اسید نیتریک چیست و چه کاربردهایی دارد؟

اسید نیتریک (HNO₃) یکی از اسیدهای معدنی قوی و پرکاربرد است که نقش مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کند. این مایع بی‌رنگ و خورنده، به دلیل قدرت اکسیدکنندگی بالا، در تولید کودهای شیمیایی، مواد منفجره، فرآیندهای متالورژی و بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی گرفته تا کارخانه‌های تولیدی، ردپای این اسید را می‌توان در بخش‌های متعددی مشاهده کرد. اما چه چیزی باعث شده که اسید نیتریک تا این حد در دنیای صنعت و فناوری اهمیت پیدا کند؟ در ادامه، با خواص، کاربردها و تأثیرات این ترکیب قدرتمند بیشتر آشنا خواهیم شد.

همچنین بخوانید:

♣ مروری بر کاربردهای اسید هیدروکلریک در صنایع گوناگون

♣ اسید استیک چیست؟ | خواص، انواع و کاربردها

تاریخچه کشف اسید نیتریک

اسید نیتریک، که در گذشته با نام «آب قوی» (Aqua Fortis) شناخته می‌شد، یکی از نخستین ترکیبات شیمیایی بود که توجه کیمیاگران اروپایی را به خود جلب کرد. در قرن 13 میلادی، آن‌ها دریافتند که حرارت دادن ترکیبات نیتراتی مانند شوره پتاسیم (KNO₃) در حضور یک ماده اسیدی می‌تواند منجر به تولید مایعی بسیار خورنده شود که قابلیت حل کردن فلزات مختلف، حتی نقره، را دارد. این ویژگی، اسید نیتریک را به ابزاری ارزشمند در استخراج و تصفیه فلزات گران‌بها تبدیل کرد.

در قرن 16 میلادی، شیمیدان فرانسوی پیر هاچلی (Pierre Hachély) موفق شد این اسید را به‌صورت خالص‌تر تولید کند. او با استفاده از فرآیند تقطیر اسیدی و ترکیب اسید سولفوریک (H₂SO₄) با نیترات‌ها، راهی کارآمد برای جداسازی و تولید اسید نیتریک با خلوص بالا ارائه داد. این روش، بعدها مبنای تولید صنعتی این اسید قرار گرفت و مسیر را برای کاربردهای گسترده آن در متالورژی، شیمی و صنایع نظامی هموار ساخت.

خواص فیزیکی و شیمیایی اسید نیتریک

اسید نیتریک (HNO₃)  مایعی شفاف، بی‌رنگ و با بوی تند و نافذ است که در تماس با نور یا حرارت، به‌تدریج دچار تجزیه شده و به رنگ زرد متمایل می‌شود. این تغییر رنگ ناشی از تجزیه حرارتی اسید و آزاد شدن دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) است، که در محلول حل شده و به آن رنگ کهربایی می‌بخشد. این اسید دارای نقطه جوش 83 درجه سلسیوس و چگالی 1.5 g/cm³ است که نشان‌دهنده فراریت و چگالی بالاتر آن نسبت به آب است. اسید نیتریک با هر نسبتی در آب حل می‌شود و یک محلول آبی به‌شدت اسیدی ایجاد می‌کند که pH آن بسته به غلظت، می‌تواند تا نزدیک صفر کاهش یابد. این ویژگی، آن را به یکی از قوی‌ترین اسیدهای معدنی تبدیل کرده است.

از نظر شیمیایی، اسید نیتریک یک عامل اکسیدکننده قوی محسوب می‌شود که می‌تواند با بسیاری از فلزات، غیر فلزات و ترکیبات آلی واکنش دهد. در واکنش با فلزات فعال مانند مس و نقره، نیترات فلزی و گاز NO یا NO₂ آزاد می‌کند. این اسید در حضور نور یا دمای بالا می‌تواند به نیتروژن، اکسیژن و آب تجزیه شود، که این موضوع اهمیت استفاده از ظروف مقاوم و تیره برای نگهداری آن را نشان می‌دهد.

