La chimica-fisica nell’esplosione di Beirut

Ieri, 4 Agosto 2020, siamo tutti stati testimoni, grazie alle immagini che ci sono giunte attraverso i vari canali internet, della esplosione che ha fatto tanti morti e feriti in Libano. Qui sotto un filmato preso da YouTube in cui si vedono diverse prospettive dell’esplosione.

Questo articolo non vuole essere di carattere politico, né avallare alcuna ipotesi sulle cause dell’esplosione. In questa sede voglio solo prendere in considerazione la chimica-fisica che c’è stata dietro l’esplosione attribuita da diverse fonti giornalistiche al nitrato di ammonio.

il nitrato di ammonio è ben noto come fertilizzante.

Come fertilizzante, il nitrato di ammonio (NH4NO3) è veramente efficiente. Si tratta di un sale con una solubilità in acqua, a 20°C, di circa 1900 g per litro . Quando viene disposto sul suolo, esso si scioglie nella soluzione circolante (ovvero l’acqua che è lì presente) dissociandosi in anione nitrato (NO3) e catione ammonio (NH4+).

Dei due ioni, il nitrato, la forma di azoto direttamente disponibile per la nutrizione vegetale, può essere perso facilmente per lisciviazione, mentre l’ammonio rimane legato ai colloidi del suolo e si può perdere per volatilizzazione attraverso la sua conversione in ammoniaca. La sua maggiore capacità di rimanere legato ai colloidi del suolo dà il tempo ai microorganismi di poterlo convertire in nitrato e, quindi, renderlo disponibile per le piante.

Ma non è certo per una lezione sui fertilizzanti che sto scrivendo questo post.

Il nitrato di ammonio si decompone termicamente a protossido di azoto (N2O) e acqua fino a una temperatura di circa 250 °C:

NH4NO3 → N2O + 2 H2O

Al di sopra di questa temperatura avviene un’altra reazione:

2 NH4NO3 → O2  + 2 N2 +  4 H2O

Come si vede, entrambe le reazioni producono dei gas (N2O, N2 e O2). Anche l’acqua riportata nelle reazioni anzidette non si presenta in forma liquida, ma sotto forma di vapore alle temperature ben al di sopra dei 100 °C che servono per innescare le reazioni descritte.

Adesso facciamo due conti facili facili e cerchiamo di capire quanto gas si produce.

Se partiamo da 1.00 g di nitrato di ammonio, corrispondenti a 0.0125 mol, si ottengono, dalla prima reazione, il medesimo numero di moli di protossido di azoto (che corrispondono a 0.550 g di prodotto) e il doppio delle moli di acqua, ovvero 0.450 g di acqua sotto forma di vapore.

Se la temperatura aumenta oltre i 250 °C, dalla seconda reazione si ricava che 1.00 g di nitrato di ammonio si trasforma in 0.350 g di azoto molecolare, 0.200 g di ossigeno molecolare e 0.450 g di acqua sotto forma di vapore.

Su tutti i giornali si legge che la quantità di nitrato di ammonio stoccata nel porto di Beirut fosse di circa 3000 ton, ovvero 3 x 109 g (si legge 3 miliardi di grammi). È facile, a questo punto, calcolare che se la prima reazione (quella in cui si produce protossido di azoto e acqua) fosse stata l’unica responsabile della deflagrazione, si sarebbero ottenuti circa 1.4 x 103 tonnellate di acqua e circa 1.6 x 103 tonnellate di protossido di azoto. Se, invece, solo la seconda reazione fosse stata responsabile della deflagrazione si sarebbero ottenuti circa 1.4 x 103 tonnellate di acqua, 1.0 x 103 tonnellate di azoto molecolare e circa 0.6 x 103 tonnellate di ossigeno molecolare.

È intuitivo pensare che entrambe le reazioni abbiano avuto luogo, assieme a tante altre di cui però non si conosce la natura (per esempio, c’erano tubazioni di gas? oltre al nitrato di ammonio quante altre sostanze potenzialmente esplodenti potevano essere presenti? etc. etc.). In definitiva, provate a comprimere in uno spazio ristretto come quello di un capannone o di un deposito, dove sono già presenti altri gas, ovvero quelli atmosferici, le tre tonnellate complessive di gas ad alta temperatura ed in espansione e vi renderete conto del perché si è avuto l’effetto devastante osservato nel filmato che ho messo all’inizio dell’articolo.

