易爆炸化学品官能团以及爆炸防范

舒理建，张方明，何天强，胡 建，卢鑫鑫

（浙江普洛康裕制药有限公司，浙江 东阳322118）

在化学行业的实验室、车间、仓库和运输化学品的车辆中都存在着发生事故的风险，包括气体的逸出、液体的泄漏、燃烧、爆炸、人员中毒（包括急性和慢性的过程）和肢体受伤等[1]。其中最严重的后果来自于化学品的爆炸，可以造成大规模的人员伤亡、财产损失和环境污染[2-3]；已经发生的事故案例表明，爆炸可涉及数10 千米的巨大范围。此外，和其它事故相比，爆炸是一个突发的过程，没有机会和时间采取应急阻止和抢救的可能性。即使发生的燃烧、急性中毒也都存在一个疏散人员和撤离现场的可能性。所以，生产化学品单位的负责人和技术人员必须把防止爆炸的发生作为安全计划的首要任务。

1 爆炸化学物质及官能团

1.1 爆炸化学物质

具有爆炸性的化学物质都是具有相类似的、十分接近的化学基本结构。这些结构，包括基本的骨架、元素的组成和附加的官能团储藏有大量能量，一旦诱发就能在瞬间释放出这些储藏着的能量。释放出气体，其体积是原母体化合物数千倍乃至数万倍，并伴随有热量、声音，造成严重的后果。

这类物质可以分成2大类：爆炸性物质和爆燃性物质。前者称为高爆炸物，伴有超音速的燃烧化学反应；后者是低爆炸物，常伴有亚音速的燃烧反应。后者的危害性要小得多。这2类反应可以由单一物质发生，也可以在混合物中发生；但都必须要有一个诱发源。诱发源可以是加热、点火、通入电流、搅拌或者敲击[4-5]。这种爆炸反应显然可以是主动诱发的，即有目的地去诱发和控制的过程，如长期以来被人类广泛应用的黑色火药和三硝基甲苯（TNT）发生的爆炸；也可以是被动地被诱发，这就是事故。后者是我们必须要预防的。迄今已经知道会发生爆炸的化学物质有103种，详见表1。

但须知道，这并不意味此表已经包括所有可能会发生爆炸的化学物质。不少具有爆炸潜能的化学物质的潜势不如上述103个化合物那么大，但在一些独特和恶劣外部环境下也可能发生爆炸，或者发生上述提及的爆炸反应。由于爆炸的本质在于化合物中贮藏着的高度势能，从它们的结构上分析可以得出结论，高度势能来自于不饱和键以及多个不饱和键的共轭形式的存在。这些不饱和键可以包括碳碳双键和三键、碳氮双键和三键、碳氧双键、碳硫双键、氮氧双键、氮氮双键和三键、过氧键、臭氧键、卤素原子和氧的多键等。

1.2 爆炸化学官能团

化学研究和生产中应用着数百万个甚至数千万个复杂结构的各不相同的化合物，不可能对他们逐一进行筛选和检测化学潜能、爆炸条件和爆炸的烈度，因此一个实用、简单的方法是在应用某个化合物时观察它的化学结构和所附着的官能团。

表1 发生爆炸的化学物质Tab 1 Explosive chemicals

表2列出了高能量的化学官能团结构。

一旦发现某个化合物具有共轭的不饱和键体系并且附着有表2中列出的官能团，那么要进行的化学反应必须要高度警惕。具体的注意事项应是反应不宜在高温下进行，不宜采用高速的搅拌，不宜高度浓缩蒸干；在转移固体产品时和烘干产品时不可以挖掘和碰撞；在实验室中则可以设置安全挡板，在车间设备上必须设置超压报警、安全阀和爆破片。

2 事故案例

化学品爆炸导致事故的一个典型例子是日本生产汽车安全防护气袋的公司高田（TaKada）株式会社的破产过程。高田公司从1990 年起生产汽车安全防护气袋，前后几十年共生产了2千多万个安全防护气袋，供应全球各国大型汽车制造商的34 个品牌的汽车，直到2017 年官司判决下宣布破产。2001 年首次发生关于安全防护气袋在爆炸充气之后造成金属碎片飞溅伤人亡人的事故，到2017 年停产，共导致300 多人受伤，22 人死亡。相对于使用该厂产品的总数2千多万安全防护气袋其实是一个极小的比例，而一些发生事故的汽车已有近20年的使用历史了。

表2 易爆炸的化学官能团Tab 2 Explosive chemical functional group

高田公司第1批安全防护气袋是使用叠氮化钠（NaN3）作为产生气体的来源物。3 个氮原子的2个共轭双键键合，是一个离子态的化合物，潜能十分高。熔点即分解点275 ℃。可以用微弱的电流诱爆。其结构式为：

叠氮化钠十分稳定，不会发生意外事故。但在爆炸后会产生有毒物质。鉴此考虑，高田公司改用了四氮唑。分子中4个氮原子的2个双键和氮原子上的2个未共享电子共轭，潜能很高。熔点也是分解点157 ℃。他的一些衍生物用于火箭发动机的燃料。其分子结构式为：

尽管四氮唑分解之后毒性比叠氮化钠的分解产物毒性小，但是价格较贵。鉴此商业上的考虑，高田公司改用了廉价得多的硝酸铵（NH4NO3）。硝酸铵除了用作肥料之外，也是硝胺炸药的主要成分。其分子内部氮原子和氧原子是以三组合的共轭体存在，潜能很高，分子结构式为：

可见3个不同的化合物都具有爆炸的潜能，在不同的诱发条件下会发生爆炸。

高田公司把叠氮化钠改用成四氮唑是成功的，但把四氮唑改用成硝酸铵却是失败的。并没有预料到硝酸铵在高温、潮湿的状态下，特别是夏天在高速公路上行驶时可能存在颠簸会诱发爆炸这一因素。高田公司因使用硝酸铵而节省下来的材料费用远小于历年法庭裁决所付出的天价赔偿费用，甚至导致了该公司破产。

3 结束语

化学品的爆炸性与他的化学结构和所附着的官能团密切相关。化学品的爆炸和燃烧极易造成对人体健康、厂房设施和环境的重大损害，防止这类事故的发生是实验室工作和工厂生产工作的首要任务。在工业生产中既要考虑经济效益，更应优先考虑生产过程的安全风险的可控性，着力防范化学品的爆炸事故，确保安全生产。