El nitrato de amonio o nitrato amónico es una sal formada por iones nitrato y amonio. Su fórmula es NH4NO3. Se trata de un compuesto incoloro e higroscópico, altamente soluble en agua. El nitrato de amonio es un compuesto inestable y suele ser utilizado como fertilizante. Se estima que la producción global fue de 21,6 millones de toneladas en 2017.The Hazards and Dangers of Ammonium Nitrate
Síntesis
El nitrato de amonio se obtiene por neutralización de ácido nítrico con hidróxido de amonio tras la evaporación del agua:
NH4OH + HNO3 -> NH4NO3 + H2O
En el laboratorio se puede obtener por doble descomposición entre sulfato de amonio (NH4)2SO4 y nitrato de estroncio [Sr(NO3)2], en disolución. Tras precipitar el sulfato de estroncio y filtrar la disolución que luego se evapora, se obtiene el nitrato de amonio en cristales o polvo blanco.
(NH4)2SO4{}_{(aq)} + SrNO3{}_{(aq)} -> 2NH4NO3{}_{(aq)} + SrSO4 v (blanco)
Aplicaciones El nitrato de amonio se utiliza sobre todo como fertilizante por su buen contenido en nitrógeno. El nitrato es aprovechado directamente por las plantas mientras que el amonio es oxidado por los microorganismos presentes en el suelo a nitrito (nitrosomonas) o nitrato (nitrobacter) y sirve de abono de más larga duración.
Una parte de la producción se dedica a la producción del óxido nitroso (N2O) mediante la termólisis controlada:
NH4NO3 -> 2 H2O + N2O
Esta reacción es exotérmica y puede ser explosiva si se lleva a cabo en un contenedor cerrado o calentado demasiado rápido. En el año 2000 se realizó por parte de EFMA, un compendio de ocho volúmenes que presentaban los "Mejores procedimientos industriales disponibles para la prevención de la producción y el control en la industria de fertilizantes europea", en respuesta a las normativas europeasDirectiva 96/91/ CE del Consejo de 24 de septiembre de 1996 relativa a la prevención y control integrados de la contaminación, IPPC y Decisión de la Comisión, de 17 de julio de 2000, relativa a la realización de un inventario europeo de emisiones contaminantes con arreglo al artículo 15 de la Directiva 96/61/CE del Consejo. y españolas.Ley 16/2002 de 1 de julio, de prevención y control integrados de la contaminación y Real Decreto-Ley 5/2004, de 27 de agosto, por el que se regula el régimen del comercio de derecho de emisión de gases de efecto invernadero.
En la actualidad, existen en Europa, según EFMA, en torno a diez métodos diferentes para la producción industrial del nitrato de amonio en sus diferentes riquezas, no existe un único procedimiento que pueda ser considerado como el más ventajoso respecto al resto, debido fundamentalmente a dos razones: Las consideraciones comerciales influirán en la elección de un proceso u otro. Se puede obtener el mismo producto, con características similares mediante la utilización de métodos distintos.
Por ello se incidirá en primer lugar de manera general sobre cada uno de los pasos del proceso, estableciendo a continuación las mejores soluciones que existen para resolver los problemas planteados.
En México, es un producto regulado por la Secretaría de la Defensa Nacional (SEDENA) con medidas claras y rigurosas bajo la "Ley Federal de Armas de Fuego y Explosivos"SEDENA: "Ley Federal de Armas de Fuego y Explosivos" así como su Reglamento.SEDENA: "Reglamento de la Ley Federal de Fuego y Explosivos"
Fertilizante El nitrato de amonio es un importante fertilizante etiquetado con el código NPK 34-0-0 (34% en nitrógeno). Está menos concentrado que la urea (46-0-0), dando al nitrato de amonio una pequeña desventaja en el transporte. Como ventaja el nitrato amónico es más estable que la urea y no pierde rápidamente el nitrógeno en la atmósfera. Se sirve en gránulos compactos cuando se usa como fertilizante, lo cual mejora su estabilidad. La mayor parte de la producción se destina a este fin. La sal resultante del nitrato amónico al disolverse en agua puede ser absorbida con facilidad por las plantas.
