질산 암모늄

3. 성질

질산암모늄은 염이므로, 양이온인 과 음이온인 모두 화학 반응에 참여할 수 있다.

고체 질산암모늄은 가열하면 분해된다. 약 300 °C 이하의 온도에서는 주로 아산화질소와 물이 생성된다.^[13]

: NH₄NO₃ → N₂O + 2 H₂O

더 높은 온도에서는 다음 반응이 우세하다.^[13]

: 2 NH₄NO₃ → 2 N₂ + O₂ + 4 H₂O

두 분해 반응 모두 발열 반응이며 생성물은 기체이다. 특정 조건 하에서는 이로 인해 연쇄 반응이 일어나 분해 과정이 폭발적으로 진행될 수 있다.^[14]

질산암모늄은 여러 가지 결정상을 가지는 것으로 관찰되었다. 다음은 대기압 하에서 나타나는 상들이다.

β-사방형에서 α-사방형으로의 전이(32.3 °C에서)는 세계 여러 지역의 주변 온도에서 발생한다. 이들 형태는 밀도 차이가 3.6%이며, 따라서 이들 사이의 전이는 부피 변화를 일으킨다. 이러한 현상의 한 가지 실용적인 결과는 질산암모늄이 균열이 발생하기 때문에 고체 추진 로켓 추진제로 사용될 수 없다는 것이다. 이 문제에 대한 해결책으로 안정화된 질산암모늄(PSAN)이 개발되었으며, 이는 밀도 변동을 방지하는 금속 할라이드 안정제를 포함한다.^[16]

가열하거나 염화물 이온을 촉매로 하면 분해되어 아산화질소(일산화이질소, 웃음가스)를 발생한다.

: NH4NO3 -> N2O + 2H2O

또한, 210 ℃ 정도로 가열하면 폭발한다.

: 2NH4NO3 -> 2N2 + 4H2O + O2

요소나 황산암모늄과 마찬가지로, 질산암모늄도 물에 용해될 때 흡열한다. 식염 등과 비교하면 흡열반응의 에너지가 크기 때문에, 휴대용 냉찜질팩(순간냉각팩) 등의 냉각제로 사용된다.

4. 용도

질산 암모늄은 NPK 비율 34-0-0 (질소 34%)의 비료로 사용된다.^[17] 요소(46-0-0)보다 질소 농도는 낮지만, 질소가 대기 중으로 빠르게 손실되지 않아 더 안정적이다.^[17]

TNT(트라이나이트로톨루엔) 등의 폭발물이나 알루미늄 분말, 등유 등의 연료와 혼합하면 다양한 폭발성 혼합물을 만들 수 있다.^[18] 질산 암모늄을 함유한 폭발물은 다음과 같다.

ANFO(앤포)는 질산암모늄 94%와 등유 6%의 혼합물로, 저렴한 비용, 안전성, 사용 편의성으로 인해 석탄 광산, 채석, 금속 광산, 토목 건설 등 산업용 폭약으로 널리 사용된다.^[18]

질산 암모늄은 물에 녹을 때 열을 흡수하는 흡열반응을 일으켜 휴대용 냉찜질 팩(순간 냉각 팩) 등에 사용된다.^[20] 2021년 사우디아라비아 킹 압둘아지즈 과학기술대학교는 질산 암모늄을 이용한 독립형 냉각 시스템 및 냉매 활용 실험을 진행했다.^[20]

과거 타카타 에어백 팽창 장치에 질산 암모늄이 사용되었으나, 안정성 문제로 리콜되었다.^[23] Cavea-b라고 불리는 질산 암모늄의 질산 용액은 모노프로펠런트인 히드라진 대신 사용될 수 있는 액체 연료로 연구되었으나, NASA에서는 채택되지 않았다.

