ammoniumnitrat

Smeltepunktet til ammoniumnitrat er 169,6 °C. Ved høyere temperaturer brytes stoffet ned (dekomponerer) til ulike reaksjonsprodukter, avhengig av oppvarmingshastighet og eventuell inneslutning. Ved rundt 210 °C vil smelten koke. Den termiske nedbrytningen (termolysen) til ammoniumnitrat er meget komplisert og gjør det vanskelig å forutsi akkurat hvordan stoffet vil oppføre seg under sterk varmepåvirkning, som for eksempel under brann.

Ved temperaturer like over smeltepunktet brytes ammoniumnitrat hovedsakelig ned til ammoniakk og salpetersyre. Dette forbruker varme (reaksjonen er endoterm). Ved noe høyere temperatur brytes ammoniumnitrat ned til lystgass (N₂O) og vann. Denne reaksjonen er svakt eksoterm (avgir varme), men den er delvis koblet til den endoterme nedbrytningen.

Ved temperaturer som ligger en del over kokepunktet, vil ammoniumnitrat dekomponere til nitrogengass (N₂), oksygengass (O₂), nitrogenoksider (NO_x) og vann mens det avgis mye varme (sterkt eksoterm reaksjon). Ved dette stadiet er det fare for at den utviklede reaksjonsvarmen kan påskynde den videre spaltningen inntil materialet detonerer. Forurensninger kan akselerere nedbrytningen.

Ammoniumnitrat fremstilles fra ammoniakk og salpetersyre gjennom en syre-base-reaksjon. Ammoniakken fås først gjennom Haber-Bosch-metoden. Denne kan oksideres til salpetersyre ved samme anlegg ved hjelp av den såkalte Ostwald-prosessen. Råmaterialene for produksjon av ammoniumnitrat lages derfor gjerne i den samme produksjonskjeden.

I denne produksjonen lages ammoniumnitrat først i form av en konsentrert vannløsning på rundt 80 prosent. Vannet må så fordampes for å gi rent ammoniumnitrat i fast form. Dette kan gjøres på forskjellige måter, avhengig av bruksområdet til produktet. For noen typer bruk må det også tilsettes egnede stoffer for å unngå klumping under lagring.

Ammoniumnitrat brukes i hovedsak i tre ulike former:

• Prillet ammoniumnitrat til nitrogengjødsel og sprengstoff
• Krystallinsk ammoniumnitrat til diverse kjemisk-teknisk bruk
• Vannløst ammoniumnitrat til nitrogengjødsel og sprengstoff

I tillegg til disse tre lages ammoniumnitrat også som ett av flere produkter i den såkalte Odda-prosessen (nitrofosfatprosessen) for produksjon av fullgjødsel.

For bruk som nitrogengjødsel eller som bestanddel i sprengstoffer fremstilles gjerne ammoniumnitrat i form av haglformede korn, kalt for priller. Slike priller lages ved å la en smelte av ammoniumnitrat falle i dråpeform fra et høyt tårn. Smeltedråpene stivner til priller i løpet av fallet gjennom tårnet.

Avhengig av blant annet fuktighetsnivå i smelten og lufttemperatur, kan slike priller få ulik grad av porøsitet. Porøse priller med en tetthet rundt 0,8 g/cm³ kalles for porøs prillet ammoniumnitrat og brukes for produksjon av sivile sprengstoffer. Porøsiteten har mye å si for deres evne til slik bruk, fordi det påvirker hvordan prillene tar opp brenselstoffer i produksjonen av sprengstoffet ANFO og hvor lett de detonerer.

For bruk i nitrogengjødsel lages priller med en tetthet rundt 0,9–1,1 g/cm³, altså en høyere tetthet enn for den porøse, tekniske typen. Slike priller tilsettes stoffer som leirmineraler for å motvirke klumping under lagring. Ammoniumnitrat for gjødselformål kan også lages gjennom andre granuleringsmetoder.

