نیتریک اسید
اسید نیتریک یا جوهر شوره با فرمول HNO نوعی اسید معدنی بسیار قوی است. ترکیب خالص آن بی‌رنگ است، اما با گذشت زمان به دلیل تجزیه به اکسیدهای نیتروژن و آب، به مرور زردرنگ می‌شود.
اسید نیتریک خالص (HNO) در ۴۱٫۶- درجه سلسیوس ذوب شده، تولید مایع بی‌رنگی می‌کند، اما نسبت به درجه حرارت و درجه تابش نور بر آن، گستره رنگ آن از زرد تا قرمز متمایل به قهوه‌ای متغیر است. این تغییرات نتیجه تجزیه آن طبق واکنش زیر است:
4HNO → 2HO + 4NO + O
به این علت ظرف‌های محتوی آن، همیشه تحت فشار کنترل شده می‌باشد. اسید نیتریک با آب قابل احتراق است و محلول آن آزئوتروپی را تشکیل می‌دهد که نقطه جوش آن برابر با ۱۲۱٫۹ درجه سلسیوس است که شامل ۶۸٫۷٪ وزنی HNO می‌باشد.
اکثر اسید نیتریک‌های موجود در بازار غلظتی برابر ۶۸٪ درون آب دارند. این محلول با نقطه جوش ۱۲۰٫۵ درجه سلسیوس در فشار یک اتمسفر می‌باشد. دو شکل هیدراته برای آن شناخته شده‌است:
اگر غلظت اسیدنیتریک بیشتر از ۸۶٪ شود به آن "اسید نیتریک دودزا" می‌گویند. به اسید نیتریک با غلظت بیش از ۹۵٪ "اسید نیتریک دودسفید" و به اسید نتیریک با غلظت بیش از ۸۶٪ "اسید نیتریک دودقرمز" گفته می‌شود. از این اسیدها به عنوان اکساینده در سوخت راکت استفاده می‌شود.
از اسید نیتریک در سده شانزدهم برای جداسازی طلا از نقره استفاده می‌شد.
اسید نیتریک را از شوره به دست می‌آورند؛ بدین طریق که سولفات آهن یا زاج را در حالت گرم روی شوره اثر می‌دادند. این طریقه تولید نشان می‌دهد که شوره مصرفی، خالص بوده‌است. به ترکیبی از دو ماده، کمی ماسه، آهک یا سفال شکسته می‌افزودند؛ ماده به دست آمده را در یک شیشه کوچک درب دار می‌ریختند. این شیشه‌ها را در کوره آهک پزی می‌گذاشتند که می‌توانست دو ردیف از این شیشه‌ها را که هر ردیف چهار تا شیشه بود دربرگیرد. این شیشه‌ها را تا گردن در خاک یا خاکستر، که سبب پخش گرما و جلوگیری از ترک برداری شیشه می‌شد، قرار می‌دادند. از در پوش شیشه‌ها لوله‌هایی خارج می‌شد که به همین تعداد شیشه‌های مایع کننده، بر روی سکویی خارج از کوره متصل بودند. همه اتصالات به‌دقت آب‌بندی می‌شدند. حرارت نخست معتدل بود تا ماده خام درون شیشه‌ها خشک شود، سپس هر شش ساعت به شش ساعت حرارت را زیاد می‌کردند، گازهای نیترو به وسیلهٔ آب تبلور نمکها، به خارج کشیده می‌شد. هر وقت رنگ محصول تقطیر نشان می‌داد که تجزیه به پایان رسیده‌است، حرارت را به تدریج کم می‌کردند.
روش سولفات آهن باز به وسیلهٔ گلاوبِر شرح داده شده‌است. این روش بدون شک تا آغاز سده هجدهم، تنها روش مورد استفاده برای تولید نیتریک اسید بوده‌است. انگلیسی‌ها و هلندی‌ها تا مدت‌ها بعد هم از روش سولفات آهن استفاده می‌کردند؛ اما در فرانسه روش آلومین جای آن را گرفت.
