یک اسید معدنی قوی، بی‌رنگ و با بوی تند است که به دلیل خواص شیمیایی و کاربردهای گسترده‌اش در صنایع مختلف شناخته می‌شود. این ماده به شدت خورنده است و در صورت تماس با پوست یا چشم می‌تواند آسیب جدی ایجاد کند. نیتریک اسید به عنوان یک اکسیدکننده قوی عمل می‌کند و در واکنش‌های شیمیایی متعددی کاربرد دارد.
ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی : با فرمول شیمیایی: HNO₃ جرم مولی معادل 63.01 گرم بر مول دارد . چگالی اسید در حالت خالص : 1.51 گرم بر سانتی‌متر مکعب ، نقطه جوش: 83 درجه سانتی‌گراد
میزان انحلال پذیری : کاملاً در آب حل می‌شود و محلول‌های آبی آن به شدت اسیدی هستند. رنگ و بو: در حالت خالص بی‌رنگ است، اما در معرض نور یا گرما به دلیل تجزیه به نیتروژن دی‌اکسید (\( NO_{2} \)) زرد یا قهوه‌ای می‌شود و بوی تند و خفه‌کننده‌ای دارد.
روش‌های تولید
این اسید به طور عمده از طریق فرآیند استوالد تولید می‌شود که شامل مراحل زیر است :
اکسایش آمونیاک: آمونیاک (\( NH_{3} \)) با اکسیژن در حضور کاتالیزور (معمولاً پلاتین یا رودیوم) به نیتروژن مونوکسید (NO) تبدیل می‌شود.
\( 4NH_{3}(g) + 5O_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{Pt} 4NO(g) + 6H_{2}O(l) \)
اکسایش نیتروژن مونوکسید: NO با اکسیژن بیشتر واکنش داده و نیتروژن دی‌اکسید (\( NO_{2} \)) تولید می‌کند.
\( 2NO(g) + O_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{} 2NO_{2}(g) \)
جذب در آب: نیتروژن دی‌اکسید در آب حل شده و اسید را تولید می‌کند. این فرآیند در مقیاس صنعتی برای تولید این اسید با غلظت‌های مختلف (معمولاً 68٪) استفاده می‌شود.
\( 3NO_{2}(g) + H_{2}O(l)\xrightarrow[\hspace{1cm}]{} 2HNO_{3}(aq) + NO(g) \)
کاربردهای نیتریک اسید
صنعت کودسازی: ماده اولیه برای تولید آمونیوم نیترات است که در کودهای کشاورزی استفاده می‌شود.
تولید مواد منفجره: در ساخت موادی مانند نیتروگلیسیرین و TNT (تری‌نیتروتولوئن) کاربرد دارد.
صنایع شیمیایی: در تولید رنگ‌ها، پلاستیک‌ها و مواد شیمیایی آلی مانند نیتروبنزن استفاده می‌شود.
متالورژی: برای حکاکی فلزات، تمیزکاری سطوح و استخراج فلزات گران‌بها مانند طلا و نقره به کار می‌رود.
صنعت الکترونیک: در تولید مدارهای چاپی و تمیزکاری قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود.
انواع نیتریک اسید
تجاری: معمولاً با غلظت 68٪ برای کاربردهای صنعتی تولید می‌شود.
دودزا (Fuming Nitric Acid): با غلظت بیش از 86٪، حاوی مقادیر زیادی نیتروژن دی‌اکسید است و به رنگ قرمز یا زرد دیده می‌شود. این نوع در صنایع نظامی و هوافضا کاربرد دارد.
خالص: با غلظت نزدیک به 100٪ که به دلیل ناپایداری کمتر استفاده می‌شود.
خطرات و ایمنی
خورندگی: تماس با پوست، چشم یا دستگاه تنفسی می‌تواند سوختگی شدید یا آسیب دائمی ایجاد کند.
سمیت: استنشاق بخارات اسید می‌تواند به ریه‌ها آسیب برساند.
اقدامات ایمنی: استفاده از دستکش‌های مقاوم، عینک ایمنی، ماسک تنفسی و کار در هود شیمیایی ضروری است.
نگهداری: باید در ظروف شیشه‌ای یا پلاستیکی مقاوم (مانند PTFE یا پلی تترا فلوئور اتیلن ) و در محیط خنک و تهویه‌دار نگهداری شود.
واکنش‌های شیمیایی
به دلیل خاصیت اکسیدکنندگی قوی در واکنش‌های با فلزات ، نیتراوسیون و تشکیل نیترات ها نقش دارد:
واکنش با فلزات: با فلزاتی مانند مس و نقره واکنش داده و گاز نیتروژن دی‌اکسید تولید می‌کند.