کاربردهای اسید نیتریک

اسید نیتریک یکی از پرکاربردترین اسیدها در صنایع مختلف به حساب می‌آید، از مهم‌ترین کاربردهای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تولید کودهای شیمیایی؛
• تولید مواد منفجره؛
• استفاده در صنایع متالورژی؛
• استفاده در صنایع داروسازی؛
• صنایع رنگ و پلاستیک؛
• استفاده در آزمایشگاه‌ها.

که در ادامه به بررسی دقیق موارد فوق می‌پردازیم.

الف) تولید کودهای شیمیایی

اسید نیتریک یکی از مواد مهم در صنعت کودهای شیمیایی است که نقش بزرگی در تولید ترکیبات نیتروژنی دارد. این اسید طی فرآیندی تحت عنوان واکنش استوالد از اکسیداسیون آمونیاک تولید شده و سپس برای سنتز نیترات آمونیوم (NH₄NO₃) مورد استفاده قرار می‌گیرد. نیترات آمونیوم، که یکی از پرمصرف‌ترین کودهای نیتروژنی محسوب می‌شود، به‌دلیل حلالیت بالا در آب، به‌سرعت در خاک حل شده و نیتروژن موردنیاز گیاهان را تأمین می‌کند.

نیتروژن عنصری ضروری برای سنتز کلروفیل در گیاهان است و تأمین آن به‌طور مستقیم بر افزایش فتوسنتز، بهبود عملکرد محصول و تسریع رشد گیاهان تأثیر دارد. در کنار نیترات آمونیوم، ترکیباتی مانند نیترات کلسیم آمونیوم (CAN) نیز از واکنش‌های مبتنی بر اسید نیتریک به‌دست می‌آیند که مزایای مضاعفی نظیر کاهش اسیدیته خاک و جذب مواد مغذی را به همراه دارند.

کاربرد نیترات آمونیوم تنها به تأمین نیتروژن محدود نمی‌شود؛ بلکه این ترکیب، در مقایسه با سایر کودهای نیتروژنی مانند اوره، میزان تبخیر آمونیاک کمتری دارد و از لحاظ مصرف نیتروژن (NUE) عملکرد بهتری نشان می‌دهد. از سوی دیگر، ترکیب این ماده با سولفات‌ها و فسفات‌ها می‌تواند اثرات چشمگیری در افزایش حاصلخیزی خاک داشته باشد.

البته ناگفته نماند که به‌دلیل ویژگی‌های اُکسیدکننده قوی نیترات آمونیوم، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آن نیازمند رعایت استانداردهای ایمنی سخت‌گیرانه‌ای است. به همین علت، در بسیاری از کشورها، ترکیبات پایدارتر و اصلاح‌شده این کود برای مصرف در کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ب) تولید مواد منفجره

اسید نیتریک یکی از اجزای کلیدی در سنتز مواد منفجره نیتروژنی است که از طریق فرآیند نیتراسیون ترکیبات آلی حاصل می‌شود. در این واکنش، اسید نیتریک همراه با اسید سولفوریک غلیظ به‌عنوان یک کاتالیزور، یک محیط نیتراسیون قوی ایجاد می‌کند که قادر است ترکیباتی مانند تولوئن، گلیسرین و سلولز را به مشتقات نیتروژنی با خواص انفجاری بالا تبدیل کند.

یکی از محصولات مهم این فرآیند، تری‌نیتروتولوئن (TNT) است که به دلیل پایداری حرارتی، ایمنی نسبی در ذخیره‌سازی و قدرت انفجاری مناسب، به‌طور گسترده در صنایع نظامی برای تولید مهمات و مواد انفجاری پرکاربرد استفاده می‌شود. علاوه بر آن، نیتروگلیسیرین که حاصل نیتراسیون گلیسرین با اسید نیتریک است، به‌عنوان یک ماده منفجره قوی در ساخت دینامیت و همچنین به‌عنوان یک ترکیب پایه در تولید نیتروسلولز (پودر بدون دود) به کار می‌رود.

