اسید نیتریک یک اسید معدنی بسیار خورنده با فرمول HNO3 است. مایعی بی رنگ شبیه آب، دودزا و خطرناک که یک معرف معمول آزمایشگاهی است و در ساخت نیترات های معدنی و آلی و ترکیبات نیترو برای کودها، مواد واسطه رنگ، مواد منفجره و بسیاری از مواد شیمیایی آلی مختلف استفاده می شود. در نمونه های قدیمی تر بسته به تجزیه آن به اکسیدهای نیتروژن در داخل آب یا به دلیل انحلال دی اکسید نیتروژن در آب، به رنگ زرد یا طیف هایی از آن می‌رسند. بیشتر اسید نیتریک موجود در بازار دارای غلظت 68 درصد در آب است. تهیه و استفاده از اسید نیتریک برای کیمیاگران اولیه شناخته شده بود. در این ماده، اتم نیتروژن به یک گروه هیدروکسی و با پیوندهای معادل به دو اتم اکسیژن باقیمانده پیوند دارد. این نقش به عنوان یک حلال پروتیک و یک معرف دارد. این یک اسید مزدوج از یک نیترات است. استنشاق این ماده بسیار سمی است و بوی خفه کننده ای دارد.
| ویژگی ها و مشخصات | |
| نام | اسید نیتریک |
| فرمول شیمیایی | HNO3 |
| شکل ظاهری | مایع |
| رنگ | بی رنگ |
| نقطه جوش | 83 درجه سانتیگراد |
| نقطه ذوب | -42 درجه سانتیگراد |
| چگالی | 1.51 گرم بر سانتی متر مکعب |
کاربردهای اسید نیتریک
از اسید نیتریک در صنایع کود برای تولید نیترات آمونیوم و نیترات کلسیم آمونیوم، مواد منفجره، رنگرزی، الیاف مصنوعی، پلاستیک، سوخت و اچینگ و هم چنین به عنوان واسط در ساخت تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) استفاده می شود که در ساخت فوم های پلی یورتان در صنایع خودروسازی، حمل و نقل، فرش و مبلمان کاربرد دارد. از این ماده به عنوان اکسید کننده در پیشرانه های موشک نیز استفاده می شود. در ایالات متحده آمریکا، حدود 65 درصد از اسید نیتریک تولید شده در ساخت کودها (برای نیترات آمونیوم) و 4 تا 5 درصد دیگر برای محصولاتی مانند نیترات پتاسیم و نیتروفسفات ها مصرف می شود. بقیه (حدود 30 درصد) برای مواد منفجره، پلاستیک و صنایع شیمیایی استفاده می شود.
رایج ترین غلظتی که به صورت تجاری برای خرید در بازار موجود است، حدود 68٪ اسید نیتریک است. اگر غلظت این ماده بین 68 تا 95 درصد باشد به آن اسید نیتریک دوددار قرمز می گویند. این ماده عمدتاً در صنعت سوخت موشک استفاده می شود و اگر غلظت اسید نیتریک بالای 95 درصد باشد به آن اسید نیتریک دود سفید می گویند و در درجه اول در صنعت اچینگ کاربرد دارد. اسید نیتریک در زمان های قدیم به عنوان “آکوا فورتیس” شناخته می شد و در درجه اول برای جدا کردن طلا و نقره استفاده می شد. به دلیل خطرات زیست محیطی و بهداشتی مرتبط با صنعت اسید نیتریک، مشکلاتی در تولید و عرضه این ماده به بازار وجود دارد و میتوان گفت که پتانسیل رشد آتی آن به میزان نیازهای صنعت کشاورزی بستگی دارد.
تولید اسید نیتریک
یک فرآیند آزمایشگاهی متداول که برای سال ها استفاده میشد و به یک شیمیدان آلمانی، یوهان رودولف گلابر (1648) نسبت داده میشد، شامل حرارت دادن نیترات پتاسیم با اسید سولفوریک غلیظ بود. در سال 1776 Antoine-Laurent Lavoisier نشان داد که حاوی اکسیژن است و در سال 1816 Joseph-Louis Gay-Lussac و Claude-Louis Berthollet ترکیب شیمیایی آن را ایجاد کردند. روش اصلی تولید اسید نیتریک، اکسیداسیون آمونیاک بر روی گازهای پلاتین است که یکی از صنایع شیمیایی بزرگ جهان است. در فرآیندهای انحصاری مدرن، هیچ طراحی کلی بهینه ای برای کارخانه اسید نیتریک وجود ندارد. شرایط فشار، دما، سرعت جریان و سایر عوامل برای هر مرحله در فرآیند ممکن است متناسب با شرایط و شرایط محلی خاص متفاوت باشد. حداقل پانزده فرآیند تولید اختصاصی اسید نیتریک در حال حاضر در دسترس است. متغیرهای اصلی طراحی برای اکسیداسیون آمونیاک و مراحل بعدی نیروگاه دما، فشار و سرعت جریان گاز هستند. در ادامه 2 روش پرکاربرد تولید اسید نیتریک در گذشته و حال حاضر بررسی شده است.