در سده پیش، تولیدکنندگان اسید نیتریک گمان می‌بردند که بازده تولید با روش آلومین از بازده آن با سولفات آهن کمتر است. کمی پس از آن نظر مخالف غلبه یافت بدون اینکه معلوم شود که برپایه کدام مشاهدات این تغییر عقیده ایجاد شده‌است. بدیهی است که کار آزمایشگاهی در این عمل بی تأثیر بوده‌است. محتوای کتاب‌های شیمی شامل دستورهای نسخه مانندی است که مؤلفان آن‌ها از عمل کنندگان دریافت داشته‌اند. گویا تغییرات در روش‌های سنتی در نتیجه ایجاد بازار بهتر و تقاضاهای بیشتر بوده‌است.
امروزه در تولید صنعتی اسید نیتریک، آمونیاک به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. از نظر تاریخی، اسید نیتریک اولین بار از اثر اسید سولفوریک روی نیترات سدیم (شوره شیلی) بدست آمد. واکنش در کوره‌هایی با دمای ۱۵۰ تا ۱۷۰ درجه سانتی‌گراد صورت می‌گیرد. اسید بدست آمده، دارای غلظت ۸۳ تا ۸۶ درصد است؛ که به اسید دودکننده معروف است ورنگ این اسید قرمز تا زرد می‌باشد.
در این روش می‌توان اسید نیتریک را از اکسید نیتریک مطابق واکنش زیر بدست آورد.
N + O ----> 2NO + 43Kcal
تبدیل NO به HNO3 با اکسیداسیون و هیدراتاسیون انجام می‌گیرد. در این فرایند بخاطر کم بودن غلظت NO، علاوه بر هزینه انرژی الکتریکی، مقداری گاز نیز باید در جریان باشد. ضمناً دمای بالا نیز باعث واکنش عکس و تجزیه NO می‌شود.
فرایند استوالد(Ostwald process) نخست تبدیل آمونیاک در حضور اکسیژن یک کاتالیزور مانند پلاتین یا رودیم، حرارت می‌دهیم تا اکسایش-کاهش انجام شود و اکسید نیتروژن و آب بدست آید. اکسید نیتروژن دوباره اکسید می‌شود تا دی‌اکسید نیتروژن بدست آید. هنگام کاهش ماده و تبدیل دوبارهٔ آن به اکسید نیتروژن واکنش جذب گاز توسط آب نیز انجام می‌شود و اسید نیتریک رقیق بدست می‌آید و در ادامه با تقطیر به غلظت مطلوب می‌رسد.
= خواص فیزیکی و شیمیایی = اسید نیتریک موجود در بازار یک آزوتروپ با آب در غلظت 68٪ HNO3 است. این محلول دارای دمای جوش 120.5 درجه سانتی گراد در 1 اتمسفر است. به عنوان "اسید نیتریک غلیظ" شناخته می شود. اسید نیتریک غلیظ خالص مایعی بی رنگ در دمای اتاق است.
دو هیدرات جامد شناخته شده است: مونوهیدرات (HNO3 · H2O یا [H3O] NO3) و تری هیدرات (HNO3 · 3H2O).
گاهی اوقات مقیاس چگالی قدیمی تر دیده می شود ، با اسید نیتریک غلیظ مشخص شده به عنوان 42 درجه.
نیتریک اسید در معرض تجزیه گرمایی یا نور قرار دارد و به همین دلیل اغلب در بطری‌های شیشه‌ای قهوه‌ای ذخیره می‌شود .
4 HNO3 = 2 H2O + 4 NO2 + O2
این واکنش ممکن است منجر به تغییرات ناچیز در فشار بخار در بالای مایع شود زیرا اکسیده‌ای نیتروژن تولید شده به طور نسبی یا کامل در اسید حل می‌شوند .
