剧烈但重要的反应

奥帕乌爆炸的图片

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1921年,德国奥帕乌的主要街道在附近的巴斯夫工厂发生2000吨硝酸铵爆炸后严重受损。大约600人丧生

大约每月一次,我设置的谷歌新闻提醒中会出现化学实验室发生事故的报告。原因通常是相同的:废物容器中的硝酸,有人无意中加入了一些丙酮漂洗废物或其他有机溶剂,造成爆炸,破坏了引擎盖。这证明了浓硝酸作为反应物的力量——化学家通常用它来在分子中添加氮,工业上也利用它来进行化学过程。

硝化对现代生活和化学本身的历史和重要性怎么估计都不过分。诺贝尔奖来自阿尔弗雷德·诺贝尔(Alfred Nobel)的财富,他在硅藻土中稳定了硝酸甘油,制成了炸药;硝酸和甘油反应制成硝酸甘油。你不能只使用任何硝酸,比如你实验室里那个红色瓶盖的浓硝酸。相反,你必须使用“白色发烟硝酸”,它含有95%的硝酸,不含任何黄色或棕色氮氧化物。

破坏性的化肥

虽然硝酸盐酯作为炸药创造了历史,但其他形式的硝酸盐无处不在。硝酸铵是一种常见的肥料,含有植物生长所需的氮;它是由氨和硝酸的简单反应制成的。它也有大规模工业爆炸的不幸历史,包括1921年德国奥帕乌(Oppau)爆炸和1947年美国德克萨斯城(Texas City)的灾难。2013年,德克萨斯州韦斯特市的一个硝酸铵仓库附近发生火灾,随后的爆炸造成15人死亡,并摧毁了该镇的大部分地区。

因此,毫不奇怪,布雷特里克的信息参考反应性化学品危害手册对硝化相关的风险有这样严峻的陈述:“最广泛和破坏性最强的工业单元过程操作。这是因为在某些情况下,硝酸可以完全且高度放热地转化为气体。”

尽管如此,全球每年仍有数百万吨产品被硝化。硝酸和其他硝化剂用于生产活性药物成分的中间体(因为硝基仍然是将氮安装到分子中的一种很好的方式)。在家具和合成纤维中发现的非常常见的聚氨酯使用两种单体,需要芳香族硝化反应发生;在亚甲基二苯基二异氰酸酯的例子中,苯被单硝化生成硝基苯,硝基苯随后被还原为苯胺。对于甲苯二异氰酸酯,甲苯被硝化后还原为胺官能团。

浪费

工业规模的硝化使用硝酸和硫酸的混合物。硫酸对反应产生的水起到催化剂和脱水剂的作用。如果你正在处理数百万吨的硝酸和硫酸,你会担心废物处理。处理几千升的酸并不难——你可以简单地用烧碱等便宜的碱中和酸,然后把它运走处理。然而,如果你处理的是一车厢的硝酸和硫酸,你最好将酸再生并回收到这个过程中。这需要很多专门的设备,但总比把时间花在中和上要好。

废物并不是硝化工厂遇到的唯一困难——你还需要考虑反应堆中的腐蚀问题。虽然选择正确的建筑材料是至关重要的,但你仍然需要考虑检查你的设备,看看硝酸是否已经侵蚀了表面。令人惊讶的是,在表面涂上PTFE可能不足以起到保护作用,因为经常溶解在硝酸中的氮氧化物可以穿透这一层。检查腐蚀的早期迹象可能是费力的,并且肯定需要停机和维护工作。然而,这比泄漏的不同方式要好得多——有时是轻微的压降,有时是一股酸流从反应堆中倾泻到工厂地板上。

如果你不打算制造数百万吨的硝化材料,还有很多更新的技术可以考虑。用于硝化的流动装置是安全进行公斤级硝化的完美设置,因为它们被设计用来控制温度,也可以防止大量的反应物在任何时间发生硝化。只要记得在过程结束时隔离硝酸废物!