مسیر فعلی تولید اسید نیتریک به نام فرایند استوالد شناخته می شود و نزدیک به یک قرن است که مورد استفاده قرار می گیرد. در فرآیند Ostwald ماده اولیه برای تولید نیتروژن، آمونیاک است. اسید نیتریک با یک سری مراحل که از اکسیداسیون آمونیاک شروع می شود، تولید می شود. مواد اولیه دیگر آب و منبع اکسیژن است که معمولاً از هوا تامین می شود. سه مرحله اولیه واکنش شیمیایی در فرآیند استوالد عبارتند از:
- اکسیداسیون کاتالیست آمونیاک برای تولید مونوکسید نیتروژن
- اکسیداسیون مونوکسید نیتروژن برای تولید اکسیدهای نیتروژن
- جذب اکسیدهای نیتروژن در آب برای تولید اسید نیتریک
4NH3+5O2 → 4NO+6H2O
2NO+O2 → 2NO2
NO2+H2O → HNO3
نیتروژن مایع ابتدا تبخیر و به حالت گاز تبدیل شده و سپس از صافی عبور داده می شود تا ناخالصی های موجود در مواد اولیه از بین برود. در این مرحله با فشرده سازی هوا و عبور آن از یک مبدل حرارتی، دمای آن افزایش می یابد. سپس هوای فشرده که از قبل گرم شده از فیلتر عبور داده می شود تا ناخالصی های موجود حذف شوند. سپس هوا و آمونیاک در یک دستگاه میکسر مخلوط می شوند. این گاز مخلوط به مبدل منتقل می شود. مبدل قلب فرآیند است. اولین مراحل واکنش شیمیایی در حضور گازهای کاتالیزور رخ می دهد. از کاتالیزورهای پلاتین یا پلاتین-رودیوم در این فرآیند استفاده می شود. (اگر پلاتین-رودیوم استفاده شود، مقدار رودیم در 10٪ نگه داشته می شود.)
آمونیاک به طور کاتالیزوری در حضور اکسیژن اکسید می شود تا در درجه اول مونوکسید نیتروژن تولید کند. این کار با حفظ دمای واکنش در 920 درجه سانتی گراد و فشار در 1-1.4 اتمسفر انجام می شود. محصولات جانبی که در این مرحله تشکیل می شوند آب و نیتروژن هستند. اکسیژن کافی در خروجی مبدل باقی می ماند تا مراحل واکنش شیمیایی بعدی ادامه یابد. گازهای خروجی مبدل ابتدا با عبور دادن آن از خنک کننده، خنک می شوند و پس از آن مرحله دوم واکنش شیمیایی رخ می دهد که در آن مونوکسید نیتروژن به اکسیدهای نیتروژن، در درجه اول دی اکسید نیتروژن و در درجه دوم تتروکسید دی نیتروژن اکسید می شود. اینها از یک کندانسور عبور می کنند که در آن مقداری اسید نیتریک ممکن است به دست آید. البته بخش عمده اسید نیتریک در برج جذب به دست می آید. اسید نیتریک تغلیظ شده به داخل برج جذب هدایت تا با قسمت عمده اسید تولید شده مخلوط شود.
اکسیدهای نیتروژن وارد برج جذب می شوند که به طور مداوم با هوا تغذیه می شوند تا مقدار بیشتری از مونوکسید نیتروژن به اکسیدهای نیتروژن تبدیل شود و همچنین تامین مداوم آب به گونه ای حفظ شود که خروجی اسید نیتریک از برج جذب باشد. در صورت افزایش فشار، راندمان برج جذب نیز افزایش و به غلظت 60٪. می رسد. فشار در 10 اتمسفر حفظ می شود. اگر دما کمی کاهش یابد، مثلاً 2 درجه سانتیگراد، غلظت اسید نیتریک به دست آمده 5 درصد افزایش می یابد، به این معنی که 65 درصد اسید نیتریک از برج جذب خارج می شود. در صورت نیاز، اسید نیتریک با فرآیند تقطیر بیشتر غلیظ می شود. در صورتی که این فرآیند نیز یکپارچه شود، بازدهی 94 تا 95 درصد بدست می آید. تمام واکنش های فرآیند استوالد گرمازا هستند و در حال حاضر تنها بخش کوچکی از انرژی صرف شده در ساخت آمونیاک در تبدیل آن به اسید نیتریک بازیابی می‌شود.
فرآیند بریک لند یکی از فرآیندهای صنعتی رقابتی در آغاز تولید کود مبتنی بر نیتروژن بود. در واقع یک واکنش تثبیت نیتروژن چند مرحله ای بود که از قوس الکتریکی برای واکنش نیتروژن اتمسفر (N2) با اکسیژن (O2) استفاده می کرد و در نهایت اسید نیتریک (HNO3) با آب تولید می شد. در نهایت اسید نیتریک حاصل به عنوان منبع نیترات استفاده میشد. این روش توسط صنعتگر و دانشمند نروژی Kristian Birkeland به همراه شریک تجاری خود Sam Eyde در سال 1903، بر اساس روشی که هنری کاوندیش در سال 1784 استفاده کرد، توسعه یافت.
