La química de la explosión en Beirut

El 4 de agosto de 2020, una devastadora explosión golpeó el área alrededor de un puerto en Beirut, Líbano. Los funcionarios libaneses culpan de la explosión, que ha matado a más de 100 personas y dejado a 300.000 sin hogar, al compuesto fertilizante común nitrato de amonio (NH4NO3). La química que subyace al riesgo de explosión del nitrato de amonio es bien conocida, lo que lleva a algunos funcionarios a culpar del accidente a la negligencia.

La historia detrás de la explosión

Según los funcionarios libaneses, 2.750 toneladas métricas de nitrato de amonio habían sido almacenadas en un hangar en el puerto de la ciudad. Los almacenes habían estado allí desde septiembre de 2013 después de que el barco que transportaba el material se viera obligado a hacer una parada imprevista en Beirut, donde fue abandonado por sus propietarios y la tripulación.

Antes de la explosión, se había iniciado un incendio en la zona, creando un penacho de humo blanco y pequeñas explosiones. Cuando los almacenes de nitrato de amonio explotaron, una nube de condensación blanca se extendió en una esfera desde el lugar, seguida de un enorme penacho de humo rojo-naranja que se elevaba desde el colgador. Muchos químicos en Twitter identificaron ese color como una firma del gas NO2, posiblemente producido por la descomposición incompleta del nitrato de amonio. Otros también usaron el video para estimar que la velocidad de detonación de la explosión era de alrededor de 3.000 m/s, lo que también es consistente con una explosión que involucra nitrato de amonio.

Fotogramas de la explosión

Nitrato de amonio, principal sospechoso

El químico del University College London Andrea Sella fue uno de los que rápidamente identificó al nitrato de amonio como el probable culpable basándose en el color de la pluma. Sella dijo que en condiciones normales el fertilizante es inerte. Se descompondrá lentamente con el tiempo, pero puede explotar si se enciende un fuego, especialmente si está mal almacenado.

Formula estructural del nitrato de amonio
Formula estructural del nitrato de amonio

Cuando se aplica energía al nitrato de amonio, como en un incendio, la molécula ya no es estable. Debido a que el nitrato de amonio contiene nitrógeno en dos estados de oxidación diferentes, se produce una reacción exotérmica entre las dos especies de nitrógeno: el nitrato actúa como oxidante, mientras que el amonio actúa como agente reductor. Si la reacción es completamente limpia, los únicos productos son el nitrógeno, el agua y un poco de oxígeno, pero los productos secundarios como el NO2 son comunes. Debido a que todos los productos son gaseosos, hay un repentino y gran aumento de la presión que luego viajará hacia el exterior a velocidades supersónicas, lo que se conoce como la detonación.

Cristales de nitrato de amonio
Cristales de nitrato de amonio

¿Un dispositivo nuclear?

La nube de condensación causada por la explosión llevó a algunas personas en los medios de comunicación social a especular que la explosión fue causada por un dispositivo nuclear. Pero este tipo de nubes también puede ocurrir con una explosión convencional suficientemente grande en aire húmedo, dice Sella. Lo que sucede, dice, es que inmediatamente detrás de la onda expansiva hay un área de menor presión que hace que el agua se condense en gotitas microscópicas. Las diferencias de presión a ambos lados de la onda de choque también pueden crear efectos ópticos, ya que la luz se dobla al pasar por las diferentes masas de aire.

Sella también señala que las detonaciones de nitrato de amonio han causado accidentes industriales previos, por lo que la mayoría de las naciones tienen regulaciones estrictas sobre el almacenamiento adecuado del producto químico. Por ejemplo, la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos tiene múltiples reglas con respecto al nitrato de amonio, incluyendo que los almacenes para el almacenamiento a granel deben tener una ventilación adecuada y protección contra el fuego. Tampoco es común que una cantidad tan grande de nitrato de amonio se almacene tan cerca de las zonas urbanas, según Stella.

El lado bueno del nitrato de amonio

Como fertilizante, el nitrato de amonio (NH4NO3) es realmente eficiente. Es una sal con una solubilidad en agua, a 20°C, de unos 1900 g por litro. Cuando se coloca en el suelo, se disuelve en la solución circulante (es decir, el agua que está presente allí) disociándose en nitrato de anión (NO3) y catión amonio (NH4+).

Bultos de nitrato de amonio para ser usado como fertilizante
Bultos de nitrato de amonio para ser usado como fertilizante

De los dos iones, el nitrato, la forma de nitrógeno directamente disponible para la nutrición de las plantas, puede perderse fácilmente por lixiviación, mientras que el amonio permanece ligado a los coloides del suelo y puede perderse por volatilización a través de su conversión en amoníaco. Su mayor capacidad para permanecer unido a los coloides del suelo da a los microorganismos el tiempo necesario para convertirlo en nitrato y así ponerlo a disposición de las plantas.

La química detrás de la tragedia

El nitrato de amonio se descompone térmicamente en óxido nitroso (N2O) y agua hasta una temperatura de aproximadamente 250 °C:

Por encima de esta temperatura se produce otra reacción:

Como se puede ver, ambas reacciones producen gases (N2O, N2 y O2). Además, el agua que se indica en las reacciones mencionadas no está en forma líquida, sino en forma de vapor a temperaturas muy superiores a los 100 °C que se utilizan para desencadenar las reacciones descritas.

Estequiometria de la explosión

Si partimos de 1,00 g de nitrato de amonio, correspondiente a 0,0125 mol, obtenemos, de la primera reacción, el mismo número de moles de óxido nitroso (correspondiente a 0,550 g de producto) y el doble de moles de agua, o 0,450 g de agua en forma de vapor.

Si la temperatura supera los 250 °C, la segunda reacción da lugar a que 1,00 g de nitrato de amonio se transformen en 0,350 g de nitrógeno molecular, 0,200 g de oxígeno molecular y 0,450 g de agua en forma de vapor.

Las agencias de noticias reportaron que la cantidad de nitrato de amonio almacenado en el puerto de Beirut era de unas 3000 toneladas, o 3 x 109 g (3 mil millones de gramos). Es fácil, en este punto, calcular que si la primera reacción (aquella en la que se produce el óxido nitroso y el agua) hubiera sido la única responsable de la deflagración, se habrían obtenido alrededor de 1,4 x 103 toneladas de agua y alrededor de 1,6 x 103 toneladas de óxido nitroso. Sin embargo, si sólo la segunda reacción hubiera sido responsable de la deflagración, se habrían obtenido alrededor de 1,4 x 103 toneladas de agua, 1,0 x 103 toneladas de nitrógeno molecular y alrededor de 0,6 x 103 toneladas de oxígeno molecular.

Aspecto del puerto de Beirut después de la explosión
Aspecto del puerto de Beirut después de la explosión

Es intuitivo pensar que ambas reacciones tuvieron lugar, junto con muchas otras cuya naturaleza se desconoce (por ejemplo, ¿había tuberías de gas? además del nitrato de amonio, ¿cuántas otras sustancias potencialmente explosivas podrían estar presentes? etc. etc.).

En última instancia, imagine comprimir el total de tres toneladas de gases de alta temperatura en expansión en un espacio confinado como un cobertizo o un almacén, donde ya hay otros gases presentes, es decir, gases atmosféricos, y se dará cuenta de por qué se ha producido el efecto devastador sobre Beirut observado en las grabaciones que han dado la vuelta al mundo.

Para mayor información The chemistry behind the Beirut explosion

La chimica-fisica nell’esplosione di Beirut