اسید نیتریک و کاربردهای آن

بدون شک، اسید نیتریک یکی از مهمترین اسید‌های کشف شده توسط بشر است. این اسید که با نام‌های آب قوی، آب قدرتمند و همچنین روح نیتر ( روح پتاسیم نیترات) در قرن هجدهم میلادی نیز شناخته می‌شده، با فرمول شیمیایی HNO۳ در علم شیمی شناخته می‌شود. اسید نیتریک اسیدی بسیار قوی و خورنده است. این اسید در حالت خالص وقتی که تازه تولید شده، بی‌رنگ است اما با گذشت زمان مقداری از اکسید نیتروژن و آب آن تبخیر شده و رنگی زرد را نشان خواهد داد.این اسید در دمای پایین، درون آب کاملا حل خواهد شد. اسید نیتریک یکی از مواد رایج در تمامی آزمایشگاه‌ها و از اصلی‌ترین مواد صنعتی است. یکی از دلایل اصلی خرید اسید نیتریک، ساختن آمونیوم نیترات برای کودهای شیمیایی است. این اسید همچنین در ساختن مواد منفجره مثل نیتروگلیسرین، پلاستیک‌ها و رنگ‌ها کاربرد دارد.نیتریک اسید دارای شکل مولکولی تریگونال و وزن مولکولی ۶۳ گرم بر مول است، در ۸۳ درجه سانتیگراد می‌جوشد و در منفی ۴۲ درجه سانتیگراد ذوب خواهد شد. اسیدیته این اسید بسیار بالا است و به محض برخورد با پوست باعث سوختگی شدید خواهد شد، لذا کار با آن بدون دستکش خطرناک بوده و در صورت برخورد با پوست باید با آب فراوان محل برخورد شسته شود.فروش نیتریک اسید بیشتر با غلظت ۶۸ درصد در مقیاس تجاری انجام می‌شود و اگر به صورت غلظت بیشتر از ۸۶ درصد فروخته شود، اسید نیتریک دودزا محسوب شده و پس از خرید اسید نیتریک با این غلظت باید هنگام باز کردن درب این محصول از ماسک مخصوص استفاده شود، زیرا در صورت استنشاق باعث سوختن ریه و دستگاه تنفسی خواهد شد. بر اساس مقدار دی اکسید نیتروژن موجود در غلظت‌های بالا، اسید نیتریک دودزا، در غلظت بالای ۹۵ درصد اسید نیتریک سفید و در غلظت ۸۶ درصد اسید نیتریک قرمز نامیده می‌شود.تاریخچه اسید نیتریکاسید نیتریک این اکسید کننده قوی، اولین بار به بشریت توسط جابر بن حیان (۷۲۱ تا ۸۱۵ میلادی) دانشمند ایرانی معرفی شد. این دانشمند بزرگ (اسیدباز!) (کیمیاگر، فیلسوف، دانشمند و پدر علم شیمی) که کاشف هیدروکلریک اسید، اسید نیتریک، تیزاب سلطانی(مخلوطی از نیتریک اسید و اسید کلریدریک)، جوهر لیمو (اسید سیتریک) و اسید استیک (جوهر سرکه) نیز هست در کتاب خود چنین یادداشت کرده است: “قسمتی (به اندازه یک پاوند) از ویرتول قبرسی (سولفات مس پنج آبه) را به نیمی از همان مقدار نیتر (پتاسیم نیترات) و یک چهارم قسمت آلومینیوم اضافه کنید. همه را در دستگاه تقطیر قرار داده و مایع به دست آمده که حلالی قوی خواهد بود که اگر به آن مقداری نمک آمونیوم اضافه شود، طلا، نقره و سولفور را حل خواهد کرد.”در اواخر قرن سیزدهم و و اوایل قرن چهاردهم در کتاب پسئودو-جِبِر(اشاره به جابر بن حیان) در اروپا این کشف توسط قدیس آلبرت بزرگ (آلبرتوس مگنوس) آلمانی مطرح شد و توسط رامون لول (ریاضی‌دان، فیلسوف، منطق گرا و نویسنده) که نیتر را حرارت داده و با رس ترکیب کرده بود، آب قدرتمند نام گرفت.جان رودلف گلااُبر شیمیست و کیمیاگر هلندی – آلمانی اولین کسی بود که نیتریک اسید را از تقطیر پتاسیم نیترات توسط اسید سولفوریک (روغن ویرتول طبق گفته خودش) تهیه کرد. سدیم سولفات ده آبه به دست آمده نمک گلااُبر به یاد او نام گذاری شد. در سال ۱۷۷۶ آنتوان لاووازیه نشان داد که این نمک اکسیژن دارد و در سال ۱۷۸۵ هنری کاواندیش ترکیب دقیقش را مشخص کرده و نشان داد که با عبور یک جریان الکتریکی در هوای مرطوب از آن، قابلیت سنتز شدن دارد.