اسید نیتریک، با فرمول HNO3، یک نوع اسید معدنی بسیار قوی است که به آن جوهر شوره هم می‌گویند. این اسید در ترکیب خالص خود بی‌رنگ است، اما به مرور زمان به دلیل تجزیه به اکسیدهای نیتروژن و آب، زردرنگ می‌شود. (۲)

اسید نیتریک خالص (HNO3) در دمای ۴۱٫۶ درجه سلسیوس ذوب شده و مایع بی‌رنگی تولید می‌کند. اما کیفیت رنگ آن تابع درجه حرارت و درجه تابش نور است و می‌تواند از زرد به قرمزی، و حتی به قهوه‌‌ای، تغییر کند. این تغییر در نوع رنگ ناشی از تجزیه آن است که به وسیله‌ی واکنش زیر دنبال می‌شود:

۴HNO3 → ۲H2O + ۴NO2 + O2

بنابراین، ظروفی که حاوی این اسید هستند، همیشه تحت فشار کنترل شده قرار می‌گیرند. اسید نیتریک با آب قابل احتراق است و محلول آن آزئوتروپی تشکیل می‌دهد. نقطه جوش این آزئوتروپ برابر با ۱۲۱٫۹ درجه سلسیوس می‌باشد و شامل ۶۸٫۷٪ وزنی HNO3 است.

اغلب اسید نیتریک‌هایی که در بازار در دسترس هستند، دارای غلظتی حدود ۶۸٪ درون آب هستند. نقطه جوش این محلول در فشار یک اتمسفر، ۱۲۰٫۵ درجه سلسیوس است. دو شکل هیدراتی برای آن شناخته شده‌اند:

هیدرات مونو (HNO3·H2O)
هیدرات تری (HNO3·۳H2O)

در صورتی که غلظت اسید نیتریک بیشتر از ۸۶٪ باشد، به آن اسید نیتریک دودزا می‌گویند. همچنین، اسید نیتریک با غلظت بیش از ۹۵٪ به عنوان اسید نیتریک دودسفید و با غلظت بیش از ۸۶٪ به عنوان اسید نیتریک دودقرمز شناخته می‌شود. از این اسیدها به عنوان اکساینده در سوخت راکت استفاده می‌شود.

تاریخچه

در قرن شانزدهم میلادی از اسید نیتریک برای جداسازی طلا از نقره استفاده می‌شد.

اسید نیتریک از شوره به دست می‌آمد؛ به این صورت که سولفات آهن یا زاج در حالت گرم بر روی شوره اثر می‌گذاشتند. روش تولید نشان می‌دهد که شوره مورد استفاده، خالص بود. به ترکیبی از دو ماده، کمی ماسه، آهک یا سفال اضافه می‌شد؛ ماده به دست آمده را در یک شیشه کوچک با درب جمع می‌نمودند. این شیشه‌ها را در کوره آهک پزی قرار می‌دادند 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 باعث پخش گرما و جلوگیری از ترک برداری شیشه می‌شد، قرار می‌دادند. از درپوش شیشه‌ها لوله‌هایی خارج می‌شد که به همان تعداد شیشه‌های مایع‌کننده، بر روی سکویی خارج از کوره متصل بودند.

همه اتصالات به‌دقت آب‌بندی می‌شدند. حرارت ابتدا معتدل بود تا ماده خام در داخل شیشه‌ها خشک شود، سپس هر شش ساعت حرارت را به تدریج افزایش می‌دهند، گازهای نیترو همراه با آب تبلور نمک‌ها، خارج می‌شد. هرگاه رنگ محصول تقطیر نشان می‌دهد که تجزیه به پایان رسیده است، حرارت را به‌تدریج کاهش می‌دهند.