کاربرد این مواد تنها به صنایع نظامی محدود نمی‌شود؛ در بخش معدن، از ترکیبات نیتروژنی مانند آمونیم نیترات انفجاری (ANFO) که از اسید نیتریک تولید می‌شود، برای تخریب سنگ‌های سخت و اجرای عملیات حفاری استفاده می‌شود. این ماده به دلیل سرعت انفجار بالا و امکان ترکیب با سوخت‌های هیدروکربنی، در پروژه‌های مهندسی عمران و استخراج معادن به‌کار گرفته می‌شود.

نکته قابل‌توجه این است که فرآیندهای نیتراسیون باید تحت شرایط کنترل‌شده و ایمن انجام شوند. چرا که واکنش‌های نیتراسیون گرمازا هستند و در صورت مدیریت نادرست، ممکن است منجر به حوادث انفجاری ناخواسته شوند.

ج) صنایع متالورژی

در فرآیندهای متالورژی، اسید نیتریک به‌عنوان یک عامل اچینگ (Etching Agent) و پاک‌کننده شیمیایی، نقش مهمی در آماده‌سازی و اصلاح سطح فلزات ایفا می‌کند. این اسید با حل کردن اکسیدهای سطحی، لایه‌های زنگ‌زدگی و آلاینده‌های آلی و معدنی، سطح فلزات را برای انجام عملیات بعدی مانند آبکاری، جوشکاری و پوشش‌دهی آماده می‌کند. در فرآیند پیکلینگ فولاد ضدزنگ، از محلولی شامل اسید نیتریک و اسید هیدروفلوئوریک برای پاک کردن لایه‌های اکسیدی استفاده می‌شود. این فرآیند علاوه بر بهبود خواص مکانیکی و ظاهری سطح فولاد، از ایجاد نقص‌های ساختاری در مرحله فرآوری هم جلوگیری می‌کند.

یکی دیگر از کاربردهای اسید نیتریک در صنعت متالورژی، پولیش شیمیایی (Chemical Polishing) فولادهای ضدزنگ و آلیاژهای غیرآهنی مانند آلومینیوم و مس است. در این فرآیند، اسید نیتریک به‌عنوان یک عامل اکسیدکننده قوی، سطح فلز را یکنواخت کرده و باعث بهبود براقیت و خواص سطحی آن می‌شود.

در تست‌های آنالیز متالوگرافی (Metallographic Analysis)، محلول‌های نیتریکی برای آشکارسازی ساختار دانه‌ای، بررسی مرزدانه‌ها و تحلیل میکروسکوپی فازهای آلیاژی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیب این اسید با نمک‌های فلزی نیز در تولید نیترات‌های فلزی کاربرد دارد که به‌عنوان مواد اولیه در صنایع مختلف، ازجمله تولید کاتالیست‌های صنعتی و پوشش‌های مقاوم به خوردگی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

د) صنایع داروسازی

در صنایع داروسازی، اسید نیتریک به‌عنوان یک عامل نیتراسیون در ترکیبات دارویی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. این اسید در تولید برخی آنتی‌بیوتیک‌ها، داروهای ضدویروسی و ترکیبات ضدسرطان نقش کلیدی ایفا می‌کند. به‌عنوان مثال، در فرآیند سنتز نیترو ایمیدازول‌ها، از نیتریک اسید برای انجام واکنش‌های نیتراسیون کنترل‌شده استفاده می‌کنند.

