記録に残る最大かつ最も壊滅的な産業事故の一つから時が経った今、私たちはベイルートの悲劇を振り返ります。その爆発はあまりに凄まじく、200km離れたキプロスでも音が聞こえたほどでした。爆発の震源地は港の倉庫であり、その燃料となったのは2,750トンの硝酸アンモニウムでした。
硝酸アンモニウムは最も広く使用されている肥料の一つであり、鉱山用爆薬など他の多くの工業用化合物の重要な構成要素であるほか、抗生物質や酵母の製造における栄養源としても利用されています。工業プロセスで使用される他の多くの化学物質と同様に、これにはリスクが伴いますが、安全な保管と適切な取り扱い手順によって軽減することが可能です。
ベイルートでの事故については現在も調査が続いていますが、港の倉庫で発生した火災が硝酸アンモニウムの保管エリアに燃え広がったと考えられています。花火の近くという安全ではない保管状況に加え、隔離や防火対策が講じられていなかったことが爆発につながりました。この事故により、わずか数秒のうちに200人以上が死亡、5,000人以上が負傷し、約30万人の住民が家を失いました。悲しいことに、この出来事は決して例外ではなく、硝酸アンモニウムのような化学物質による爆発や火災はあまりにも頻繁に発生しています。結局のところ、物質が急速にエネルギーを放出できるのであれば、そこには爆発や火災の潜在的なリスクが存在するのです。では、なぜ特定の化学物質がこうした特性を持つのでしょうか。
弱い化学結合と安定した生成物がもたらす爆発的な組み合わせ
物質が弱い化学結合を持ち、特に安定した生成物を生み出す場合、火災や爆発のリスクを伴う可能性が高くなります。ガソリンなどの燃料が燃焼するのは、その燃焼によってより強い化学結合を持つ安定した物質（ガソリンの場合は二酸化炭素と水）が生成されるためです。ガソリンの結合は容易には切断されないため、燃焼させるには火花や炎といった熱源や着火源が必要となります。
例えば、図1はガソリンの燃焼のような反応の概念モデルを示しています。紫色の線は、反応物から生成物へと変化する過程での自由エネルギーの変化を表しています。ガソリンが燃焼すると、強い結合を持つ安定した生成物（水と二酸化炭素）が形成され、その過程で多大なエネルギーが放出されます。これは図において、左側の開始点から右側の反応終了点までの高さの差として示されています。反応物と生成物の間の自由エネルギーの差が大きくなるほど、反応時に放出されるエネルギーも大きくなります。
しかし、反応物から生成物へと変化するためには、分子が反応を開始するための十分なエネルギーを持っていなければなりません。反応は多くの場合、結合を切断することから始まりますが、強い結合を切断するには多大なエネルギーが必要です。そのため、安定した分子の反応を開始させるには、反応系に大きなエネルギーを与える必要があります。このエネルギーは活性化障壁と呼ばれ、反応経路の中央にある丘の高さとして示されています。
障壁を乗り越えると、反応が進行します。反応物と生成物の間の自由エネルギー差が大きいため、一つの分子の反応が、他の分子が活性化障壁を乗り越えるのを助けるのに十分なエネルギーを供給することができます。その結果、反応は加速し、反応物が消費されるまで止めることが困難になります。ガソリンの火災がいったん始まると消火が難しいのはこのためです。さらに、生成物が気体（二酸化炭素と水蒸気）であるため、生成物は反応物よりもはるかに大きな体積を占めます。この体積膨張によってエネルギーが周囲に伝わり、密閉された空間で反応が起こると爆発につながる可能性があります。ガソリンを燃焼させるにはより多くのエネルギーが必要となるため、そのエネルギー源となる行為を避けることは比較的容易であり、したがって火災の予防も容易になります。
爆発性化学物質の例はこちらから確認できます。また、化学物質の安全性や物質に関するその他のリソースについては、Chemical Safety LibraryおよびCAS Common Chemistryをご覧ください。
他の物質はより大きな危険をもたらします。その多くは弱い化学結合を含んでいます。図1（緑色の線）は、弱い結合を持つ分子の燃焼のような反応モデルも示しています。ガソリンと同様に、左側の反応物と右側の生成物の間の自由エネルギーの差（高さの差で示される）は大きく、生成物は強い結合を含んでおり、反応時に多大なエネルギーを放出します。しかし、この反応の障壁の高さは、ガソリンの燃焼に比べてはるかに低くなっています。
反応は多くの場合、結合の切断から始まりますが、弱い結合が存在すると、反応が開始されやすくなります。結合が切断されると、反応は完了へと向かいます。このケースのように生成物のエネルギーが反応物よりもはるかに低い場合、一つの分子の反応がエネルギーを放出し、他の分子の反応を引き起こすことができます。反応障壁が低いため、図1（緑色）の物質では、一つの分子の反応からより多くの分子が反応するように誘導されます。弱い結合が存在するということは、反応が一度始まると急速に加速する可能性があることを意味します。生成物が気体であれば、それらは周囲に仕事も伝えます。反応が十分に速ければ、爆発や爆轟が発生する可能性があります。弱い結合を持つ物質は反応障壁が低いため、反応を開始させるのに必要なエネルギーが少なく、取り扱い方法がより制限されます。場合によっては、取り扱い時の衝撃、摩擦、火花が反応の引き金となることもあるため、火災や爆発を防ぐには、こうした物質の取り扱いには細心の注意が必要です。
アジド（RN3）はこの点を完璧に示しています。これらの物質は、強さの異なる結合でつながった3つの窒素原子を含んでいます。窒素原子は強い結合を形成することができ、窒素ガス（N2）中の窒素原子間の三重結合は、既知の化学結合の中で最も強いものの一つです。しかし、窒素原子は単結合や二重結合も形成でき、これらはかなり弱くなります。アジド中の窒素-窒素結合の一つは弱く、切断に多くのエネルギーを必要としないため、N₂を生成する急速な分解が促進されます。N2中の窒素-窒素結合は、反応物であるアジド中の窒素-窒素結合よりもはるかに安定しているため、この分解によって多大なエネルギーが放出されます。
Inorganic and organic azides have varying sensitivities. Inorganic sodium azide can be handled safely under everyday conditions but is deployed as a rapid gas generator in vehicle airbags, while highly volatile heavy metal azides, such as lead azide, are used as initiators for explosives. Organic azides are commonly used in the synthesis of more complex chemicals, including pharmaceuticals and polymers. Organic azides with either low molecular weight or high nitrogen (N) to carbon (C) atomic ratios can be explosive and there have been several reported incidents of laboratory explosions due to the formation of low molecular-weight azides from reactions between inorganic azides and dichloromethane. An azide-modified amino acid used for the preparation of modified proteins was also found to be explosive.