روش سولفات آهن طبق توضیح شده توسط گلاوبِر استفاده می‌شد. این روش بی‌شک تا آغاز قرن هجدهم، تنها روش استفاده شده برای تولید اسید نیتریک بوده است. انگلیسی‌ها و هلندی‌ها به مدتی بعد هم از روش سولفات آهن استفاده می‌کردند؛ اما در فرانسه روش آلومینیم جای آن را گرفت.

در دوران گذشته، تولیدکنندگان اسید نیتریک معتقد بودند که بازدهی تولید با استفاده از روش آلومینیم کمتر از بازده آن با استفاده از سولفات آهن است. مدتی بعد، دیدگاه مخالف مسلماً غلبه کرد بدون آنکه مشخص شود که این تغییر عقیده بر اساس چه مشاهداتی ایجاد شده است.

بدیهی است که آزمایشگاهی در این رابطه بی‌تأثیر بوده است. محتوای کتاب‌های شیمی شامل دستورالعمل‌های نسخه‌هایی است که نویسندگان از اجراکنندگان آن دریافت کرده‌اند. به نظر می‌رسد تغییرات در روش‌های سنتی نتیجه‌ای از ایجاد بازار بهتر و تقاضای بیشتر بوده است.

روش‌های تهیه اسید نیتریک

در تولید صنعتی امروز، اسید نیتریک توسط آمونیاک به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. از منظر تاریخی، اسید نیتریک اولین بار از تأثیر اسید سولفوریک بر نیترات سدیم (شوره شیلی) به دست آمد. واکنش در کوره‌هایی با دمای ۱۵۰ تا ۱۷۰ درجه سانتی‌گراد صورت می‌گیرد. اسید تولید شده دارای غلظت ۸۳ تا ۸۶ درصد است و به عنوان اسید دودکننده شناخته می‌شود. رنگ این اسید متغیر است و می‌تواند از قرمز تا زرد باشد.

2 NaNO₃ + H₂SO₄ → 2 HNO₃ + Na₂SO₄

فرایند بریک-لند (روش بیرکلند-ایده) در این روش، می‌توان اسید نیتریک را از اکسید نیتریک آماده کرد، طبق واکنش زیر:

N2 + O2 → 2NO + 43 کیلوکالری

تبدیل NO به HNO3 با اکسیداسیون و هیدراتاسیون صورت می‌پذیرد. در این فرایند، به دلیل کمبود غلظت NO، علاوه بر هزینه انرژی الکتریکی، برخی مقدار گاز باید در جریان حضور داشته باشد. علاوه بر این، دمای بالا باعث واکنش معکوس و تجزیه NO می‌شود.

فرایند استوالد (روش استوالد) در ابتدا، آمونیاک را در حضور اکسیژن و با کمک یک کاتالیزور مانند پلاتین یا رودیم، گرم می‌کنیم تا اکسایش و همزمان کاهش انجام شود و اکسید نیتروژن و آب به دست آید. اکسید نیتروژن سپس باز هدایت می‌شود تا به دی اکسید نیتروژن تبدیل شود. هنگام کاهش و دوباره تولید اکسید نیتروژن، واکنش جذب گاز توسط آب نیز رخ می‌دهد و اسید نیتریک رقیق بدست می‌آید و با تقطیر، به غلظت مطلوبی می‌رسد.

خواص فیزیکی و شیمیایی

اسید نیتریک، یک ماده شیمیایی که در بازار در غلظت 68٪ موجود است. این محلول در دمای جوش 120.5 درجه سانتیگراد در فشار 1 اتمسفر جوش می‌آید و به عنان “اسید نیتریک غلیظ” شناخته می‌شود. این اسید در دمای اتاق به صورت یک مایع بی رنگ و خالص وجود دارد.

دو نوع هیدرات جامد از این اسید شناخته شده است: مونوهیدرات (HNO3 · H2O یا [H3O] NO3) و تری‌هیدرات (HNO3 · 3H2O).