4. 1. 비료

4. 2. 폭약

ANFO(앤포)는 질산암모늄(AN) 94%와 등유(FO) 6%를 혼합한 것으로, 대량 산업용 폭약으로 널리 사용된다.^[18] 석탄 광산, 채석, 금속 광산, 토목 건설 등 까다롭지 않은 응용 분야에서 저렴한 비용, 상대적인 안전성, 사용 편의성이 기존 산업용 폭약이 제공하는 내수성, 산소 평형, 높은 폭발 속도, 작은 직경에서의 성능보다 더 중요하다.^[18]

4. 3. 기타 용도

5. 안전 및 사고

순수 질산암모늄은 강력한 산화제이지만, 자체로는 잘 타지 않으므로 가연성 물질 근처에 보관해서는 안 된다.^[25][28][29] 상온 및 상압에서 안정적이지만, 강력한 폭발 충격을 받으면 폭발할 수 있으므로 고성능 폭약 근처에는 보관하지 않아야 한다. 녹은 질산암모늄은 충격과 폭발에 매우 민감하며, 특히 가연성 물질, 인화성 액체, 산, 염소산염, 염화물, 황, 금속, 목탄 및 톱밥 등에 오염될 경우 더욱 그렇다.^[30][25] 염소산염, 무기산, 금속 황화물 등과 접촉하면 격렬하게 분해되어 주변 물질에 불이 붙거나 폭발할 수 있다.^[31][32]

질산암모늄은 녹으면서 분해되기 시작하여 NOx(질소산화물), 질산(HNO₃), 암모니아(NH₃), 물(H₂O)을 방출한다. 밀폐된 공간에서 가열하면 분해로 인한 열과 압력 때문에 폭발 위험이 커진다.^[25] 질산암모늄은 습도가 높으면 대기 중 수분을 흡수하므로 밀폐된 용기에 보관해야 한다. 그렇지 않으면 큰 덩어리로 뭉치거나 액체화될 수 있다.^[33]

이러한 폭발 위험성 때문에 각국에서는 규제 조치를 시행하고 있다. 호주에서는 2005년 8월부터 위험물 규정을 통해 질산암모늄 취급 면허 제도를 강화했다.^[34] 면허는 산업체 등 적절한 보안 조치를 갖춘 신청자에게만 부여되며, 개인적인 용도는 허용되지 않는다.^[35]

질산암모늄은 드물지만 폭발하여 큰 사고로 이어지기도 한다. 주요 사고 사례는 다음과 같다.

1952년에는 아이치현 나고야시의 화학 공장에서 질산암모늄 수용액이 폭발하는 사고도 있었다.^[51]

타카타는 에어백 가스 발생제로 질산암모늄을 사용했다가 온도 변화에 따른 결정 변화와 고습 지역에서의 폭발 위험으로 인해 2015년 미국 교통부로부터 생산 및 판매 중지 명령을 받았다.^[53]

질산암모늄은 테러에도 사용된 사례가 있다. 1995년 오클라호마시티 폭탄 테러, 2011년 오슬로 폭탄 테러 등에서 질산암모늄 기반 폭발물이 사용되었다.^[19] 파키스탄에서는 무장 세력이 폭발물 제조에 질산암모늄 비료를 사용하자 2009년 특정 지역에서 사용이 금지되기도 했다.^[19]

질산암모늄은 순수한 형태 외에도 다양한 폭약의 성분으로 사용된다. 대표적인 폭약 종류와 구성 성분은 다음과 같다.

5. 1. 안전

5. 2. 사고 사례

1952년 12월 22일에는 아이치현 나고야시의 화학 공장에서 질산암모늄 수용액이 폭발하는 사고도 있었다.^[51]

타카타는 에어백 가스 발생제로 질산암모늄을 사용했는데, 온도 변화에 따른 결정 변화와 고습 지역에서의 폭발 위험이 문제시되었다. 2015년 미국 교통부는 질산암모늄 사용 가스 발생 장치의 생산 및 판매 중지를 명령하고, 2018년 말까지 단계적으로 폐지하기로 합의했다.^[53]

5. 3. 테러

참조

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