Explosivos El nitrato de amonio es un ingrediente en ciertos explosivos. Ejemplos de explosivos conteniendo nitrato amónico incluyen: Astrolite (nitrato amónico e hidracina) Amatol (nitrato amónico y TNT) Ammonal (nitrato amónico y polvo de aluminio) Amatex (nitrato amónico, TNT y RDX) ANFO (nitrato amónico y fuel oil) DBX (nitrato amónico, RDX, TNT y polvo de aluminio) Tovex (nitrato amónico y nitrato de metilamonio) Minol (nitrato amónico, TNT y polvo de aluminio) Goma-2 (Nitrato amónico, nitroglycol, nitrocelulosa, ftalato de dibutilo y fuel)
En estado puro es también un explosivo, aunque bastante insensible hasta que alcanza temperaturas elevadas. El aluminio en polvo mezclado le aporta energía a la onda de choque, pero con cierta disminución de la onda explosiva.
Mezcla con fuel oil ANFO es un explosivo resultado de mezclar un 94% de nitrato amónico ("AN") y 6% de fuel oil ("FO") ampliamente usado como explosivo industrial. Es utilizado en minería de carbón, minería a cielo abierto, minería de metal y obra civil donde las ventajas del bajo coste del ANFO y facilidad del uso superan a los beneficios ofrecidos por explosivos industriales convencionales, como son la resistencia al agua, el balance de oxígeno, la velocidad de detonación y su capacidad de trabajo en pequeños diámetros.
Industria química El nitrato de amonio es también utilizado en: Tratamiento de minerales de titanio Preparación de óxido nitroso En kits de supervivencia ya que mezclado con Zinc en polvo y cloruro de amonio se encenderá en contacto con el agua Para producir amoníaco anhidro, un producto químico de uso frecuente en la anfetamina.
Usos especializados El nitrato amónico es usado en algunos packs de frío instantáneo ya que diluido en agua es altamente endotérmico. También es usado, en combinación con explosivos "fuels" como el nitrato de guanidinaAirbag Compound Has Vexed Takata for Years – The New York Times como una barata (pero menos estable) alternativa a la aminotetrazola-5, un inflador para airbags producido por la Corporación Takata. Posteriormente se descubrió que era inseguro al matar a 14 personas.A Cheaper Airbag, and Takata's Road to a Deadly Crisis. – The New York Times
Una solución de nitrato amónico con ácido nítrico conocida como Cavea-b se convirtió en una mezcla prometedora para ser usada como combustible para cohetes, al ser más energética que la hidracina. Después de algunos ensayos realizados en los años 1960 la sustancia no fue adoptada por la NASA.
Procesos de fabricación
La reacción entre el amoníaco y el ácido nítrico es irreversible, completa, instantánea, exotérmica y admite cualquier termodinámica o discusión cinética. El calor de reacción depende de la concentración de ácido nítrico usado y de la solución producida de nitrato de amonio, pues la disolución cuanto más concentrada está, mayor es el calor de reacción. Dicho calor de reacción se puede utilizar para producir la evaporación del agua de la solución de nitrato de amonio y además para producir vapor.
El nitrato de amonio puro sufre una descomposición endotérmica a 169 °C y tiene un punto de ebullición de 230 °C. La concentración del ácido nítrico usado normalmente es de 55 a 65 %, mientras su punto de ebullición a presión atmosférica es de 120 °C, más bajo por tanto que la solución producida de nitrato de amonio, soluciones altamente concentradas manifiestan altos puntos de ebullición y de congelación. Lo primero puede causar altas temperaturas y por tanto operaciones peligrosas y lo segundo bloqueo de las tuberías.