Ammoniumnitrat til teknisk bruk, slik som sprengstoff, omtales gjerne som «teknisk ammoniumnitrat». Internasjonalt er det kjent som technical grade ammonium nitrate, forkortet TGAN. Ammoniumnitrat til bruk i gjødsel omtales på lignende måte ofte som fertilizer grade ammonium nitrate, forkortet FGAN.

Ammoniumnitrat til teknisk bruk lages også i krystallinsk form. Slikt materiale, med særskilt høy grad av renhet, brukes i produksjonen av lystgass, blant annet for medisinsk bruk (til anestesiformål), til bruk innen elektronikkindustri eller som drivgass for aerosoler i næringsmiddel- og legemiddelindustri.

Krystallinsk ammoniumnitrat, i ulike renhetsgrader, brukes også i ulike sammenhenger i laboratorier. Tidligere var ammoniumnitrat også mye brukt i kjøleposer til akutte idrettsskader. Grunnlaget for denne bruken er at oppløsning av ammoniumnitrat i vann er en endoterm prosess, altså en prosess som forbruker varme og som derfor virker kjølende.

For produksjon av krystallinsk ammoniumnitrat kan det brukes en innretning kjent innen kjemiteknikken som Oslo-krystallisatoren. Denne gir store krystaller av ensartet størrelse. Den ble utviklet på 1920-tallet av de norske ingeniørene Isak Isaachsen (1863–1955), Finn Jeremiassen (1885–1960) og Cay Roll-Hansen (1885–1977) ved A/S De norske saltverker, senere i selskapet A/S Krystal.

Krystallinsk ammoniumnitrat, laget ved hjelp av Oslo-krystallisatoren, var tidligere også noe i bruk som gjødsel. Slikt materiale var da kjent som enten monokrystallinsk ammoniumnitrat, fordi partiklene bestod av enkeltkrystaller, eller som Krystal ammoniumnitrat, oppkalt etter det norske selskapet som utviklet Oslo-krystallisatoren.

For enkelte anvendelser, slik som i produksjonen av emulsjonssprengstoffer, kan ammoniumnitrat benyttes i form av en konsentrert oppløsning i vann. Denne må typisk holdes varm under transport og lagring for å unngå utkrystallisering av ammoniumnitrat. Vannløsninger av ammoniumnitrat brukes også som nitrogengjødsel.

Ammoniumnitrat produseres også, sammen med andre stoffer, indirekte gjennom den såkalte Odda-prosessen (nitrofosfatprosessen). Dette er en viktig prosess for produksjon av fullgjødsel fra bergarten fosforitt, en type apatitt. Prosessen ble opprinnelig utviklet av ingeniøren Erling Bjarne Johnson (1893–1967) i 1927–1928 ved Odda Smelteverk.

Ammoniumnitrat er en viktig nitrogengjødsel. Nitrogeninnholdet er høyt (34 prosent) og kan opptas fullstendig av plantene. Nitrogeninnholdet består av like mye ammonium og nitrat. Verdensproduksjonen av ammoniumnitrat er på mer enn ti millioner tonn i året. Slik gjødsel er mest brukt i Europa, Sentral-Asia og Nord-Amerika.

For bruk i gjødsel kan ammoniumnitrat kombineres med kalkstein eller dolomitt for å gi en heterogen stoffblanding, et gjødselprodukt kalt kalkammonsalpeter. Slik gjødsel inneholder rundt 27 prosent nitrogen og brukes som regel som priller, det vil si i form av små hagl. Det er mindre kjemisk reaktivt og tryggere under håndtering enn ammoniumnitrat i ren form.

Ammoniumnitrat for bruk i gjødsel kan også kombineres med kalsiumnitrat for å gi et hydratisert dobbeltsalt av kalsiumnitrat og ammoniumnitrat med den kjemiske formelen 5Ca(NO₃)₂·NH₄NO₃·10H₂O. Dette gjødselstoffet inneholder 15,5 prosent nitrogen, men nesten alt nitrogenet er i form av nitrat (14,4 prosent).