بالاخره در سال ۱۹۰۱ فردریچ ویلهم استوالد شیمیست آلمانی(برنده جایزه نوبل شیمی سال ۱۹۰۹)، فرآیند استوالد را ابداع نمود که راه اصلی تهیه اسید نیتریک تاکنون می‌باشد. یکی از موارد جالبی که لازم است بدانید این است که باران اسیدی، شامل اسید نیتریک خواهد بود.خواص اسید نیتریکخرید اسید نیتریک با ۶۸ درصد وزنی هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن، اسیدی را در اختیار شما خواهد گذاشت که در ۱۲۱,۹ (۶۸.۴ درصد وزنی) سانتی‌گراد خواهد جوشید. و در ۶۸.۴ درصد وزنی فشاری برابر ۱ اتمسفر خواهد داشت. اسید نیتریک ۱۰۰ درصد خالص مایع بی‌رنگی است که چگالی آن ۱۵۲۲ کیلوگرم بر متر مکعب در دمای اتاق(۲۵ درجه سانتی‌گراد) خواهد بود. این اسید نیتریک خالص در منفی ۴۱.۶ درجه سانتی‌گراد جامد شده و بلورهای سفیدی را تشکیل می‌دهد و در ۸۶ درجه سانتی‌گراد خواهد جوشید. در حال جوشیدن در نور، حتی در دمای اتاق تجزیه شده و به صورت زیر دی اکسید نیتروژن آزاد می‌کند.۴HNO۳ → ۲H۲O + ۴NO۲ + O۲ (۷۲°C)این امر به این معنی است که اسید نیتریک بدون آب باید در دمای زیر صفر درجه نگهداری شود تا تجزیه نگردد. دی اکسید نیتروژن حل نشده در آب باقی خواهد ماند و رنگ آن را زرد خواهد کرد. وقتی اسید نیتریک با غلظت بالای ۸۶ درصد باشد به محض قرارگیری در معرض هوا، دی اکسید نیتروژن به صورت بخاری قرمز مایل به قهوه‌ای از آن خارج شده و به همین دلیل اسید نیتریک دودزا نام خواهد داشت.همچنین دو هیدرات جامد اسید نیتریک نیز به طور تجاری به فروش می‎رسد که یکی از آن‌ها مونوهیدرات (تک آبه) و دیگری تری هیدرات (سه آبه) است. چگالی اسید نیتریک در صورت ۶۸ درصد بودن بین ۱۳۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب تا ۱۵۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب در دماهای مختلف متفاوت است.اسید نیتریک با هر غلظتی کاملا در آب حل می‎شود و وقتی تقطیر شود، آزئوتروپی از اسید نیتریک با غلظت ۶۸ درصد خواهیم داشت که در ۱۲۰,۵ درجه سانتی‌گراد تحت فشار ۱ اتمسفر خواهد جوشید. همچنین جالب است بدانید که دی اکسید نیتروژن محلول در اسید بر خواص فیزیکی آن مثل رنگ، فشار بخار روی مایع و نیز دمای جوش تاثیرگذار است. نیتریک اسید باید در غلضت بیشتر از ۶۸ درصد، درمکانی تاریک نگهداری شود چون با قرار گرفتن در معرض نور تجزیه خواهد شد.این اسید یک عامل اکسایش بسیار قوی است(که البته به علت گرانی در صنایع معدنی به جز در مورد اورانیوم مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.) این اسید مانند بقیه اسیدها با گروه‌های آلکالی، اکسیدهای ساده و کربنات‌ها تشکیل نمک خواهد داد که مهمترین این نمک‌ها آمونیوم نیترات خواهد بود. خورندگی این اسید به دلیل آزاد نکردن هیدروژن در واکنش با فلزات مختلف (به جز موارد خاص) بسیار بالا است.نحوه تهیه اسید نیتریکهر چند اسید نیتریک برای اولین بار با واکنش بین اسید سولفوریک و نیترات پتاسیم و تقطیر آن حاصل شد اما امروز اسید نیتریک توسط اکسیداسیون آمونیاک در هوا با کاتالیزور پلاتین (یا رادیوم) در ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌شود.(روش استوالد) اکسید نیتریک به دست آمده مجددا اکسید و دی اکسید نیتروژن تشکیل شده که با جذب در آب تبدیل به اسید نیتریک می‌شود. معمولا در آخر این فرآیند یک مرحله کلرزدایی برای حذف کلر در صورت وجود انجام می‌شود، محصول حاصل در بهترین حالت HNO۳ هفتاد درصد خواهد بود.