Ma facciamo parlare i numeri.

La temperatura sviluppata durante la detonazione del nitrato di ammonio è all’incirca di un migliaio di gradi centigradi (Fonte). Considerando il numero totale di moli dei diversi gas sviluppati ed applicando banalmente la legge dei gas ideali (per avere solo qualitativamente idea della forza per unità di superficie sviluppata durante l’esplosione) si ottiene una pressione di circa 1.1 x 104 atm.  Per darvi solo un’idea di cosa significhi una pressione del genere, immaginate di scendere sott’acqua. Ogni 10 m, la pressione esercitata dalla massa di acqua che circonda il vostro corpo aumenta di una atmosfera. Per arrivare a circa 11000 atmosfere dovete scendere a una profondità approssimativa di circa 110 km. Il punto più profondo che si conosca è la fossa delle Marianne a circa 11 km dalla superficie dell’oceano Pacifico. La fossa delle Marianne è individuata dal puntino rosso che vedete in Figura 1.

Figura 1. Fossa delle Marianne. La sua profondità è di circa 11 km

Impressionante!

Il fungo “atomico”.

Qualcuno ha paragonato il fungo bianco che si osserva nel filmato all’inizio dell’articolo a quello prodotto da un’esplosione atomica. In realtà le cose stanno diversamente.

Un’esplosione atomica sarebbe stata seguita da una contaminazione radioattiva che avrebbe messo in allarme tutti i paesi nelle vicinanze del Libano, inclusa l’Italia. Per quanto è dato sapere, fino ad ora non pare siano state previste precauzioni per contaminazione nucleare come quelle che furono adottate all’indomani dei disastri della centrale di Chernobyl o di quella di Fukushima.

Allora cos’era quel fungo bianco?

Vi ho spiegato più su che le reazioni di degradazione del nitrato di ammonio hanno prodotto tonnellate di gas (incluso il vapor d’acqua) che si sono espanse prima nel capannone dove il sale era conservato e poi nell’atmosfera. La forza esercitata dalle molecole dei vari gas prodotti durante le reazioni di decomposizione termica del nitrato di ammonio ha generato un’onda che si è propagata molto velocemente. L’elevata velocità dell’onda ha compresso molto rapidamente tutte le molecole di gas presenti in atmosfera, incluse quelle dell’acqua sotto forma vapore. Come conseguenza, molto verosimilmente, si è avuta una rapida condensazione di queste ultime con formazione della nuvola bianca osservata. Nelle condizioni atmosferiche di Beirut al momento dell’esplosione, la nuvola bianca ottenuta verosimilmente  per condensazione delle molecole di acqua vapore si è, poi, rapidamente dissipata.

Il fenomeno osservato non è né più né meno che quello che accade quando un aereo supersonico abbatte la barriera del suono generando una nuvola di acqua condensata intorno a se stesso. Ma di questo ho parlato in un altro articolo.

Più veloci del suono

Aggiornamento in tempo reale.

Mi fanno giustamente notare che un’altra possibile reazione di degradazione termica del nitrato di ammonio è:

4 NH4NO3 → 2 NH3 + 3 NO2 + NO + N2 + 5 H2O

In questa reazione si ha la formazione del biossido di azoto e dell’ammoniaca che sono altri gas che vanno ad aggiungersi a quelli già descritti. In più essi sono anche tossici. A quanto pare, dalle ultime notizie, è stata consigliata l’evacuazione di quella parte di Beirut coinvolta nell’esplosione. Questo si potrebbe giustificare non solo per il pericolo dovuto alla instabilità delle abitazioni, ma anche a quello dovuto alla contaminazione dell’aria. Inoltre, il biossido di azoto è un gas rossastro e questo giustificherebbe il colore che si vede dopo la dissipazione della nube bianca. Bisogna anche dire, però, che il colore rossiccio potrebbe essere dovuto anche ad altro. Ne ho parlato anche in un altro articolo:

La chimica dei giochi pirotecnici

Aggiornamento n. 2

Ho fatto un po’ di calcoli. L’esplosione di Beirut potrebbe aver sprigionato un’energia di circa 1.26 kT (si legge kilotoni). Qui trovate informazioni un po’ più dettagliate su questa unità di misura. La bomba atomica di Hiroshima sprigionò un’energia di circa 15 kT (riferimento). In pratica, la potenza dell’esplosione di Beirut potrebbe essere stata circa l’8 % di quella di Hiroshima. Aspettiamo, ovviamente, le valutazioni degli esperti.