دی‌اکسید نیتروژن ( NO۲ ) در اسید نیتریک به رنگ زرد یا حتی قرمز در دماهای بالاتر حل می‌شود . در حالی که اسید خالص به هنگام مواجهه با هوا ، گاز سفید را رها می‌کند ، اسید همراه با نیتروژن حل‌شده ، بخار قهوه‌ای مایل به قرمز را رها می‌کند و منجر به نام‌های عامیانه " اسید نیتریک " و " نیتریک اسید خشمگین " می‌شود . اکسیده‌ای نیتروژن ( اکسیده‌ای نیتروژن ) در نیتریک اسید حل می‌شوند .
یک درجه تجاری Fuming nitric acid حاوی 98٪ HNO3 و چگالی 1.50 گرم در سانتی متر مکعب است. این درجه اغلب در صنایع منفجره استفاده می شود. به اندازه اسید بی آب فرار و خورنده نیست و غلظت تقریبی آن 21.4 M است.
اسید نیتریک بخور دهنده قرمز یا RFNA حاوی مقادیر قابل توجهی دی اکسید نیتروژن محلول (NO2) است که محلول را با یک رنگ قهوه ای مایل به قرمز ترک می کند. به دلیل دی اکسید نیتروژن محلول ، تراکم اسید نیتریک بخور دهنده قرمز در 1.490 گرم در سانتی متر مکعب کمتر است.
بخار اسید نیتریک مهار شده (یا IWFNA یا IRFNA) می تواند با افزودن 0.6 تا 0.7٪ هیدروژن فلوراید (HF) ساخته شود. این فلوراید برای مقاومت در برابر خوردگی در مخازن فلزی اضافه می شود. فلوراید یک لایه فلورید فلز ایجاد می کند که از فلز محافظت می کند.
Fuming nitric acid سفید ، اسید نیتریک خالص یا WFNA ، بسیار نزدیک به اسید نیتریک بی آب است. با سنجش به عنوان اسید نیتریک 9/99 درصد در دسترس است. یکی از مشخصات اسید نیتریک بخور سفید این است که حداکثر 2٪ آب و حداکثر 0.5٪ NO2 محلول دارد.
اسید نیتریک بی آب دارای تراکم 1.513 گرم در سانتی متر مکعب است و غلظت تقریبی آن 24 مولار است. اسید نیتریک بی آب یک مایع متحرک بی رنگ با تراکم 1.512 گرم در سانتی متر مکعب است که در دمای 42- درجه سانتیگراد جامد می شود و بلورهای سفید تشکیل می دهد.
با تجزیه شدن آن به NO2 و آب ، رنگ زرد به دست می آورد. در دمای 83 درجه سانتی گراد می جوشد. این ماده معمولاً در یک بطری شیشه ای کهربای ضد شکن و با دو برابر فضای سر نگهداری می شود تا امکان ایجاد فشار فراهم شود ، اما حتی با این اقدامات احتیاطی بطری باید ماهانه تخلیه شود تا فشار خارج شود.
دو تا از پیوندهای N-O معادل و نسبتاً کوتاه هستند (این را می توان با تئوری های تشدید توضیح داد ؛ اشکال متعارف در این دو پیوند شخصیت پیوند دوگانه نشان می دهد و باعث می شود کوتاه تر از پیوندهای معمولی N-O باشند) ، و پیوند N-O سوم کشیده است زیرا اتم O نیز به یک پروتون متصل است.
= کاربرد = اصلی ترین کاربرد صنعتی اسید نیتریک برای تولید کودها است. اسید نیتریک با آمونیاک خنثی می شود و نیترات آمونیوم می دهد. این برنامه 75-80٪ از 26 میلیون تن تولید سالانه (1987) را مصرف می کند. سایر کاربردهای اصلی برای تولید مواد منفجره ، پیش سازهای نایلون و ترکیبات آلی ویژه است.
