reaktionsart heißt Komproportionierung: Atome desselben Elements oxidieren und reduzieren einander, bis sie die gleiche Oxidationsstufe besitzen.

Die hohe Sprengkraft erklärt sich dadurch, dass aus festem Ammoniumnitrat ausschließlich gasförmige Produkte entstehen. Das spezifische Schwadenvolumen beträgt etwa 980 l/kg. Weitere Kennzahlen sind eine Explosionswärme von 2625 kJ·kg⁻¹, eine Detonationsgeschwindigkeit von 2500 m·s⁻¹ bei 1,4 g·cm⁻³ Dichte, eine Schlagempfindlichkeit von 49 N·m und keine Reaktion im Reibtest bis zu 353 N Stiftbelastung. Mit konzentrierter Schwefelsäure kann Salpetersäure zurückgewonnen werden:

NH₄NO₃ + H₂SO₄ → (NH₄)HSO₄ + HNO₃.

Verwendung, Regeln und Katastrophen

Ammoniumnitrat ist Hauptbestandteil vieler Düngemittel, darunter Ammoniumnitrat-Harnstoff-Lösung, Mehrnährstoffdünger („Blaukorn“) und Kalkammonsalpeter. In Deutschland darf es wegen der Gefährlichkeit in Düngemitteln nur noch mit harmlosen Stoffen wie Kalk verwendet werden, etwa als KAS27. Heute sind 27 % N üblich; dies entspricht etwa 70 % NH₄NO₃, Kalk als Rest und etwas Öl gegen das Zusammenbacken. Bis 46 % Stickstoff sind mit Harnstoff erreichbar, dessen Amidstickstoff langsamer verfügbar ist.

Der Stoff ist außerdem Bestandteil von Sprengmitteln wie ANC, Donarit und Kinepak. Zeitweise diente er als Treibmittel in Airbags. Wegen mangelnder Langzeitstabilität bei hoher Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit wurde er durch andere Treibmittel ersetzt; in den USA mussten über 40 Millionen Fahrzeuge zurückgerufen werden, weil mindestens ein Airbag einen entsprechenden Gasgenerator enthielt.

Obwohl Ammoniumnitrat brandfördernd ist und beim Erhitzen explodieren kann, gilt es im Sinn des Sprengstoffgesetzes nicht als eigentlich explosionsgefährlicher Stoff. Sein Umgang wird in Deutschland dennoch durch dieses Gesetz geregelt. In der EU zählt Ammoniumnitrat mit einem Stickstoffgehalt im Verhältnis zum Ammoniumnitrat von mehr als 16 % seit dem 1. Februar 2021 zu den beschränkten Ausgangsstoffen für Explosivstoffe. Abgabe, Verwendung, Besitz und Verbringung durch Personen ohne beruflichen oder gewerblichen Zweck sind verboten; verdächtige Transaktionen und Diebstahl müssen gemeldet werden.

Zu den schweren Explosionskatastrophen gehören Oppau am 21. September 1921 mit 559 Toten und 1977 Verletzten, Texas City am 16. April 1947 mit 500 bis 600 Toten und über 100 Vermissten sowie die Explosion von 2750 Tonnen Ammoniumnitrat in Beirut am 4. August 2020. Bei der Explosion in Tianjin am 12. August 2015 waren laut The Guardian 800 Tonnen Ammoniumnitrat gelagert; welche Substanz den Hauptanteil an der Zerstörung hatte, ist nicht bekannt.