Disclaimer

Quanto ho scritto in questo articolo si basa sulle informazioni lette sui principali quotidiani che attribuiscono la responsabilità dell’esplosione di Beirut al nitrato di ammonio. I miei calcoletti mi permettono di dire che è plausibile. Una quantità elevata di nitrato di ammonio conservata in un luogo chiuso può dar luogo a degli effetti devastanti. Resta, naturalmente, da capire come mai si siano innescate le condizioni che hanno portato alla decomposizione termica del nitrato di ammonio. Ma questo è un lavoro che devono fare gli investigatori.

Ringraziamenti

Devo dire che questo articolo ha ricevuto un grande successo. Nel momento in cui scrivo questi ringraziamenti, l’articolo ha raggiunto oltre 40000 lettori. Molti mi hanno fatto notare errori ed incongruenze. Li ringrazio veramente tantissimo uno per uno. Mettere i nomi di tutti è impossibile perché critiche e commenti sono sparsi un po’ ovunque ed è difficile ritrovarli tutti. Sappiate solo che cerco di leggere tutto e di tener conto di tutto quello che mi fate notare. Questo articolo non è più solo mio, ma di tutti quelli che hanno contribuito al suo miglioramento.

Altre letture

L’ennesima strage da trascuratezza chimica.

Molecole a due facce

Incidente di Tianjin.

Il Disastro di Texas City

Il Disastro di Halifax

Chimica e fisica degli incendi (documento dei vigili del fuoco)

Fonte dell’immagine di copertina

 

42 risposte a “La chimica-fisica nell’esplosione di Beirut”

  1. Sentivo un commento ieri sera a Radio24 di un esperto in demolizioni controllate che affermava che con calcoli molto grossolani che se fossero esplose tutte e le 2750 tonnellate di nitrato di ammonio Beirut non ci sarebbe più, secondo i suoi calcoli ne sono esplose circa 10 tonnellate. Asseriva anche che il nitrato di ammonio è estremamente stabile, tanto è vero che in letteratura non si riporta alcun incidente in 200 anni e che nemmeno dopo additivazione opportuna è ad innesco facile (un po’ come incendiare gasolio), per cui escludeva categoricamente l’incidente industriale.

    1. Ma se la maggior parte degli attentati terroristici nei decenni scorsi, in Italia come nel mondo, sono stati fatti con ANFO, che altro non è che una mistura di nitrato di ammonio e carburante…Certo ci vuole anche un innesco deflagrante, ma si vede bene nelle immagini prima dell’esplosione di Beirut che erano in corso numero detonazioni minori. Che poi non ci sia stato nessun incidente con nitrato di ammonio in 200 anni è assolutamente falso, basta controllare in letteratura…anche wikipedia, senza doversi andare a leggere Journal of Hazardous Materials.

  2. Speriamo che le indagini facciano chiarezza, io ho forti dubbi; a difesa delle autorità che non hanno capito quanto la lentezza di azione fosse deleteria, penso che il sale, una volta scaricato e stoccato si sia, per le sue caratteristiche chimico-fisiche indurito cementandosi (è successo spesso in passato con conseguenze disastrose) al punto da rendere impossibile altri interventi e quindi sia stato “dimenticato” ; sarebbe interessante chiedere alle maestranze del porto ulteriori particolari in merito alla vicenda

  3. Grazie della spiegazione molto interessante.
    3 osservazioni da non conoscente:
    1) il nitrato di ammonio bruciando non è giallo?
    2) le varie piccole esplosioni che cosa possono essere?
    3) la potenza sviluppata potrebbe essere molto stimata visto che nel 1947 ci fu il disastro di Texas City. Nel porto era presente una nave con 2300 tonnellate di nitrato di ammonio che esplose e dal quale scaturi una esplosione di 3.8 chilotoni. La potenza dell’esplosione fu non molto inferiore a quella di ciascuna delle due bombe atomiche sganciate due anni prima sul Giappone.