\( Cu(s) + 4HNO_{3}(aq)\xrightarrow[1atm]{20-25^{\circ}C}Cu(NO₃)_{2}(aq) + 2NO_{2}(g) + 2H_{2}O(l) \)
نیتراسیون: در فرآیندهای آلی برای افزودن گروه نیترو (\( NO_{2} \)) به ترکیبات آلی استفاده می‌شود مثل نیتراسیون بنزن یا تولوئن
تشکیل نیترات‌ها: با بازها واکنش داده و نمک‌های نیترات تولید می‌کند.
\( HNO_{3}(aq) + NaOH(aq)\xrightarrow[\hspace{1cm}]{} NaNO_{3}(aq) + H_{2}O(l) \)
تأثیرات زیست‌محیطی اسید
آلودگی آب و خاک: نشت آن می‌تواند باعث اسیدی شدن خاک و آب‌های زیرزمینی شود.
انتشار گازهای گلخانه‌ای: فرآیند تولید آن می‌تواند گازهای \( NO_{x} \) (اکسیدهای نیتروژن) تولید کند که به آلودگی هوا و گرمایش جهانی کمک می‌کند.
مدیریت پسماند: پسماندهای حاوی آن باید خنثی‌سازی شده و طبق مقررات زیست‌محیطی دفع شوند.
شیمی نیتریک اسید در سطح مولکولی
ساختار مولکولی: دارای ساختار مسطح با زاویه پیوند حدود 120 درجه است. اتم نیتروژن مرکزی به سه اتم اکسیژن (یکی با پیوند دوگانه و دو پیوند یگانه) و یک گروه هیدروکسیل متصل است.
خواص اکسیدکنندگی: به دلیل پتانسیل اکسایش بالای نیترات (\( NO_{3}^{-} \)) به عنوان یک اکسیدکننده قوی عمل می‌کند.
تعادل در محلول‌های آبی: در آب، به طور کامل یونیزه شده و یون‌های \( H^{+} \) و \( NO_{3}^{-} \) تولید می‌کند.
\( HNO_{3}(aq) \xrightarrow[\hspace{1cm}]{} H^{+}(aq)+NO_{3}^{-}(aq) \)
کاربردهای نوین
نانوتکنولوژی: در سنتز نانومواد و تمیزکاری سطوح نانوساختارها استفاده می‌شود.
صنعت هوافضا: از نوع دودزای آن ، به عنوان پیشرانه در موشک‌ها و سوخت‌های مایع کاربرد دارد.
تحقیقات علمی: در تجزیه نمونه‌های معدنی و آلی برای آنالیزهای شیمیایی به کار می‌رود.
نیتراسیون ترکیبات آروماتیک از آن در واکنش‌های نیتراسیون برای افزودن گروه نیترو (\( -NO_{2} \)) به حلقه‌های آروماتیک استفاده می‌شود. این واکنش معمولاً در حضور سولفوریک اسید (\( H_{2}SO_{4} \)) به عنوان کاتالیزور انجام می‌شود، زیرا سولفوریک اسید یون نیترونیوم (\( NO_{2}^{+} \)) را تولید می‌کند که عامل فعال نیتراسیون است.
مکانیسم واکنش:
\( \begin{align*} &\mathrm{HNO_3(aq) + H_2SO_4(aq)} \rightleftharpoons \mathrm{NO_2^+(aq) + HSO_4^-(aq) + H_2O(l)} \\ &\mathrm{NO_2^+(aq) + C_6H_6(l)} \xrightarrow{\hspace{0.75cm}} \mathrm{C_6H_5NO_2(aq) + H^+(aq)} \end{align*} \)
از واکنش نیتراسیون بنزن برای تولید نیتروبنزن (\( C_6H_5NO_2 \)) استفاده می شود که این ماده در تولید رنگ‌ها، مواد دارویی و مواد منفجره مانند TNT (تری‌نیتروتولوئن) حیاتی است. جهت‌گیری گروه نیترو (اورتو، متا یا پارا) به نوع استخلاف‌های موجود در حلقه آروماتیک بستگی دارد و تحت تأثیر اثرات الکترونی (القایی و رزونانسی) است.
اکسایش ترکیبات آلی به عنوان یک اکسیدکننده قوی در واکنش با ترکیبات آلی مانند الکل‌ها، آلدهیدها و کتون‌ها عمل می‌کند.