過酸化物（ROOR）もまた、爆発の危険性を秘めた分子の一種です。過酸化物には酸素同士の弱い結合が含まれており、この結合が切れると、化学反応に有用なラジカル中間体（フリーラジカル）が生成されます。ラジカル中間体は特に重合を開始させるために有用であり、燃焼過程の中間体としても一般的に検出されます。ごく少量のラジカルであっても触媒として作用し、場合によってはそれ自身の生成を促進することさえあります。また、過酸化物は分解して分子状酸素（O₂）を生成します。酸素同士の単結合は弱い一方で、O2における酸素同士の二重結合は強固であるため、この分解によってエネルギーが放出されるのです。
酸素同士の結合が弱いため、過酸化物は容易に分解してフリーラジカルとO₂を放出します。これは特に高濃度の場合、揮発性が高く爆発的な組み合わせとなります。過酸化物を取り扱う化学施設では、いくつかの重大な火災が報告されています。その例として、米国テキサス州でハリケーン「ハービー」による未曾有の洪水が安全装置の故障を引き起こした事例が挙げられます。また、エーテルが酸素にさらされると、過酸化物が自然発生することがあります。これらの過酸化物は結晶を形成し、物理的な衝撃や摩擦、あるいは特定の金属との反応によって爆発する可能性があります。エーテルは通常、過酸化物の生成を防ぐために、BHT（保存料として使用されるブチルヒドロキシトルエン）などの抑制剤を少量添加して調合されます。この抑制剤は酸素によって消費されるため、エーテルを酸素が存在する環境で長期間保管すると、過酸化物が生成されやすくなります。
安定を求める燃えるような衝動
他にも、単独では容易に切断されなくても、特定の条件下で容易に反応してより安定した生成物を形成する結合を持つ物質が存在します。新しい結合が形成される際、エネルギーが熱として放出され、火災や爆発を引き起こすことがあります。例えば、金属アルキルは幅広い化学物質や材料の合成において触媒として使用されますが、多くの場合、自然発火性を持ち、空気と接触すると容易に燃焼します。
特にトリメチルアルミニウムは、空気や水と反応して非常に安定したアルミニウム-酸素結合を持つ生成物を生じ、火災や爆発を引き起こします。
アクリレートは工業規模の重合に使用されます。各アクリレートモノマーは、ポリマー鎖に組み込まれる際に二重結合を単結合に置き換えます。この新しい結合は二重結合の累積強度よりも強いため、重合反応によってエネルギーが放出されます。アクリレートやその他のアルケンの重合は、過酸化物のようなラジカル開始剤を用いて開始されることが多く、これは他の状況下では爆発につながるのと同じ反応性を利用しています。大規模な重合槽において、表面積と体積の比率が低すぎて発生した熱を放散できない場合や、制御不能な重合を抑制する阻害剤が消費、不活性化、または除去された場合、アクリレートは爆発的に重合する可能性があります。
同様に、ジメチルスルホキシド（DMSO）などの溶媒は、酸、塩基、親電子試薬など様々な物質と反応して分解温度を低下させることがあります。そのため、一見安全と思われる低温での反応であっても、爆発につながる恐れがあります。
現代社会の偉大な推進力を活用する
化学の本質はエネルギーの変化によって成り立っており、人類は何世紀にもわたってこのエネルギーを活用し、世界中を旅し、産業を動かし、食卓に並ぶ食料や衣服、そして都市の基盤を作り上げてきました。私たちはそのエネルギーゆえに爆発性や揮発性のある化学物質を追い求めてきましたが、その力は予期せぬ壊滅的な結果をもたらすこともあります。このエネルギーを建設的な方法で導く方法を理解し、化学物質が予期せず有害な反応を起こす条件をより的確に特定することで、爆発事故を未然に防ぐことが可能になります。
硝酸アンモニウム、その危険性、および安全規則に関する詳細については、CAS Insightsレポートの全文をダウンロードし、ウェビナーをご視聴ください。主要な専門家が一堂に会し、配合の選択肢やイノベーションの展望について議論します。
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