    1. Grazie a lei per aver letto. Cerco di rispondere punto per punto.
      1) No. La degradazione del nitrato di ammonio produce, tra le altre cose, biossido di azoto che è rossastro.
      2) non lo so. I giornali parlano dello scoppio di fuochi di artificio in una fabbrica vicina che si è incendiata
      3) La potenza delle esplosioni di Hiroshima e Nagasaky fu all’incirca di 15 kT. Quindi 3.8 kT è molto più bassa come potenza rispetto alle bombe sganciate sulle città anzidette. La potenza dell’esplosione di Beirut, come ho scritto, è circa di 1 kT

  4. Gentile professore,
    e invece secondo i suoi calcoli quella quantità di nitrato di ammonio potrebbe essere in qualche modo compatibile con un’esplosione da circa 3 kilotoni?

    https://twitter.com/lpachter/status/1290731375646056448

    E un’altra domanda: che libertà c’è nel definire il nitrato di ammonio? Mi spiego. Fino a che misura di miscelazione si può definire comunque nitrato di ammonio? Intendo dire: vengono utilizzate in minime parti altre componenti senza necessità di specificazioni? In che misura?

    La ringrazio

    1. Come ho scritto alla fine dell’articolo, la potenza della detonazione è di circa 1 kT, non 3 kT. Non capisco la seconda parte della sua domanda. Il nitrato di ammonio resta tale qualunque sia la sua concentrazione nelle varie miscele. Queste possono avere nomi diversi che dipendono dalla fantasia di chi fa le miscele

      1. Intendo dire: è consentito un livello di impurità? Spesso si definiscono “x” sostanze che sono “x” al 96% o al 95%. Vale anche per il nitrato di ammonio?

        Quanto ai kilotoni, mi chiedevo se qualche fattore casuale (la presenza del granaio etc) potesse giustificare un valore di 3 kilotoni invece che 1,3.

        1. Sì, certo che sono consentite impurità. In genere, come fertilizzante, il nitrato di ammonio non si usa come prodotto puro. Non ho idea in merito ai kilotoni. C’è qualcuno che ha detto che la detonazione ha avuto una potenza di 3 kT?

          1. Uno studente MIT ha fatto il calcolo. Da quel che vedo, inizia a essere assunto come dato di riferimento (per esempio Wikipedia riporta un’esplosione da 12 Terajoules). Alla luce di questa stima, il suo calcolo diventa estremamente interessante. Non conosco i margini di confidenza in Chimica ma potrebbe aver stimato un dato molto rilevante.

            https://twitter.com/sinabooeshaghi/status/1290727092884299778

  5. Ottimo articolo. Sicuro che la nube bianca non fosse composta anche da ammoniaca? È un classico il muro di nebbia bianco di ammoniaca in certe realtà industriali.

    1. L’ammoniaca alla temperatura della detonazione non condensa; lo fa l’acqua come accade durante il superamento del muro del suono da parte degli aerei. Nelle realtà industriali, al giorno di oggi, mi sembra strano che ci possa essere immissione di ammoniaca in atmosfera. L’ammoniaca è tossica. Nessun governo, retto da gente con un po’ di onestà intellettuale, potrebbe permettere una cosa del genere

  6. Nitrato d’ammonio peso specifico 1,72 g/cm³ cioè 1,72 tonnellate per ogni m³
    vedi https://it.wikipedia.org/wiki/Nitrato_d'ammonio

    2700 tonnellate / 1,72 Ton/m³ = 1569,7674 m³

    Volume di un container da 40 piedi alta capacità 76 m³
    ma può contenere solo 27 tonnellate di carico
    vedi https://www.logimar.it/too…/containers/dimensioni-container/

    quindi se ogni container può contenere solo 27 tonnellate
    2700 tonnellate di nitrato di ammonio richiedono 100 containers

    come dice Danilo Coppe… e (sempre wikipedia) a proposito dell’esplosività…

    “Dato il suo bilancio di ossigeno positivo e il costo poco elevato, costituisce la base per numerose miscele esplosive; inoltre la sua bassissima sensibilità all’innesco rende gli esplosivi che lo contengono adatti a usi civili o dove sia richiesta una grande sicurezza d’uso. Dà luogo ad un’esplosione relativamente poco esotermica e questo rende il loro utilizzo sicuro nelle miniere”