اکسایش ترکیبات آروماتیک: می‌تواند حلقه‌های آروماتیک را اکسید کند، به‌ویژه در حضور گروه‌های فعال‌کننده مانند \( OH^{-} \) مثل فنول (\( C_{6}H_{5}OH \)) در حضور محلول رقیق آن به پیکریک اسید (2 ، 4 ، 6 – تری‌نیتروفنول) تبدیل می‌شود. شدت اکسایش به غلظت \( HNO_{3} \) و دمای واکنش بستگی دارد. نوع دودزای آن (با غلظت بیش از 86%) اکسایش های قوی‌تری ایجاد می‌کند.
واکنش با فلزات و تشکیل کمپلکس‌ها : با فلزات مختلف واکنش‌های متفاوتی نشان می‌دهد که به غلظت آن و نوع فلز بستگی دارد.
فلزات غیر نجیب (مانند مس)،اگر محلول غلیظ تا 15 مولار باشد :
\( Cu(s) + 4HNO_{3}(15M)\xrightarrow[20-25^{\circ}C]{1 atm} Cu(NO_{3})_{2}(aq) + 2NO_{2}(g)+2H_{2}O(l) \)
ولی اگر محلول رقیق باشد تقریباً با غلظت 5 تا 6 مولار :
\( Cu(s) + 4HNO_{3}(5M)\xrightarrow[20-25^{\circ}C]{1 atm} Cu(NO_{3})_{2}(aq) + 2NO(g)+2H_{2}O(l) \)
فلزات نجیب (مانند طلا و پلاتین): به‌تنهایی نمی‌تواند این فلزات را حل کند، اما در ترکیب با هیدروکلریک اسید (به صورت آکوارجیا یا تیزاب سلطانی قادر به حل کردن آن‌هاست. یک مخلوط شیمیایی بسیار قوی و خورنده که از ترکیب (\( HNO_{3}(12M) \)) و (\( HCl(12M) \)) به نسبت تقریبی ۱:۳ (یک حجم \( HNO_{3} \) به سه حجم \( HCl \)) تهیه می‌شود. این مخلوط به دلیل توانایی‌اش در حل کردن فلزات نجیب مانند طلا (Au) و پلاتین (Pt)، که در برابر اکثر اسیدها مقاوم هستند، معروف است.
\( Au(s) + 3HNO_{3}(12M)+4HCl(aq)\xrightarrow[20-25^{\circ}C]{1 atm} HAuCl_{4}(aq) + 3NO_{2}(g)+3H_{2}O(l) \)
واکنش‌های نیترولیز ، نیتریک اسید در نیترولیز (Nitrilation) برای شکستن پیوندهای خاص در مولکول‌های آلی و افزودن گروه نیترو استفاده می‌شود. مثل تولید نیتروگلیسیرین از گلیسرول در حضور نیتریک اسید و سولفوریک اسید
\( C_{3}H_{8}O_{3}(aq) +3HNO_{3}(aq)\xrightarrow[20-30^{\circ}C]{H_{2}SO_{4}}C_{3}H_{5}(NO_{3})_{3} + 3H_{2}O(l) \)
نیترولیز در تولید مواد منفجره و پیش‌ماده‌های دارویی استفاده می‌شود.این واکنش‌ها به شدت گرماده هستند و نیاز به کنترل دقیق دما و شرایط ایمنی دارند.
واکنش‌های کاتالیزوری و ایزومریزاسیون نیتریک اسید در حضور کاتالیزورها یا در واکنش‌های چندمرحله‌ای می‌تواند به عنوان عامل کاتالیزوری یا واسطه عمل کند.
اکسایش کاتالیزوری: در فرآیندهایی مانند تولید اگزالیک اسید یا آدیپیک اسید ، نیتریک اسید به عنوان اکسیدکننده و کاتالیزور عمل می‌کند.
ایزومریزاسیون: در برخی واکنش‌ها، نیتریک اسید می‌تواند باعث بازآرایی مولکولی شود، به‌ویژه در ترکیبات آلی با گروه‌های عاملی خاص که استفاده از نیتریک اسید در این واکنش‌ها نیازمند کنترل دقیق pH و دما است، زیرا می‌تواند محصولات جانبی ناخواسته تولید کند.