در سنتز آلی ، صنعتی و غیره ، گروه نیترو یک گروه عملکردی همه کاره است. مخلوطی از اسیدهای نیتریک و سولفوریک با جایگزینی معطر الکتروفیل ، یک جایگزین نیترو به ترکیبات مختلف معطر وارد می کند. بسیاری از مواد منفجره مانند TNT به این روش تهیه می شوند:
C6H6CH3 + 3 HNO3 = C6H2(NO2)3CH3 + 3 H2O
اسید سولفوریک غلیظ یا اولئوم آب اضافی را جذب می کند.
H2S2O7 + H2O = 2 H2SO4
گروه نیترو را می توان برای ایجاد یک گروه آمین کاهش داد ، اجازه می دهد ترکیبات آنیلین از نیتروبنزن های مختلف ایجاد شود
پیش ماده نایلون ، اسید آدیپیک ، در مقیاس وسیعی توسط اکسیداسیون "روغن KA" - مخلوطی از سیکلوهگزانون و سیکلوهگزانول - با اسید نیتریک تولید می شود.
از اسید نیتریک به اشکال مختلف به عنوان اکسید کننده موشک های دارای سوخت مایع استفاده شده است. این اشکال شامل اسید نیتریک بخور دهنده قرمز ، اسید نیتریک بخور دهنده سفید ، مخلوط با اسید سولفوریک و این اشکال با مهار کننده HF است. IRFNA (بخار نیتریک اسید مهار شده قرمز) یکی از 3 جز fuel سوخت مایع موشک BOMARC بود.
از اسید نیتریک می توان برای تبدیل فلزات به فرم های اکسیده مانند تبدیل فلز مس به نیترات کاپریک استفاده کرد. همچنین می تواند در ترکیب با اسید کلریدریک به عنوان آبزیان برای حل شدن فلزات نجیب مانند طلا (به عنوان اسید کلروآوریک) استفاده شود. از این نمکها می توان برای فرآیند تبلور مجدد و نزولات انتخابی برای تصفیه طلا و سایر فلزات فراتر از خلوص 99.9٪ استفاده کرد.
در تجزیه و تحلیل اولیه توسط ICP-MS ، ICP-AES ، GFAA و Flame AA ، از اسید نیتریک رقیق (0.5-5.0 .0) به عنوان یک ترکیب ماتریس برای تعیین محلول های ردیابی فلز استفاده می شود. برای چنین تعیینی ، اسید ردیابی فلز فوق العاده خالص مورد نیاز است ، زیرا مقادیر کمی از یونهای فلزی می تواند نتیجه آنالیز را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین به طور معمول در فرآیند هضم نمونه های آب کدر ، نمونه های لجن ، نمونه های جامد و همچنین انواع دیگر نمونه های منحصر به فرد که به تجزیه و تحلیل اساسی از طریق ICP-MS ، ICP-OES ، ICP-AES ، GFAA و طیف سنجی جذب اتمی شعله نیاز دارند ، استفاده می شود. . به طور معمول در این هضم ها از محلول 50٪ HNO خریداری شده استفاده می شود 3 مخلوط با نوع 1 DI آب.
در الکتروشیمی ، از اسید نیتریک به عنوان ماده شیمیایی دوپینگ برای نیمه هادی های آلی و در فرآیندهای تصفیه برای نانولوله های کربن خام استفاده می شود.
در غلظت کم (تقریباً 10٪) ، اسید نیتریک اغلب برای پیر شدن مصنوعی کاج و افرا استفاده می شود. رنگ تولید شده یک طلای خاکستری است و بسیار شبیه چوب های بسیار قدیمی موم یا روغن (اتمام چوب) است.
از اثرات خورنده اسید نیتریک برای برخی از کاربردهای خاص مانند قلم زنی در چاپ ، ترشی فولاد ضد زنگ یا تمیز کردن ویفرهای سیلیکونی در الکترونیک استفاده می شود.