همچنین، برخی داروهای شیمی‌درمانی، مانند مشتقات نیتروزواوره (که در درمان تومورهای مغزی و سرطان‌های مقاوم به درمان کاربرد دارند)، طی واکنش‌های وابسته به اسید نیتریک تولید می‌شوند. علاوه بر این، از این اسید در فرمولاسیون نیترات‌های دارویی نظیر نیتروگلیسیرین که در درمان بیماری‌های قلبی و آنژین صدری استفاده می‌شود، بهره می‌گیرند. نقش اکسیدکننده قوی اسید نیتریک، آن را به یک ترکیب مهم در سنتز پیش‌ماده‌های دارویی تبدیل کرده که مستقیماً بر افزایش کارایی و خلوص مواد دارویی تأثیر دارد.

ه) صنایع رنگ و پلاستیک

اسید نیتریک یکی از مواد شیمیایی پرکاربرد در تولید رنگ‌ها و رنگدانه‌های آلی و معدنی نیز محسوب می‌شود. این اسید با شرکت در واکنش‌های نیترودار کردن (Nitration) ترکیبات آروماتیک، موجب بهبود ویژگی‌های رنگی و پایداری حرارتی رنگدانه‌ها می‌شود. در صنعت پلاستیک نیز از HNO3 برای نیتره کردن سلولز و تولید نیتروسلولز (Nitrocellulose) استفاده می‌شود. نیتروسلولز به دلیل خاصیت‌های جالبی که دارد، در ساخت لاک‌های رنگی، پوشش‌های محافظ و حتی فیلم‌های عکاسی کاربرد دارد.

از این ترکیب به‌عنوان یکی از اجزای اصلی برخی رزین‌های خاص در تولید چسب‌ها و جوهرهای چاپ نیز استفاده می‌شود. توانایی اسید نیتریک در کنترل فرآیند نیترودار کردن، آن را به یک عامل مؤثر در بهینه‌سازی خواص مکانیکی و نوری این محصولات تبدیل کرده است.

و) کاربرد اسید نیتریک در آزمایشگاه‌ها

این اسید، یکی از مهم‌ترین معرف‌های شیمیایی در آزمایشگاه‌هاست که به دلیل قدرت اکسیدکنندگی بالا، در فرایند آماده‌سازی و تجزیه نمونه‌های مختلف کاربرد فراوانی دارد. در آنالیزهای شیمیایی، این اسید برای هضم اسیدی مواد معدنی و آلی استفاده می‌شود. خاصیت اکسیدکنندگی قوی آن، باعث تجزیه ترکیبات پیچیده و تبدیل آن‌ها به فرم‌های محلول می‌شود که در آنالیزهای عنصری، دقت بالایی را فراهم می‌کند. علاوه بر این، در سنجش خلوص فلزات و تعیین میزان ناخالصی‌ها، HNO3 به‌عنوان یک عامل حل‌کننده مؤثر در روش‌های کوانتومتری و ولتامتری نقش دارد.

این اسید همچنین در تهیه محلول‌های استاندارد و انجام فرآیندهای تیتراسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد. به‌عنوان مثال، در تیتراسیون‌های اکسیداسیون-احیا  (Redox Titration)، محلول‌های اسید نیتریک به‌عنوان محیط واکنش برای ترکیباتی مانند پرمنگنات پتاسیم (KMnO₄) یا دی‌کرومات پتاسیم (K₂Cr₂O₇) به کار می‌روند.

به دلیل واکنش‌پذیری بالا، از اسید نیتریک برای تنظیم pH در برخی محلول‌های آزمایشگاهی نیز استفاده می‌شود. در مطالعات خوردگی فلزات، اسید نیتریک به‌عنوان یک عامل فعال برای تست مقاومت آلیاژها در برابر محیط‌های اسیدی به کار می‌رود. توانایی این اسید در کنترل شرایط واکنش، دقت بالایی را در اندازه‌گیری‌های شیمیایی و فرایندهای تحقیقاتی آزمایشگاهی بوجود آورده است.