گاهی اوقات تاکسیدومتری نسخه قدیمی تری دیده می‌شود که در آن اسید نیتریک غلیظ به عنوان 42 درجه شناخته می‌شود.

یک اصلاح گرامری دیگر: جامد هایدرات های شناخته شده شامل مونوهیدرات (HNO3 · H2O یا [H3O] NO3) و تری‌هیدرات (HNO3 · 3H2O) هستند.

پیوند با نیتروژن دی‌اکسید

نیتریک اسید در معرض تزیه گرمایی یا نور قرار دارد و به همین دلیل اغلب در بطری‌های شیشه‌ای قهوه‌ای ذخیره می‌شود.

4HNO3=2H2O+4NO2+O2

این واکنش ممکن است منتج به تغییرات ناچیز در فشار بخار در بالای مایع شود زیرا اکسیدهای نیتروژن تولید شده به طورنسبی یا کامل در اسید حل می‌شوند.

دی‌اکسید نیتروژن ( NO۲ ) در اسید نیتریک به رنگ زرد یا حتی قرمز در دماهای بالاتر حل می‌شود. درحالی 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 موجب تشکیل نام‌های عامیانه ” اسید نیتریک ” و ” نیتریک اسید خشمگین ” می‌شود. اکسیدهای نیتروژن ( اکسید نیتروژن ) در اسید نیتریک حل می‌شوند.

Fuming nitric acid

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.

اسید نیتریک بدون آب

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.

ساختار و پیوند

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. ^[۴]

پیش ماده ترکیبات آلی نیتروژن

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:

${\displaystyle {\text{C}}_6^{}{\text{H}}_6^{}{\text{CH}}_3^{}+3{\text{HNO}}_3^{}={\text{C}}_6^{}{\text{H}}_2^{}{({\text{NO}}_2^{})}_3^{}{\text{CH}}_3^{}+3{\text{H}}_2^{}\text{O}}$

اسید سولفوریک غلیظ یا اولئوم آب اضافی را جذب می کند.

${\displaystyle {\text{H}}_2^{}{\text{S}}_2^{}{\text{O}}_7^{}+{\text{H}}_2^{}\text{O}=2{\text{H}}_2^{}{\text{SO}}_4^{}}$

گروه نیترو را می توان برای ایجاد یک گروه آمین کاهش داد ، اجازه می دهد ترکیبات آنیلین از نیتروبنزن های مختلف ایجاد شود

استفاده به عنوان اکسید کننده

پیش ماده نایلون ، اسید آدیپیک ، در مقیاس وسیعی توسط اکسیداسیون “روغن KA” – مخلوطی از سیکلوهگزانون و سیکلوهگزانول – با اسید نیتریک تولید می شود.

پیشرانه موشکی

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 سولفوریک اسید و این اشکال با مهار کننده HF است. ^[۵] IRFNA (بخار نیتریک اسید مهار شده قرمز) یکی از 3 جز fuel سوخت مایع موشک BOMARC بود. ^[۶]

فرآوری فلز

از اسید نیتریک می توان برای تبدیل فلزات به فرم های اکسیده مانند تبدیل فلز مس به نیترات مس استفاده کرد. همچنین می تواند در ترکیب با اسید هیدروکلریک 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.

معرف تحلیلی

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.

نجاری

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.

عامل اچ و تمیز کننده

از اثرات خورنده اسید نیتریک برای برخی از کاربردهای خاص مانند قلم زنی در چاپ ، ترشی فولاد زنگ نزن یا تمیز کردن ویفرهای سیلیکونی در الکترونیک استفاده می شود.^[۷]

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. ^[۸]

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

واکنش با سولفوریک اسید

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.

HNO₃ + 2H₂SO₄ ⇌ NO₂⁺ + H₃O⁺ + 2HSO₄⁻; 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 (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 سرطانزا یا جهش‌زا 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 ، کاربید ها یا پودرهای فلز به طور انفجار و با بسیاری از ترکیب 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.