易爆炸化學(xué)品官能團(tuán)以及爆炸防范

舒理建，張方明，何天強(qiáng)，胡 建，盧鑫鑫

（浙江普洛康裕制藥有限公司，浙江 東陽(yáng)322118）

在化學(xué)行業(yè)的實(shí)驗(yàn)室、車間、倉(cāng)庫(kù)和運(yùn)輸化學(xué)品的車輛中都存在著發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，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(guò)程）和肢體受傷等[1]。其中最嚴(yán)重的后果來(lái)自于化學(xué)品的爆炸，可以造成大規(guī)模的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染[2-3]；已經(jīng)發(fā)生的事故案例表明，爆炸可涉及數(shù)10 千米的巨大范圍。此外，和其它事故相比，爆炸是一個(gè)突發(fā)的過(guò)程，沒(méi)有機(jī)會(huì)和時(shí)間采取應(yīng)急阻止和搶救的可能性。即使發(fā)生的燃燒、急性中毒也都存在一個(gè)疏散人員和撤離現(xiàn)場(chǎng)的可能性。所以，生產(chǎn)化學(xué)品單位的負(fù)責(zé)人和技術(shù)人員必須把防止爆炸的發(fā)生作為安全計(jì)劃的首要任務(wù)。

1 爆炸化學(xué)物質(zhì)及官能團(tuán)

1.1 爆炸化學(xué)物質(zhì)

具有爆炸性的化學(xué)物質(zhì)都是具有相類似的、十分接近的化學(xué)基本結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)，包括基本的骨架、元素的組成和附加的官能團(tuán)儲(chǔ)藏有大量能量，一旦誘發(fā)就能在瞬間釋放出這些儲(chǔ)藏著的能量。釋放出氣體，其體積是原母體化合物數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍，并伴隨有熱量、聲音，造成嚴(yán)重的后果。

這類物質(zhì)可以分成2大類：爆炸性物質(zhì)和爆燃性物質(zhì)。前者稱為高爆炸物，伴有超音速的燃燒化學(xué)反應(yīng)；后者是低爆炸物，常伴有亞音速的燃燒反應(yīng)。后者的危害性要小得多。這2類反應(yīng)可以由單一物質(zhì)發(fā)生，也可以在混合物中發(fā)生；但都必須要有一個(gè)誘發(fā)源。誘發(fā)源可以是加熱、點(diǎn)火、通入電流、攪拌或者敲擊[4-5]。這種爆炸反應(yīng)顯然可以是主動(dòng)誘發(fā)的，即有目的地去誘發(fā)和控制的過(guò)程，如長(zhǎng)期以來(lái)被人類廣泛應(yīng)用的黑色火藥和三硝基甲苯（TNT）發(fā)生的爆炸；也可以是被動(dòng)地被誘發(fā)，這就是事故。后者是我們必須要預(yù)防的。迄今已經(jīng)知道會(huì)發(fā)生爆炸的化學(xué)物質(zhì)有103種，詳見(jiàn)表1。

但須知道，這并不意味此表已經(jīng)包括所有可能會(huì)發(fā)生爆炸的化學(xué)物質(zhì)。不少具有爆炸潛能的化學(xué)物質(zhì)的潛勢(shì)不如上述103個(gè)化合物那么大，但在一些獨(dú)特和惡劣外部環(huán)境下也可能發(fā)生爆炸，或者發(fā)生上述提及的爆炸反應(yīng)。由于爆炸的本質(zhì)在于化合物中貯藏著的高度勢(shì)能，從它們的結(jié)構(gòu)上分析可以得出結(jié)論，高度勢(shì)能來(lái)自于不飽和鍵以及多個(gè)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(guò)氧鍵、臭氧鍵、鹵素原子和氧的多鍵等。

1.2 爆炸化學(xué)官能團(tuán)

化學(xué)研究和生產(chǎn)中應(yīng)用著數(shù)百萬(wàn)個(gè)甚至數(shù)千萬(wàn)個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各不相同的化合物，不可能對(duì)他們逐一進(jìn)行篩選和檢測(cè)化學(xué)潛能、爆炸條件和爆炸的烈度，因此一個(gè)實(shí)用、簡(jiǎn)單的方法是在應(yīng)用某個(gè)化合物時(shí)觀察它的化學(xué)結(jié)構(gòu)和所附著的官能團(tuán)。