Uheldigvis brukes handelsnavnet kalsiumammoniumnitrat regelmessig om både kalkammonsalpeter, som er en mekanisk stoffblanding, og om det nevnte dobbeltsaltet av kalsiumnitrat og ammoniumnitrat, som er en kjemisk forbindelse.

Den forvirrende navngivningen og tvetydige bruken av begrepet kalsiumammoniumnitrat er utbredt både i Norge og utlandet, noe som fører til mange misforståelser. På engelsk er navnet calcium ammonium nitrate (forkortet CAN) mye brukt om kalkammonsalpeter, samtidig som samme navn regelmessig også brukes om dobbeltsaltet.

I Norge er det slik at det tradisjonsrike gjødselproduktet referert til som kalksalpeter, som tidligere var synonymt med rent kalsiumnitrat (først ble solgt under handelsnavnet Norgesalpeter), egentlig består av dobbeltsaltet mellom kalsiumnitrat og ammoniumnitrat. Dette er allikevel en akseptabel navngivning, fordi innholdet av ammoniumnitrat i kalksalpeter er såpass lite.

Fordi ammoniumnitrat kan brukes i sprengstoffer, er det strenge begrensninger på omsetningen av produkter som inneholder dette stoffet i de fleste land. Dette gjelder også gjødselprodukter der det inngår som én av flere bestanddeler i en produktblanding, slik som for eksempel i fullgjødsel.

I Norge er det strenge restriksjoner på alle gjødselprodukter som inneholder mer enn 16 prosent nitrogen i form av ammoniumnitrat. Disse skal ikke omsettes til forbrukere uten særskilt tillatelse på grunn av faren for misbruk i improviserte sprengstoffer.

Det som i dag kan gjenkjennes som ammoniumnitrat, er nevnt for første gang i 1659 i tekstene til den tyske alkymisten og kjemikeren Johann Rudolph Glauber (1604–1670). Det var imidlertid den irske naturfilosofen Robert Boyle (1627–1691) som i et verk fra 1666 for første gang tydelig beskriver ammoniumnitrat i fast, krystallinsk form.

I verkene til den tyske kjemikeren Caspar Neumann (1683–1737) fra 1730-årene omtales ammoniumnitrat under navnet Nitrum flammans, åpenbart en henvisning til stoffets evne til termisk dekomponering ved oppvarming. Dette «brennbare salpeteret», som det også ble kalt, hadde egenskaper som skilte seg vesentlig fra vanlig salpeter, altså kaliumnitrat.

Kjente kjemikere som Claude Louis Berthollet (1748–1822), Humphry Davy (1778–1829) og Marcellin Berthelot (1827–1907) undersøkte alle den termiske nedbrytningen av ammoniumnitrat i stor detalj fra slutten av 1700-tallet og fremover. De termokjemiske arbeidene til Berthelot var spesielt omfattende og betydningsfulle.

Kort tid etter at Alfred Nobel (1833–1896) hadde introdusert nitroglyserin, dynamitt og sprenghetten i sprengningsteknikken, ble ammoniumnitrat tatt i bruk som en sentral ingrediens i ulike sprengstoffer. Blant annet tok Nobel det i bruk som en bestanddel i dynamitt for å gi et produkt han kalte for ekstradynamitt.

Ammoniumnitrat selv, i ren form, var allikevel enda ikke ansett for å være noe sprengstoff. Den nederlandske kjemikeren Cornelis Lobry de Bruyn (1857–1904) påviste imidlertid i 1891 for første gang de høyeksplosive egenskapene til rent ammoniumnitrat gjennom sine forsøk. Oppdagelsen hindret allikevel ikke at ammoniumnitrat ble involvert i mange ulykker.