خطرات و مضرات اسید نیتریک

اسید نیتریک به دلیل خاصیت خورندگی، می‌تواند آسیب‌های جدی به بافت‌های زنده وارد کند. تماس مستقیم این اسید با پوست باعث سوختگی‌های شیمیایی شدید و ایجاد لکه‌های زردرنگ می‌شود. برخورد آن با چشم می‌تواند منجر به آسیب‌های قرنیه و حتی نابینایی شود. علاوه بر این، بخارات HNO3 بسیار تحریک‌کننده بوده و در صورت استنشاق، می‌توانند باعث التهاب مجاری تنفسی، سرفه‌های شدید و در موارد حاد، ایجاد اِدِم ریوی (تجمع غیرطبیعی مایع در ریه‌ها) شوند. به همین دلیل، این اسید باید در محیط‌هایی با تهویه مناسب، ترجیحاً زیر هود شیمیایی استفاده شود تا از تجمع بخارات و خطرات ناشی از آن جلوگیری شود.

کاربرد اسید نیتریک در رسوب‌زدایی تجهیزات صنعتی

اسید نیتریک (HNO₃) به دلیل خاصیت اسیدی و اکسیدکنندگی قوی، یکی از مواد شیمیایی پرکاربرد در رسوب‌زدایی تجهیزات صنعتی است. این ماده به‌ویژه در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، صنایع غذایی، داروسازی و تصفیه آب برای حذف رسوبات معدنی و آلی از سطوح فلزی و غیرفلزی استفاده می‌شود.

چرا اسید نیتریک برای رسوب‌زدایی مؤثر است؟

 اسید نیتریک به‌راحتی رسوبات کربنات کلسیم (CaCO₃)، اکسیدهای فلزی و سولفات‌های نامحلول را تجزیه کرده و حل می‌کند.  برخلاف اسید کلریدریک، نیتریک اسید باعث تولید کلر یا ترکیبات کلردار خورنده نمی‌شود که برای برخی فلزات مضر هستند. این اسید، با خاصیت اکسیدکنندگی بالا به حذف لایه‌های اکسیدی روی فلزات کمک میکند و سطوح فلزی را برای عملیات بعدی آماده می‌کند. بر خلاف برخی اسیدها، این اسید بعد از رسوب‌زدایی لایه‌ای از ترکیبات نامحلول روی سطح باقی نمی‌گذارد.

کاربردهای رایج اسید نیتریک در رسوب‌زدایی چیست؟

 یکی از کاربردهای اسید نیتریک، تمیز کردن مبدل‌های حرارتی در از بین بردن رسوبات معدنی و اکسیدهای فلزی در لوله‌های انتقال حرارت است. یکی دیگر از کاربردهای HNO3 حذف زنگ‌زدگی از تجهیزات فولادی به ویژه در صنایع پتروشیمی و نیروگاه‌ها است. از دیگر کاربردهای آن در رسوب‌زدایی دیگ‌های بخار و از بین بردن املاح سختی آب و جلوگیری از کاهش بازدهی حرارتی است. همچنین، تمیز کردن تجهیزات صنایع غذایی و دارویی برای حذف رسوبات کلسیم و فسفات بدون ایجاد آلودگی خطرناک است.

کلام آخر:

یکی از مهم تریم کاربردهای اسید نیتریک، در رسوب زدایی و حذف لایه های رسوب و زنگ از تجهیزات حرارتی است. صنایع آرال شیمی، تولید کننده رسوب زدای دسکالین 201 بر پایه HNO3 است. این رسوب زدای قوی برای از بین بردن انواع رسوبات از تجهیزات نیروگاهی و تاسیسات به کار می رود. از سایر رسوب زداهای آرال شیمی می توان به دسکالین و دسکالین 202 اشاره کرد. این شوینده ها و دیسکرهای صنعتی بر پایه اسید کلریدریک و اسید فسفریک هستند.