اسید نیتریک

اسید نیتریک (Nitric Acid) – از ماهیت شیمیایی تا کاربردهای گسترده

اسید نیتریک (HNO₃)، که با نام‌ های جوهر شوره یا نیتریک اسید نیز شناخته می‌ شود، یکی از اسیدهای مهم در صنعت است. این ماده بی‌ رنگ است اما با گذشت زمان به دلیل تجزیه به اکسیدهای نیتروژن و آب، رنگ آن به زرد یا قرمز تمایل پیدا می‌کند. اسید نیتریک نقش کلیدی در صنایع مختلف از جمله تولید کود، مواد منفجره و فرآوری فلزات ایفا می‌ کند.

ماهیت، فرمول و ساختار شیمیایی

• فرمول شیمیایی: HNO₃

• نام آیوپاک: Nitric Acid

• شکل فیزیکی: در حالت خالص، مایعی بی رنگ و دود کننده است. با این حال، نمونه های تجاری به دلیل تجزیه و آزاد شدن دی اکسید نیتروژن (NO₂)، اغلب به رنگ زرد تا قرمز دیده می شوند.

• ساختار مولکولی: مولکول اسید نیتریک مسطح است. اتم نیتروژن (N) در مرکز قرار دارد و با یک اتم هیدروژن (از گروه OH) و دو اتم اکسیژن (O) پیوند دارد. یکی از این اکسیژن ها با نیتروژن یک پیوند دوگانه تشکیل می دهد. ساختار آن به صورت زیر است:

O
∥
H-O-N
∣
O

در واقع، این اسید، شامل پیوندهای رزونانسی است که بر پایداری مولکول می افزاید. اسید نیتریک یک اسید قوی است و در آب به طور کامل یونیزه می شود. این خاصیت، آن را به یک عامل اسیدی کننده و واکنشگر بسیار موثر تبدیل کرده است.

HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃⁻

خواص فیزیکی و شیمیایی اسید نیتریک

خواص فیزیکی

اسید نیتریک خالص مایعی بی‌رنگ با چگالی ۱٫۵۱۲۹ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. دمای ذوب آن ۴۲- درجه سلسیوس و دمای جوش آن ۸۳ درجه سلسیوس است. این اسید کاملاً در آب حل می‌ شود و با آب تشکیل آزئوتروپ می‌دهد که غلظت ۶۸٪ وزنی HNO₃ دارد و نقطه جوش آن ۱۲۰٫۵ درجه سلسیوس است. اسید نیتریک موجود در بازار معمولاً با غلظت ۶۸٪ عرضه می‌ شود. اگر غلظت بیش از ۸۶٪ باشد، به آن اسید نیتریک دود زا می‌ گویند که انواع دود سفید (بیش از ۹۵٪) و دود قرمز (بیش از ۸۶٪) دارد. این انواع به دلیل آزاد کردن بخارهای NO₂، رنگ قرمز یا قهوه‌ ای دارند.

سایر خواص فیزیکی عبارتند از:

• جرم مولی: ۶۳٫۰۱ گرم بر مول
• اسیدیته (pKa): −۱٫۴
• ضریب شکست: ۱٫۳۹۷ (در ۱۶٫۵ درجه سلسیوس)
• گشتاور دوقطبی: ۲٫۱۷ ± ۰٫۰۲ D
• ظرفیت گرمایی مولی: ۱۴۶ J·mol⁻¹·K⁻¹
• انرژی استاندارد تشکیل: −۲۰۷ kJ/mol

خواص شیمیایی

اسید نیتریک یک اکسیدکننده قوی است و در معرض نور یا گرما تجزیه می‌ شود: ۴HNO₃ → ۲H₂O + ۴NO₂ + O₂. این تجزیه باعث تغییر رنگ آن می‌ شود. ساختار مولکولی آن شامل دو پیوند N-O کوتاه و معادل (به دلیل رزونانس) و یک پیوند N-O طولانی‌ تر متصل به هیدروژن است. این اسید با بسیاری از مواد از جمله فلزات (مانند مس برای تولید نیترات مس) و ترکیبات آلی برای نیتراسیون، واکنش می دهد.