I de første tiårene av 1900-tallet ble det utviklet en rekke forskjellige sprengstoffer der ammoniumnitrat var en viktig bestanddel, og da spesielt sikkerhetssprengstoffene. Disse hadde hovedsakelig sivile anvendelser, men sprengstoffer som ammonal og amatol ble mye brukt også for militære anvendelser. Fra 1950- til 1970-tallet kom de moderne sprengstoffene basert på ammoniumnitrat, altså ANFO, vanngelsprengstoff og emulsjonssprengstoff.

Under første verdenskrig ble det startet opp en betydelig produksjon av ammoniumnitrat for bruk i sprengstoffer i mange land, blant annet i Norge, noe som igjen åpnet opp for bruken av stoffet som en konsentrert form for nitrogengjødsel.

Det tyske selskapet BASF, som hadde industrialisert både Haber-Bosch-metoden for produksjon av ammoniakk og Ostwald-prosessen for salpetersyre, tok her en ledende rolle. For denne bruken laget BASF en blanding av ammoniumnitrat og ammoniumsulfat, et skjebnesvangert produkt som var involvert i en stor ulykke (Oppau-eksplosjonen).

Etter Oppau-eksplosjonen ble blandingen av ammoniumnitrat og ammoniumsulfat i stor grad erstattet av en blanding av ammoniumnitrat og kalkstein. Denne blandingen ble kjent som Kalkammonsalpeter i Tyskland (samme navn som i Norge), som Nitro-Chalk i Storbritannia og som enten Cal-Nitro eller Ammonium Nitrate-Limestone (A-N-L) i USA.

Som et resultat av sterkt øket kapasitet for produksjon av ammoniumnitrat i USA under andre verdenskrig, ble rent ammoniumnitrat her innført som en kostnadseffektiv form for nitrogengjødsel i 1942–1943. Denne bruken resulterte i utviklingen av et granulert og voksbelagt materialet som var involvert i en stor ulykke (Texas City-eksplosjonene).

I Canada utviklet selskapet Consolidated Mining and Smelting Company of Canada (Cominco) under andre verdenskrig en ny form for ammoniumnitratgjødsel, laget i form av priller. Innen starten av 1950-tallet var slik prillet ammoniumnitrat blitt den klart dominerende formen for slik nitrogengjødsel, både i Canada og USA. Materialet viste seg også nyttig for sprengstoffer (se ANFO).

Verdens første fabrikk for produksjon av semisyntetisk ammoniumnitrat, det vil si ammoniumnitrat som inneholdt nitrogen bundet fra luften, ble oppført av Norsk Hydro på Notodden i løpet av 1909. Byggingen av fabrikken ble startet i mars 1909 og prøveproduksjon av ammoniumnitrat ble startet opp i desember samme år.

I fabrikken på Notodden ble salpetersyre, laget ved hjelp av Birkeland-Eydes metode i en fabrikk liggende like ved, reagert med ammoniakkvann (25 prosent), importert fra England, til å gi en vannløsning av ammoniumnitrat. Denne ble renset og deretter konsentrert ved fordampning under vakuum. Krystallinsk ammoniumnitrat ble dannet i oscillerende vippekrystallisatorer. Denne ble så sentrifugert fra moderluten, tørket og pakket.

Produksjonen på Notodden lå først på 20–30 tonn ammoniumnitrat om dagen. Materialet ble hovedsakelig brukt i sprengstoffer. Under første verdenskrig ble produksjonen betydelig utvidet. Årsproduksjonen økte fra 12 000 tonn i året i 1913–1914 til 24 000 tonn i 1916–1917. Fra 1915 laget fabrikken egen ammoniakk ved hjelp av kalsiumcyanamid fra Odda Smelteverk.

Leveransene av ammoniumnitrat fra Norge til Frankrike under første verdenskrig spilte en viktig rolle, og Frankrike fikk dekket en betydelig andel av sine behov på denne måte. Norsk Hydro var på denne tiden kontrollert av franske eierinteresser. Etter første verdenskrig avtok produksjonen av ammoniumnitrat på Notodden kraftig, og den ble lagt ned i 1934. Produksjonen ble etter hvert tatt opp i Norsk Hydro sine anlegg på Rjukan.