    Per la sensibilità all’innesco (se è bassa allora “scoppia” più difficilmente) e la necessità di miscelare il nitrato di ammonio con altri composti per ottenere un esplosivo appartenente agli “ANFO” questo pdf (trovato cercando “sensibilità all’innesco”)
    https://prof6ghetti.weebly.com/…/1_caratteristiche_degli_es…

    1. Non ho capito il senso di questo commento, onestamente. L’esperto di esplosivi ha fatto una intervista in cui utilizza troppi “credo” e troppi “secondo me”. Inoltre, non si fa un’indagine su una detonazione sulla base dei colori che si vedono in televisione. Infine, come ha tenuto a precisare lui stesso, non ha alcun elemento per poter concludere qualcosa. Quindi, di cosa stiamo parlando? A parte i riferimenti a wikipedia, lei può contestare nel merito i calcoli che ho fatto per dire che il nitrato di ammonio non può provocare quella devastazione?

    2. Servirebbero 300 container visto che fisicamente non li riempi per intero coi big bag in cui viene trasportato il nitrato di ammonio

  7. Articolo ben fatto e chiaro.
    Io sapevo che il nitrato di ammonio è un composto stabile ed uno dei principali motivi per cui viene impiegato in maniera così diffusa, quindi come è possibile che stando depositato in un magazzino abbia raggiunto le condizioni che hanno portato alla sua decomposizione e all’innesco del composto?

  8. buonasera , e se i calcoli da lei fatti non fossero corretti non perché sbagliati da lei ma perché la verità’ e’ un altra? prendiamo per esempio che il nitrato di ammonio non fosse il colpevole e che invece fosse stata una bomba termobarica situata all’interno dei magazzini è fatta detonare con un dispositivo a distanza o dai fuochi del deposito dei fuochi d’artificio , l’onda d’urto collimerebbe con la distruzione paesaggistica ? Mi risulta poco credibile la tesi del nitrato …

  9. Davvero complimenti per l’articolo. Potrei tradurne una parte in inglese? Mi piacerebbe condividerlo ovviamente citandola saluti AZ

  10. Non impariamo dalla storia, purtroppo. Cercate “ammonium nitrate disasters”. Ce ne sono stati altri 30 dal. 1916 ad oggi, con un numero di vittime a volte ingente.

  11. L’incidente di Tolosa nel 2001 dove il quantitativo di nitrato di ammonio era di circa 300 t, non ha evidentemente insegnato nulla a queste persone sulle precauzioni da adottare per l’immagazzinamento di questa sostanza

  12. Giustappunto, la mia prima riflessione è “cosa ci faceva tutto quel materiale in una zona trafficata/popolosa” e quindi potenzialmente in pericolo? Non riesco a capire una simile superficialità… Anche solo una probabilità su centomila avrebbe dovuto consigliare molta più prudenza.

  13. Dal colore della fiammata (rosso e giallo) un esperto di esplosivo diceva che c’era sodio e litio nel deposito,quindi armamenti e non ammonio nitrato.

    1. Caro Gianluca,
      Non sono esperto di esplosivi. La mia unica esperienza ma da lontano e lontano nel tempo risale a quanto ho fatto il militare. Posso solo far notare che il litio è presente anche nelle batterie, mentre il sodio, in pratica, è ubiquitario. Se un esperto di armi dice questo, gli credo. Spero solo che non giudichi la tipologia di un’esplosione solo dai colori, però 🙂

    2. L’esperto confonde il colore dei gas con quello delle emissioni luminose caratteristiche di ioni di litio e sodio eccitati termicamente. Quest’ultimo è il principio su cui si basa la discriminazione qualitativa di alcuni elementi, con spettri di emissione caratteristici, nei vecchi saggi alla fiamma). Secondo me non è tanto esperto.

  14. c’è un altro aspetto tragicomico che andrebbe aggiunto al tuo interessante post. L’N2O è anche detto gas esilarante. Credo che a nessuno sia sia messo in quella situazione a ridere irrefrenabilmente.
    P.S. a mio giudizio c’è un piccolo refuso nell’articolo: “le tre tonnellate complessive di gas” forse sono un po’ pochine stando ai tuoi calcoli.

  15. Grazie infinite.
    Ma è plausibile e da responsabili, secondo te, un deposito di tale quantità di sale di nitrato d’ammonio in una città. Quanta terra poteva essere concimata con simile quantità?

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