خواص فیزیکی و شیمیایی کلیدی

• بوی تند و خفه کننده: دارای بویی تیز و محرک است.

• خورندگی شدید: به اکثر فلزات (به جز طلا، پلاتین و برخی فلزات نجیب دیگر) و بافت های زنده آسیب می رساند.

• اکسیدکننده قوی: اسید نیتریک یک عامل اکسیدکننده بسیار قدرتمند است. این خاصیت در واکنش با فلزات و مواد آلی (مانند مواد منفجره) حیاتی است. واکنش آن با مس یک نمایش کلاسی است:
  Cu + 4HNO₃ (غلیظ) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
  3Cu + 8HNO₃ (رقیق) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

• تجزیه پذیری: اسید نیتریک در معرض نور و حرارت به تدریج تجزیه شده و گاز دی اکسید نیتروژن (NO₂) تولید می کند که رنگ قهوه ای – قرمز دارد. به همین دلیل، باید آن را در بطری های تیره و در جای خنک نگهداری کرد.

4HNO₃ → 2H₂O + 4NO₂ + O₂

• انحلال پذیری: با آب به هر نسبتی قابل امتزاج است و حلالیت بالایی دارد. گرمای حاصل از رقیق کردن آن بسیار زیاد است و باید همیشه اسید را به آب اضافه کرد، نه برعکس. 

تاریخچه اسید نیتریک

اسید نیتریک از قرن شانزدهم میلادی برای جداسازی طلا از نقره استفاده می‌ شد. نام “جوهر شوره” از تولید آن از شوره (نیترات پتاسیم) گرفته شده است. در گذشته، با حرارت دادن شوره با سولفات آهن یا زاج تولید می‌ شد. روش گلاوبر (با سولفات آهن) تا قرن هجدهم رایج بود، اما بعدها روش آلومین جایگزین آن شد. در قرن نوزدهم، با استفاده از نیترات سدیم شیلیایی و اسید سولفوریک تولید می‌شد.

روش‌های تولید اسید نیتریک

تولید صنعتی مدرن اسید نیتریک عمدتاً بر پایه آمونیاک است. روش‌ های تاریخی شامل واکنش اسید سولفوریک با نیترات سدیم بود: ۲NaNO₃ + H₂SO₄ → ۲HNO₃ + Na₂SO₄.

فرایند بریک‌ لند-ایده (Birkeland–Eyde)

این روش قدیمی، از اکسیداسیون نیتروژن هوا با انرژی الکتریکی استفاده می‌ کرد: N₂ + O₂ → ۲NO. سپس NO به HNO₃ تبدیل می‌ شد، اما به دلیل مصرف انرژی بالا، منسوخ شد.

فرایند استوالد (Ostwald)

آمونیاک در حضور کاتالیزور پلاتین یا رودیم با اکسیژن اکسید شده تا NO تولید شود، سپس NO به NO₂ اکسید و در آب جذب می‌شود تا HNO₃ رقیق تشکیل شود. این اسید سپس تقطیر شده تا غلظت مورد نظر به دست آید. این فرایند کارآمد و اقتصادی است. امروزه از این روش برای تولید اسید نیتریک استفاده می شود. مراحل این فرآیند به شرح ذیل است:
۱. اکسیداسیون آمونیاک: آمونیاک با هوا در دمای بالا (حدود ۸۵۰-۹۰۰ درجه سانتیگراد) و در حضور کاتالیزور، به مونوکسید نیتروژن (NO) اکسید می شود.

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

۲. اکسیداسیون مونوکسید نیتروژن: NO در ادامه با اکسیژن بیشتر واکنش داده و به دی اکسید نیتروژن (NO₂) تبدیل می شود.