表1 發(fā)生爆炸的化學(xué)物質(zhì)Tab 1 Explosive chemicals

表2列出了高能量的化學(xué)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。

一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)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(tuán)，那么要進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)必須要高度警惕。具體的注意事項(xiàng)應(yīng)是反應(yīng)不宜在高溫下進(jìn)行，不宜采用高速的攪拌，不宜高度濃縮蒸干；在轉(zhuǎn)移固體產(chǎn)品時(shí)和烘干產(chǎn)品時(shí)不可以挖掘和碰撞；在實(shí)驗(yàn)室中則可以設(shè)置安全擋板，在車間設(shè)備上必須設(shè)置超壓報(bào)警、安全閥和爆破片。

2 事故案例

化學(xué)品爆炸導(dǎo)致事故的一個(gè)典型例子是日本生產(chǎn)汽車安全防護(hù)氣袋的公司高田（TaKada）株式會(huì)社的破產(chǎn)過(guò)程。高田公司從1990 年起生產(chǎn)汽車安全防護(hù)氣袋，前后幾十年共生產(chǎn)了2千多萬(wàn)個(gè)安全防護(hù)氣袋，供應(yīng)全球各國(guó)大型汽車制造商的34 個(gè)品牌的汽車，直到2017 年官司判決下宣布破產(chǎn)。2001 年首次發(fā)生關(guān)于安全防護(hù)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(chǎn)，共導(dǎo)致300 多人受傷，22 人死亡。相對(duì)于使用該廠產(chǎn)品的總數(shù)2千多萬(wàn)安全防護(hù)氣袋其實(shí)是一個(gè)極小的比例，而一些發(fā)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(xué)官能團(tuán)Tab 2 Explosive chemical functional group

高田公司第1批安全防護(hù)氣袋是使用疊氮化鈉（NaN3）作為產(chǎn)生氣體的來(lái)源物。3 個(gè)氮原子的2個(gè)共軛雙鍵鍵合，是一個(gè)離子態(tài)的化合物，潛能十分高。熔點(diǎn)即分解點(diǎn)275 ℃。可以用微弱的電流誘爆。其結(jié)構(gòu)式為：

疊氮化鈉十分穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生意外事故。但在爆炸后會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)。鑒此考慮，高田公司改用了四氮唑。分子中4個(gè)氮原子的2個(gè)雙鍵和氮原子上的2個(gè)未共享電子共軛，潛能很高。熔點(diǎn)也是分解點(diǎn)157 ℃。他的一些衍生物用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。其分子結(jié)構(gòu)式為：

盡管四氮唑分解之后毒性比疊氮化鈉的分解產(chǎn)物毒性小，但是價(jià)格較貴。鑒此商業(yè)上的考慮，高田公司改用了廉價(jià)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(nèi)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(jié)構(gòu)式為：

可見(jiàn)3個(gè)不同的化合物都具有爆炸的潛能，在不同的誘發(fā)條件下會(huì)發(fā)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(méi)有預(yù)料到硝酸銨在高溫、潮濕的狀態(tài)下，特別是夏天在高速公路上行駛時(shí)可能存在顛簸會(huì)誘發(fā)爆炸這一因素。高田公司因使用硝酸銨而節(jié)省下來(lái)的材料費(fèi)用遠(yuǎn)小于歷年法庭裁決所付出的天價(jià)賠償費(fèi)用，甚至導(dǎo)致了該公司破產(chǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

化學(xué)品的爆炸性與他的化學(xué)結(jié)構(gòu)和所附著的官能團(tuán)密切相關(guān)?；瘜W(xué)品的爆炸和燃燒極易造成對(duì)人體健康、廠房設(shè)施和環(huán)境的重大損害，防止這類事故的發(fā)生是實(shí)驗(yàn)室工作和工廠生產(chǎn)工作的首要任務(wù)。在工業(yè)生產(chǎn)中既要考慮經(jīng)濟(jì)效益，更應(yīng)優(yōu)先考慮生產(chǎn)過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)的可控性，著力防范化學(xué)品的爆炸事故，確保安全生產(chǎn)。