El nitrato de amonio conservado a 100 °C por un largo periodo de tiempo sufre una descomposición termal hacia amoníaco y ácido nítrico, descomposición que a más de 185 °C puede producir una explosión peligrosa. La solubilidad de amoníaco en agua decrece rápidamente cuando aumenta la temperatura y la alta volatilidad de los componentes y la descomposición de la sal producida conduce fácilmente a pérdidas ambientales y problemas de corrosión. El control de las variables de la reacción (temperatura, presión, calor utilizado y concentraciones de ácido nítrico y nitrato de amonio) y los detalles de construcción, logran la utilización del máximo calor, generándose una mezcla fundida sin adición de calor externo que al mismo tiempo asegura unas condiciones, todo con el mismo equipo y consumo de energía, en las que se consigue la mayor producción posible y una alta calidad del producto.
El proceso de obtención de nitrato de amonio básicamente consta de los siguientes pasos: La neutralización del amoníaco con el ácido nítrico. La evaporación de la solución neutralizada. El control del tamaño de las partículas en la cristalización y las características del producto seco.
Neutralización
Es una reacción instantánea y altamente exotérmica, como se ha visto anteriormente, con un producto de reacción inestable pero podemos obtener una buena realización industrial cuando se dan las siguientes condiciones:
Mezcla excelente de los reactivos. Control estricto del pH, los sistemas modernos utilizan un control automático del mismo, mediante dos válvulas automatizadas, se va controlando la proporción teórica que necesitamos de amoníaco y de ácido nítrico en el reactor. Control de la temperatura en el reactor, para evitar sobrecalentamientos locales pues cuanto mayor es la temperatura en el reactor, más importante es mantener el valor de pH constante y de evitar la introducción en el mismo de cloruros, metales pesados y compuestos orgánicos, pues existe riesgo de explosión. También se ha de controlar para: Evitar pérdidas en los reactivos, ya que ambos especialmente el amoníaco son considerablemente volátiles y podrían por tanto, escaparse junto al vapor de agua generado si la temperatura subiera indebidamente. Impedir que se presenten riesgos de descomposición del producto.
La temperatura de reacción se controla por medio de la debida regulación de la adición de los reactivos, por extracción del calor generado y en casos extremos, añadiendo agua (condensados) al contenido del neutralizador. Si bien pueden eliminarse prácticamente las pérdidas del ácido solo por medio del control de la temperatura de reacción, no ocurre lo mismo con las pérdidas de amoníaco, debido a su mayor volatilidad. Por esto, es necesario tomar medidas adicionales. En algunos procesos se añade, para este propósito un ligero exceso de ácido sobre la cantidad estequiométricamente requerida. En otros, el neutralizador funciona totalmente lleno de líquido, lo cual hace factible, mantener en él una presión de varias atmósferas, muy por encima de la presión de vapor de la solución.
En la práctica los procesos comerciales difieren en dos puntos principales, en la mezcla y en le control de la temperatura, siendo ésta la característica más importante. Los parámetros de la reacción y la construcción adoptada en la neutralización definen toda una línea de producción: ácido precalentado, evaporación de amoníaco y evaporación del agua restante (parcial o totalmente) puede ser realizados mediante el calor recuperado en la neutralización.
Tipos de neutralizadores
Según la temperatura de la zona de reacción
Se dividen los neutralizadores en tres grupos de acuerdo con la temperatura de la zona de reacción, los cuales pueden trabajar:
Por debajo del punto de ebullición atmosférico. En el punto de ebullición atmosférico. Sobre el punto de ebullición de las soluciones de nitrato de amonio.
Neutralizadores que trabajan por debajo del punto de ebullición atmosférico, son métodos de baja temperatura y presentan ventajas tales como: La baja temperatura origina menores problemas de corrosión. La pérdida material es menor y la seguridad operacional es buena.
También tienen algunos inconvenientes, como: El vacío flash complica algo el equipo y dependiendo de su complejidad, aumenta la inversión y el consumo de energía.