2NO + O₂ → 2NO₂

۳. جذب در آب: دی اکسید نیتروژن در برج های جذب با آب واکنش داده و اسید نیتریک تولید می کند.

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

مونوکسید نیتروژن تولید شده دوباره به مرحله قبل بازگردانی می شود. اسید تولید شده در این فرآیند، با غلظت حدود ۶۰-۷۰٪ به دست می آید و برای تولید غلظت های بالاتر، تقطیر می شود.

کاربردهای اسید نیتریک در صنایع مختلف

 کشاورزی

بیشترین مصرف اسید نیتریک (حدود ۷۵-۸۰٪) در تولید کودهای شیمیایی نیتروژنه است. نیتروژن یکی از عناصر اصلی برای رشد گیاهان است.

• تولید نیترات آمونیوم (NH₄NO₃): نیترات آمونیوم، یکی از مهمترین و پر مصرف ترین کودهای نیتروژنه در جهان است که از واکنش اسید نیتریک با آمونیاک تولید می شود.

• تولید اوره-نیترات آمونیوم (UAN): کود اوره نتیرات مایع پرکاربرد، برای تامین نیاز ازت گیاهان است.

• تولید سایر نیترات ها: مانند نیترات کلسیم و نیترات پتاسیم که هم به عنوان کود و هم در کشاورزی هیدروپونیک استفاده می شوند.

صنایع شیمیایی و مواد منفجره

• تولید مواد منفجره: اسید نیتریک برای نیتراته کردن ترکیبات آلی مانند تولوئن (برای ساخت TNT) و گلیسیرین (برای ساخت نیتروگلیسیرین) استفاده می شود. نیتروگلیسیرین خود یک ماده منفجره قوی و همچنین پایه اصلی تولید دینامیت است.

• تولید رنگ و پلیمر: در سنتز بسیاری از رنگدانه ها و مواد اولیه صنایع پلیمری (مانند نایلون) کاربرد دارد.

• ساخت حلال ها: اسید نیتریک در تولید حلال هایی مانند نیتروسلولز نیز استفاده می شود.

متالورژی و فلزکاری

• پالایش و خالص سازی فلزات: به دلیل خاصیت اکسیدکنندگی قوی، در استخراج و خالص سازی فلزاتی مانند طلا و نقره استفاده می شود.

• آماده سازی سطح و اچینگ (Etching): از اسید نیتریک رقیق برای تمیز کردن و اچ کردن سطح فلزات (به ویژه مس، برنج و فولاد زنگ نزن) قبل از آبکاری یا رنگ آمیزی استفاده می شود.

• شات پیکلینگ (Pickling): برای زدودن اکسیدها و ناخالصی ها از سطح فولادهای ضد زنگ به کار می رود.

صنایع داروسازی

در سنتز بسیاری از داروها، به ویژه داروهای نیتراته مانند نیتروگلیسیرین (که برای درمان آنژین صدری نیز استفاده می شود) و برخی آنتی بیوتیک ها نقش دارد.

صنایع الکترونیک

از اسید نیتریک بسیار خالص (الکترونیک گرید) برای تمیز کردن سیلیکون ها و ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) استفاده می شود.

سوخت موشک

انواع دودزا به عنوان اکسیدکننده در سوخت موشک‌ها، مانند IRFNA (با HF برای جلوگیری از خوردگی) استفاده می شود. اسید نیتریک دودکننده (به ویژه نوع قرمز) به عنوان یک اکسیدان قوی در سوخت مایع موشک ها به کار می رود.