این یک فرآیند خسته کننده است و گرمایش به صورت پالس با عبور جریان متناوب از یک قوس الکتریکی و سرکوب میدان مغناطیسی ایجاد شده، انجام می شود. قوس الکتریکی شامل دو الکترود مسی است که به طور مداوم با آب سرد در گردش بوده و برای گرم کردن هوا پمپ می‌کنند. نیتروژن و اکسیژن موجود در هوا در دمای 3000 درجه سانتیگراد ترکیب می شوند و اکسید نیتریک را تشکیل می دهند. یک مول نیتروژن با یک مول اکسیژن ترکیب می شود و دو مول محصول گازی تشکیل می دهد. از آنجایی که هم واکنش دهنده و هم محصول از 2 مول گازی تشکیل شده اند، حجم آن تغییر نمی کند. با ثابت بودن حجم، تعادل نیز حفظ می شود. Birkeland از یک نیروگاه برق آبی در نزدیکی خود برای برق استفاده کرد زیرا این فرآیند به حدود 15 مگاوات ساعت در هر تن اسید نیتریک نیاز داشت که تقریباً 60 گرم در هر کیلووات ساعت تولید می کرد. همین واکنش توسط رعد و برق نیز انجام می شود و منبع طبیعی برای تبدیل نیتروژن اتمسفر به نیترات های محلول را فراهم می کند.
N2 + O2 → 2NO
سپس اکسید نیتریک به دست آمده اکسید می شود تا دی اکسید نیتروژن تولید شود.
2NO + O2 → 2NO2
سپس دی اکسید نیتروژن در آب حل شده تا اسید نیتریک تولید شود که با تقطیر جزئی خالص می شود. خلوص زیادی به دست نمی آید (68٪) زیرا اکسید نیتریک و آب یک مخلوط آزئوتروپیک تشکیل می دهند.
3NO2+H2O → 2HNO3 +NO
توجه: فرآیند Birkeland–Eyde از نظر مصرف انرژی نسبتاً ناکارآمد بود. بنابراین در دهه های 1910 و 1920 به تدریج در نروژ با ترکیبی از فرآیند هابر و فرآیند استوالد جایگزین شد که در پی آن اسید نیتروژن را از آمونیاک به جای هوا (معمولاً از فرآیند هابر) تولید می کردند. فرآیند Birkeland-Eyde به CO2 و هوای بدون گرد و غبار نیاز دارد که یک فرآیند مصنوعی است که 1٪ اسید نیتریک زرد رنگ تولید می کند. این رنگ زرد مایل به قهوه ای با حباب زدن هوا از طریق اسید گرم حذف می شود.
ملاحظات ایمنی
اسید نیتریک دود دار نمی سوزد و در برابر ضربه، جرقه و شوک پایدار است، اما ممکن است مخلوط های انفجاری با نفت سفید، سایر هیدروکربن ها و الکل ها را تشکیل دهد. با بسیاری از مواد آلی واکنش میدهد و ممکن است آنها را مشتعل کند. در ظرفی که به درستی آماده نشده یا در دماهای بالا، ممکن است فشار داخلی ایجاد شود. TLV برای اسید نیتریک 2 پی پی ام است. آتش سوزی و نشت اسید نیتریک را می توان با مقدار زیادی آب کنترل کرد. سپس باقیمانده ها باید با کربنات سدیم خنثی شوند. آب یک واکنش گرمازا با اسید نیتریک ایجاد می کند و باعث تکامل مقادیر زیادی NO2 می شود. با این حال، مه آب پرفشار حاوی بخارات خواهد بود. یک فوم مخصوص بر پایه آب متشکل از سورفکتانت های اکریلیک و پکتین نیز برای دفع بخار موجود است.
سوالات متداول
اسید نیتریک یک مایع بی رنگ، گازدار و بسیار خورنده است که یک معرف معمول آزمایشگاهی و یک ماده شیمیایی صنعتی مهم برای تولید کودها و مواد منفجره است.
اسید نیتریک یک اسید قوی است که به طور کامل به یون های هیدرونیوم (H3O+) و نیترات (NO3-) در محلول آبی یونیزه شده و یک عامل اکسید کننده قوی است.
اسید نیتریک (HNO3) یک مایع بسیار خورنده و سمی است که می تواند باعث سوختگی شدید شود.
اسید نیتریک برای تولید نیترات آمونیوم، جزء اصلی کودها، استفاده می شود. همچنین برای تولید مواد منفجره مانند نیتروگلیسیرین و تری نیتروتولوئن (TNT) و برای اکسید کردن فلزات استفاده می شود.