از محلول اسید نیتریک ، آب و الکل ، نیتال ، برای حکاکی فلزات استفاده می شود تا ریز ساختار را آشکار کند. ISO 14104 یکی از استاندارد هایی است که جزئیات این روش کاملاً شناخته شده را بیان می کند. اسید نیتریک یا در ترکیب با اسید کلریدریک یا به تنهایی برای تمیز کردن لغزش های شیشه ای و سرسره های شیشه ای برای کاربردهای میکروسکوپ پیشرفته استفاده می شود. همچنین برای تمیز کردن شیشه قبل از نقره سازی هنگام ساخت آینه های نقره استفاده می شود. مخلوط های آبی موجود در بازار از 5-30٪ اسید نیتریک و 15-40٪ اسید فسفریک معمولاً برای تمیز کردن مواد غذایی و تجهیزات لبنی در درجه اول برای از بین بردن رسوبات کلسیم و منیزیم استفاده می شود (یا از جریان فرآیند رسوب می کند یا ناشی از استفاده از آب سخت در هنگام تولید و تمیز کردناست)
. محتوای اسید فسفریک به غیرفعال شدن آلیاژهای آهن در برابر خوردگی توسط اسید نیتریک رقیق کمک می کند.
اسید نیتریک می تواند به عنوان یک آزمایش لکه ای برای آلکالوئیدها مانند LSD مورد استفاده قرار گیرد و بسته به آلکالوئید رنگ های متنوعی را ایجاد می کند.
= واکنش با مواد مختلف = نیتریک اسید در واکنش با سولفوریک اسید یک اسید قوی تولید می‌کند که در این فرایند یون نیترونیوم فعال نیز آزاد می‌شود که در ترکیب با مواد آلی مواد منفجره قوی نظیر تی ان تی ونیتروگلسیرین و… تولید می‌کند .(فرایند نیتراسیون). یکی از مهم‌ترین واکنش‌های نیتریک اسید واکنش آن با گلیسیرین که باعث تولید نیتروگلیسیرین می‌شود.
HNO + 2HSO ⇌ NO + HO + 2HSO; "K" ~ ۲۲
یکی از کاربردهای آن در صنعت، استفاده از آن برای پولیش کاری ورق‌های فولاد ضدزنگ ۳۰۴ است، که از اسید نیتریک در ترکیب با آب و دی اکساید تیتانیوم استفاده می‌شود.
= ایمنی = اسید نیتریک یک اسید خورنده و یک ماده اکسید کننده قوی است. خطر عمده ناشی از آن سوختگی های شیمیایی است ، زیرا هیدرولیز اسید را با پروتئین ها (آمید) و چربی ها (استر) انجام می دهد ، در نتیجه بافت زنده (به عنوان مثال پوست و گوشت) تجزیه می شود. اسید نیتریک غلیظ به دلیل واکنش آن با کراتین ، پوست انسان را زرد رنگ می کند. این لکه های زرد در هنگام خنثی شدن نارنجی می شوند. اثرات سیستمیک بعید است و این ماده سرطان زا یا جهش زا محسوب نمی شود.
روش درمانی کمک اولیه اولیه برای ریختن اسید بر روی پوست ، مانند سایر عوامل خورنده ، آبیاری با مقادیر زیادی آب است. شستشو به مدت حداقل 10-15 دقیقه برای خنک شدن بافت اطراف سوختگی اسیدی و جلوگیری از آسیب ثانویه ادامه دارد. لباس های آلوده بلافاصله برداشته می شوند و پوست زیر کاملاً شسته می شود.
اسید نیتریک به عنوان یک ماده اکسید کننده قوی ، می تواند با ترکیباتی مانند سیانیدها ، کاربیدها یا پودرهای فلزی به طور انفجاری و با بسیاری از ترکیبات آلی ، مانند سقز ، به شدت و بیش از حد (مثلاً با خود اشتعال) واکنش نشان دهد. از این رو ، باید دور از پایه ها و مواد آلی ذخیره شود.
= جستارهای وابسته =
= منابع =