دیگر کاربردها

در فرآیند فرآوری فلز، اسید نیتریک در حل فلزات نجیب مانند طلا (با اسید هیدروکلریک به عنوان آب‌رگ)، تصفیه طلا تا ۹۹٫۹٪ خلوص، و ترشی فولاد ضدزنگ، کاربرد دارد. در آنالیز عنصری (مانند ICP-MS) برای هضم نمونه‌ ها و در الکتروشیمی برای دوپینگ نیمه‌ هادی‌ ها استفاده می شود. از دیگر کاربردهای این اسید می توان به : پیر کردن چوب (غلظت ۱۰٪)، حکاکی فلزات (نیتال)، تمیز کردن تجهیزات لبنی، و آزمایش آلکالوئیدها مانند LSD اشاره کرد.

ایمنی و خطرات اسید نیتریک

اسید نیتریک بسیار خورنده و اکسیدکننده است و می‌ تواند باعث سوختگی شدید شود. تماس با پوست آن را زرد می‌کند (واکنش با کراتین) و اثرات سیستمیک ندارد، اما سرطان‌ زا نیست. در صورت تماس، بلافاصله با آب زیاد شستشو دهید (حداقل ۱۰-۱۵ دقیقه) و لباس‌های آلوده را بردارید.

خطرات:

• واکنش با مواد احتراق‌ پذیر باعث آتش‌ سوزی می‌ شود.
• با ترکیبات آلی مانند سقز، خود به‌ خود مشتعل می‌ شود.
• باید دور از پایه‌ ها، مواد آلی و فلزات پودری نگهداری شود.
• بخارهای آن سمی است و باید در ظروف شیشه‌ ای قهوه‌ ای و تحت فشار کنترل‌ شده ذخیره شود.

کدهای ایمنی EU: R۸ (خطر آتش‌سوزی با مواد احتراق‌ پذیر)، R۳۵ (سوختگی شدید).

ملاحظات ایمنی نگهداری

اسید نیتریک به دلیل خورندگی و سمیت، ماده ای بسیار خطرناک محسوب می شود.

• تماس با پوست و چشم: باعث سوختگی های شدید شیمیایی، نکروز بافت و آسیب دائمی به چشم می شود.

• تنفس بخارات: بخارات آن به شدت محرک دستگاه تنفسی هستند و می توانند باعث ادم ریه شوند.

• واکنش پذیری: واکنش شدید با بسیاری از مواد (مانند استون، سیانورها، ترپنتین) دارد و ممکن است منجر به آتش سوزی یا انفجار شود.

رعایت نکات ایمنی هنگام کار با اسید نیتریک

• استفاده از تجهیزات حفاظت فردی (PPE): شامل دستکش های مقاوم (مانند نیتریل)، عینک محافظ، ماسک صورت و روپوش آزمایشگاهی.

• نگهداری در ظروف مناسب: ظروف شیشه ای یا استنلس استیل (گرید ۳۱۶) تیره، در مکانی خنک، دور از نور مستقیم خورشید و مواد ناسازگار.

• تهویه مناسب: استفاده از اسید نیتریک حتماً باید زیر هود انجام شود.

• آمادگی برای مقابله با حوادث: وجود دوش و چشم شوی ایمنی در نزدیکی محل کار ضروری است.

• دقت در رقیق کردن: همیشه اسید را به آرامی و به مقدار کم به آب سرد اضافه کنید.

اسید نیتریک به عنوان یک ماده شیمیایی پایه، نقش غیرقابل انکاری در تمدن مدرن ایفا می کند. از تامین غذای میلیاردها نفر از طریق تولید کود، تا ایمنی ملی با ساخت مواد منفجره و پیشرفت در فناوری با کاربرد در الکترونیک، ردپای این اسید قدرتمند در تمام جنبه های زندگی صنعتی دیده می شود. با این حال، قدرت و کارایی آن مستلزم احترام و رعایت دقیق اصول ایمنی است تا بتوان از مزایای آن بهره برد و از خطراتش در امان ماند. اگرینت، این مقاله بر اساس اطلاعات معتبر گردآوری کرده است. برای استفاده عملی، همیشه از تجهیزات ایمنی مانند دستکش و عینک استفاده کنید و دستورالعمل‌های MSDS را رعایت نمایید.