۴ NH۳ (g) + ۵ O۲ (g) → ۴ NO (g) + ۶ H۲O (g) (ΔH = −۹۰۵,۲ kJ)۲ NO (g) + O۲ (g) → ۲ NO۲ (g) (ΔH = −۱۱۴ kJ/mol)۳ NO۲ (g) + H۲O (l) → ۲ HNO۳ (aq) + NO (g) (ΔH = −۱۱۷ kJ/mol)۴ NO۲ (g) + O۲ (g) + ۲ H۲O (l) → ۴ HNO۳ (aq)در روش دیگر برای تهیه اسید نیتریک دودزا به جای استفاده از هوا از گاز اسید سولفوریک استفاده می‌شود، این روش گران‌تر است ولی به انرژی کمتری نیاز دارد. برای اینکار در کوره‌ای بین ۱۵۰ تا ۱۷۰ درجه واکنش بین آمونیاک و اسید سولفوریک صورت گرفته و اسیدی با غلظت ۹۵ تا ۹۷ درصد در کنار نمک سولفات سدیم حاصل می‌شود.روش سوم برای تهیه اسید نیتریک از گاز نیتروژن و اکسیژن به وسیله اکسیداسیون و هیدراسیون است که روش بریکلند نام دارد. این روش به علت کم بودن غلظت اکسید نیتروژن و هزینه انرژی الکتریکی بالا بسیار هزینه بر است و در دمای بالا امکان برگشت واکنش نیز وجود دارد.کاربردهای اسید نیتریکبه علت گران بودن نسبی این اسید در صنایع معدنی، فقط برای تولید اورانیوم کاربرد دارد و سعی می‌شود در بقیه موارد از اسید سولفوریک استفاده شود. اما کاربردهای خارج از هیدرومتالورژی این اسید عبارتند از:اصلی‌ترین کاربرد و علت خرید اسید نیتریک در صنعت تولید کودهای شیمیایی با استفاده از آمونیاک برای تولید آمونیوم نیترات است. همچنین از دیگر استفاده‌های این اسید تولید مواد منفجره مانند نیتروگلیسیرین، تری نیترو تولوئن (TNT)، سایکلو تری متیلن تری نیترامین (RDX) می‌باشد که همین امر باعث می‌شود که بنیادهای نظامی و سلاح‌سازان در سراسر دنیا مقدار زیادی از آن را خریداری کنند. آخرین علت رایج برای خرید نیتریک اسید تجهیز آزمایشگاه‌ها با آن است.جالب است بدانید که در آزمایش‌های OES ، AES ، MS) ICP ، GFAA) و طیف سنجی جذب اتمی، برای شناسایی و ردیابی عناصر در نمونه‌های معدنی با غلظت ۰,۵ تا ۲ درصد به کار برده می‌شود. البته این مقدار اسید باید از اسید کاملا خالص (۱۰۰ درصد) برداشته شده و به نمونه‌ها اضافه شود، زیرا حتی اگر مقدار کمی از عناصر همراه اسید باشد، روی نتایج آزمایش تاثیر گذار خواهد بود.گرچه همانطور که در ابتدای این قسمت گفتیم استفاده از این اسید در هیدرومتالورژی بسیار محدود است، اما وقتی صحبت از فلزات با ارزشی مثل طلا، پلاتینیوم و اورانیوم به خصوص در مواد آلی باشد، گاهی در کنار اسید کلریدریک از آن استفاده می‌شود.از کاربردهای جالب اسید نیتریک ۱۰۰ درصد استفاده از آن به عنوان اکسید کننده در سوخت مایع شاتل‌های فضایی است و همچنین از اسید نیتریک برای انجام تست کلرومتریک برای ردیابی هروئین و مورفین است. همچنین در راکت‌ها از اسید نیتریک بالای ۸۵ درصد(اسید نیتریک قرمز) به همراه اسید سولفوریک به عنوان اکسید کننده استفاده می‌شود.از دیگر کارکردهای اسید نیتریک می‌توان به مسن کردن مصنوعی چوب درختانی مثل کاج و افرا با غلظت تقریبا ۱۰ درصدی اسید در چوبکاری است همچنین استفاده از این اسید برای تمیز کردن شیشه‌های عینک تا زاویای میکروسکوپی همراه با اسید کلریدریک کاربرد دارد. همچنین ۵ تا ۳۰ درصد اسید نیترتیک به همراه ۳۰ تا ۴۰ درصد اسید فسفریک برای تمیز کردن رسوبات ترکیبات کلسیمی و منیزیمی روی ظروف خوراکی و لبنیات استفاده می‌شود.منبع: شیمی بازار