تجزیه نیتریک اسید و واکنش‌های فوتوشیمیایی : در معرض نور یا گرما تجزیه می‌شود و گازهای \( NO_{2} \) و \( O_{2} \)تولید می‌کند:
\( 4HNO_{3}(12M)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{>50^{\circ}C} 4NO_{2}(g)+O_{2}(g)2H_{2}O(l) \)
کاربرد در شیمی اتمسفری: تجزیه فوتوشیمیایی نیتریک اسید در جو نقش مهمی در چرخه نیتروژن و تشکیل ازون ایفا می‌کند.این واکنش در مطالعات محیط‌زیستی و مدل‌سازی آلودگی هوا اهمیت دارد، زیرا \( NO_{2} \) در تشکیل مه‌دود فوتوشیمیایی نقش دارد.
واکنش‌های پیشرفته در سنتز نانومواد :نیتریک اسید در سنتز و اصلاح سطح نانومواد استفاده می‌شود:
فعال‌سازی سطح: برای افزودن گروه‌های عاملی مانند \( -OH \)یا \( -COOH \)به نانولوله‌های کربنی یا گرافن
حکاکی نانوساختارها: در تولید نیمه‌هادی‌ها و نانوساختارهای فلزی ، کنترل غلظت و زمان تماس نیتریک اسید در این کاربردها برای جلوگیری از تخریب ساختار نانومواد حیاتی است.
واکنش‌های نیتریک اسید در شیمی تجزیه
تجزیه نمونه‌ها: نیتریک اسید در روش‌های تجزیه مرطوب (Wet Digestion) برای حل کردن نمونه‌های معدنی و آلی جهت آنالیز عنصری (مانند ICP-MS) استفاده می‌شود.
تشکیل معرف‌های شیمیایی: در تست‌های کیفی مانند تست نیترات برای شناسایی یون‌های نیترات در محلول ، نیتریک اسید به دلیل خلوص بالا و عدم ایجاد تداخل در آنالیزهای طیف‌سنجی ترجیح داده می‌شود.
خواص الکتروشیمیایی نیتریک اسید : به دلیل پتانسیل اکسایش-کاهش بالای یون نیترات (\( NO_{3}^{-} \)) در واکنش‌های الکتروشیمیایی نقش مهمی دارد. پتانسیل استاندارد کاهش نیترات به \( NO \)در محیط اسیدی حدود 0.96 ولت است :
\( NO_{3}^{-}(aq)+4H^{+}(aq)+3e^{-}\xrightarrow[\hspace{1cm}]{}NO(g)+2H_{2}O(l) \)
کاربرد در پیل‌های سوختی: به عنوان اکسیدکننده در پیل‌های سوختی خاص یا حسگرهای الکتروشیمیایی برای تشخیص گازهای\( NO_{x} \) استفاده می‌شود. رفتار الکتروشیمیایی نیتریک اسید به pH محلول و حضور کاتالیزورهای فلزی (مانند پلاتین یا طلا) بستگی دارد.
نقش نیتریک اسید در شیمی سبز با افزایش توجه به پایداری محیط‌زیست، نیتریک اسید در فرآیندهای شیمی سبز مورد بررسی قرار گرفته است:
بازیافت نیترات‌ها: نیتریک اسید بازیافت‌شده از پسماندهای صنعتی می‌تواند در فرآیندهای تولید کود یا مواد شیمیایی بازاستفاده شود.
کاتالیزورهای سبز: در برخی واکنش‌های کاتالیزوری، نیتریک اسید به عنوان یک اکسیدکننده جایگزین برای مواد سمی‌تر (مانند کرومات‌ها) استفاده می‌شود. فناوری‌های جدید مانند استفاده از نیتریک اسید در راکتورهای میکروفلوئیدی برای کاهش مصرف مواد و تولید پسماند کمتر در حال توسعه است.
کاربرد نیتریک اسید در هوافضا و پیشرانه‌ها: نیتریک اسید دودزا (RFNA) به دلیل خواص اکسیدکنندگی قوی در سوخت‌های موشکی مایع استفاده می‌شود:
اکسیدکننده در پیشرانه‌ها: در ترکیب با سوخت‌هایی مانند هیدرازین یا کروزین، نیتریک اسید دودزا به عنوان اکسیدکننده در موشک‌ها عمل می‌کند.
مزایا: پایداری نسبی در دمای بالا و قابلیت ذخیره‌سازی طولانی‌مدت.
چالش‌ها: خورندگی شدید و تولید گازهای سمی نیاز به طراحی سیستم‌های مقاوم و ایمن دارد.نیتریک اسید دودزا با غلظت‌های مختلف (معمولاً 90تا 98%) برای کاربردهای خاص تنظیم می‌شود و گاهی با افزودنی‌هایی مانند دی‌نیتروژن تترااکسید (\( N_{2}O_{4} \)) تقویت می‌شود.
تهیه نیتریک اسید
