易爆炸化學品官能團以及爆炸防范

舒理建，張方明，何天強，胡 建，盧鑫鑫

（浙江普洛康裕制藥有限公司，浙江 東陽322118）

在化學行業的實驗室、車間、倉庫和運輸化學品的車輛中都存在著發生事故的風險，包括氣體的逸出、液體的泄漏、燃燒、爆炸、人員中毒（包括急性和慢性的過程）和肢體受傷等[1]。其中最嚴重的后果來自于化學品的爆炸，可以造成大規模的人員傷亡、財產損失和環境污染[2-3]；已經發生的事故案例表明，爆炸可涉及數10 千米的巨大范圍。此外，和其它事故相比，爆炸是一個突發的過程，沒有機會和時間采取應急阻止和搶救的可能性。即使發生的燃燒、急性中毒也都存在一個疏散人員和撤離現場的可能性。所以，生產化學品單位的負責人和技術人員必須把防止爆炸的發生作為安全計劃的首要任務。

1 爆炸化學物質及官能團

1.1 爆炸化學物質

具有爆炸性的化學物質都是具有相類似的、十分接近的化學基本結構。這些結構，包括基本的骨架、元素的組成和附加的官能團儲藏有大量能量，一旦誘發就能在瞬間釋放出這些儲藏著的能量。釋放出氣體，其體積是原母體化合物數千倍乃至數萬倍，并伴隨有熱量、聲音，造成嚴重的后果。

這類物質可以分成2大類：爆炸性物質和爆燃性物質。前者稱為高爆炸物，伴有超音速的燃燒化學反應；后者是低爆炸物，常伴有亞音速的燃燒反應。后者的危害性要小得多。這2類反應可以由單一物質發生，也可以在混合物中發生；但都必須要有一個誘發源。誘發源可以是加熱、點火、通入電流、攪拌或者敲擊[4-5]。這種爆炸反應顯然可以是主動誘發的，即有目的地去誘發和控制的過程，如長期以來被人類廣泛應用的黑色火藥和三硝基甲苯（TNT）發生的爆炸；也可以是被動地被誘發，這就是事故。后者是我們必須要預防的。迄今已經知道會發生爆炸的化學物質有103種，詳見表1。

但須知道，這并不意味此表已經包括所有可能會發生爆炸的化學物質。不少具有爆炸潛能的化學物質的潛勢不如上述103個化合物那么大，但在一些獨特和惡劣外部環境下也可能發生爆炸，或者發生上述提及的爆炸反應。由于爆炸的本質在于化合物中貯藏著的高度勢能，從它們的結構上分析可以得出結論，高度勢能來自于不飽和鍵以及多個不飽和鍵的共軛形式的存在。這些不飽和鍵可以包括碳碳雙鍵和三鍵、碳氮雙鍵和三鍵、碳氧雙鍵、碳硫雙鍵、氮氧雙鍵、氮氮雙鍵和三鍵、過氧鍵、臭氧鍵、鹵素原子和氧的多鍵等。

1.2 爆炸化學官能團

化學研究和生產中應用著數百萬個甚至數千萬個復雜結構的各不相同的化合物，不可能對他們逐一進行篩選和檢測化學潛能、爆炸條件和爆炸的烈度，因此一個實用、簡單的方法是在應用某個化合物時觀察它的化學結構和所附著的官能團。

表1 發生爆炸的化學物質Tab 1 Explosive chemicals

表2列出了高能量的化學官能團結構。

一旦發現某個化合物具有共軛的不飽和鍵體系并且附著有表2中列出的官能團，那么要進行的化學反應必須要高度警惕。具體的注意事項應是反應不宜在高溫下進行，不宜采用高速的攪拌，不宜高度濃縮蒸干；在轉移固體產品時和烘干產品時不可以挖掘和碰撞；在實驗室中則可以設置安全擋板，在車間設備上必須設置超壓報警、安全閥和爆破片。

2 事故案例

化學品爆炸導致事故的一個典型例子是日本生產汽車安全防護氣袋的公司高田（TaKada）株式會社的破產過程。高田公司從1990 年起生產汽車安全防護氣袋，前后幾十年共生產了2千多萬個安全防護氣袋，供應全球各國大型汽車制造商的34 個品牌的汽車，直到2017 年官司判決下宣布破產。2001 年首次發生關于安全防護氣袋在爆炸充氣之后造成金屬碎片飛濺傷人亡人的事故，到2017 年停產，共導致300 多人受傷，22 人死亡。相對于使用該廠產品的總數2千多萬安全防護氣袋其實是一個極小的比例，而一些發生事故的汽車已有近20年的使用歷史了。

表2 易爆炸的化學官能團Tab 2 Explosive chemical functional group

高田公司第1批安全防護氣袋是使用疊氮化鈉（NaN3）作為產生氣體的來源物。3 個氮原子的2個共軛雙鍵鍵合，是一個離子態的化合物，潛能十分高。熔點即分解點275 ℃。可以用微弱的電流誘爆。其結構式為：

疊氮化鈉十分穩定，不會發生意外事故。但在爆炸后會產生有毒物質。鑒此考慮，高田公司改用了四氮唑。分子中4個氮原子的2個雙鍵和氮原子上的2個未共享電子共軛，潛能很高。熔點也是分解點157 ℃。他的一些衍生物用于火箭發動機的燃料。其分子結構式為：

盡管四氮唑分解之后毒性比疊氮化鈉的分解產物毒性小，但是價格較貴。鑒此商業上的考慮，高田公司改用了廉價得多的硝酸銨（NH4NO3）。硝酸銨除了用作肥料之外，也是硝胺炸藥的主要成分。其分子內部氮原子和氧原子是以三組合的共軛體存在，潛能很高，分子結構式為：

可見3個不同的化合物都具有爆炸的潛能，在不同的誘發條件下會發生爆炸。

高田公司把疊氮化鈉改用成四氮唑是成功的，但把四氮唑改用成硝酸銨卻是失敗的。并沒有預料到硝酸銨在高溫、潮濕的狀態下，特別是夏天在高速公路上行駛時可能存在顛簸會誘發爆炸這一因素。高田公司因使用硝酸銨而節省下來的材料費用遠小于歷年法庭裁決所付出的天價賠償費用，甚至導致了該公司破產。

3 結束語

化學品的爆炸性與他的化學結構和所附著的官能團密切相關。化學品的爆炸和燃燒極易造成對人體健康、廠房設施和環境的重大損害，防止這類事故的發生是實驗室工作和工廠生產工作的首要任務。在工業生產中既要考慮經濟效益，更應優先考慮生產過程的安全風險的可控性，著力防范化學品的爆炸事故，確保安全生產。