Compréhension des mécanismes d'incompatibilité chimique du nitrate d'ammonium par modélisation moléculaire

Understanding the mechanisms of chemical incompatibility ammonium nitrate by molecular modeling

• Auteur / Autrice : Stefania Cagnina
• Direction : Carlo Adamo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique
• Date : Soutenance le 27/10/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (site ENSCP)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Joubert, Orlando Crescenzi, Richard Turcotte, Hélène Gérard, Patricia Rotureau, Guillaume Fayet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Risques industriels

Nitrate d'ammonium

Mots clés libres

Incompatibilités chimiques

DFT

Nitrate d'ammonium

Risque industriel

Modélisation moléculaire

M06-2x

Chemical incompatibility

Ammonium nitrate

Résumé

De nombreuses substances chimiques sont susceptibles de mener à des phénomènes d'incompatibilité, lors de leur mise en contact avec d'autres produits ou matériaux. Pour maîtriser ces risques, une identification rapide et précise de ces incompatibilités est nécessaire. Elle est réalisée, jusqu’à présent, par des outils expérimentaux qui malgré leur incontestable importance, ne fournissent que des informations limitées. Pour les compléter et améliorer la compréhension des processus d'incompatibilité, ce travail de thèse, vise à étudier la réactivité du nitrate d'ammonium, produit très utilisé dans l'industrie, connu pour sa longue liste d'incompatibilités et impliqué dans des nombreux accidents majeurs (Toulouse 2001), à l'aide de la modélisation moléculaire. Une étude théorique approfondie, basée sur des calculs DFT, destinée à identifier les chemins réactionnels, les produits formés ainsi que la chaleur dégagée par les réactions a été menée.Après avoir caractérisé le mécanisme radicalaire de décomposition du nitrate d’ammonium pur en phase gaz, une étude détaillée de la réactivité du mélange du nitrate d’ammonium et du dichloroisocyanurate de sodium (DCCNa), a été réalisée. Un chemin réactionnel a été caractérisé, il s'agit de la réaction directe entre le nitrate d'ammonium et le DCCNa, en présence d'une molécule d'eau. Ensuite, ces méthodes théoriques ont été appliquées à d'autres systèmes d'incompatibilités chimiques avec le nitrate d'ammonium (NaNO2, substances chlorées) en focalisant sur les étapes limitantes des mécanismes afin de tester leur pertinence et potentiel en tant qu'outil de prédiction a priori du phénomène d'incompatibilité. Ce travail, pionnier dans l'étude microscopique des incompatibilités chimiques du nitrate d'ammonium, a permis de clarifier les mécanismes réactionnels lors de la décomposition du produit pur et en contact avec des contaminants.

Numerous chemical reactants tend to lead to undesired phenomena of incompatibility. In order to prevent the happening of those phenomena, a rapid and accurate identification of the incompatibilities is needed. Until now, experimental studies, which provide insightful, but limited information, were the only possible approach used for the study of incompatibilities. In this work a molecular modeling approach was used in order to complete and improve experimental results of incompatibility processes for the reactivity of ammonium nitrate. Ammonium nitrate is a widely used compound in the chemical industry, known for its long list of incompatibilities and often involved in major accidents (Toulouse, 2001).This theoretical work, based on Density Functional Theory (DFT) calculations, is intended to provide insights into the possible reaction pathways, enthalpies and products formed by incompatibility reaction between ammonium nitrate and other compounds. In this thesis the mechanism of the decomposition of pure ammonium nitrate in the gas phase was firstly characterized and then the reactivity of the mixture of ammonium nitrate – sodium dichloroisocyanurate (DCCNa) was considered. The results obtained suggest the existence of a reaction path, involving a direct reaction between the ammonium nitrate and DCCNa in the presence of a molecule of water.Furthermore, the theoretical approach was employed focusing on the study of the limiting steps of other chemical incompatibilities for ammonium nitrate systems (NaNO2, chlorinated substances). Those results were employed to understand the potentiality of the theoretical approach as a priori predicting tool for the incompatibility processes.In summary this work, pioneer in the microscopic study of chemical incompatibilities of ammonium nitrate, has clarified the reaction mechanisms involved in the decomposition of pure compounds, as well as in contact with other contaminants.