تاریخچه و کشف اسید نیتریک

مقدمه

اسید نیتریک یک اسید معدنی بسیار قوی و خورنده است که تاریخچه پرباری از کشف و کاربرد دارد. این اسید در تاریخ با نام آکوا فورتیس واژه ای لاتین به معنای آب قوی شناخته می شده است و یکی از نخستین اسیدهای قوی بود که توسط کیمیاگران در دوران قرون وسطی شناسایی شد. در طول قرن ها، این ماده واکنش پذیر از آزمایش های مخفی شیمی دانان اولیه به سنگ بنای صنعت مدرن تبدیل شد، به طوری که امروزه خرید اسید نیتریک نه فقط برای مراکز پژوهشی، بلکه برای صنایع بزرگ شیمیایی، فلزی و انرژی به یک نیاز راهبردی تبدیل شده است. سیر اکتشاف اسید نیتریک بسیاری از کیمیاگران و دانشمندان برجسته را دربرمی گیرد که به تدریج خواص آن را آشکار کردند، تولید آن را اصلاح نمودند و کاربردهایش را به کار گرفتند. در این مرور جامع به بررسی تاریخچه و کشف اسید نیتریک می پردازیم و نقاط عطف کلیدی را از کیمیاگری باستان تا تولید صنعتی معاصر برجسته می کنیم.

تلاش های کیمیاگران اولیه در جست و جوی اسیدهای قوی

تمدن های باستانی با اسیدهای ضعیفی مانند سرکه آشنا بودند، اما جستجو برای اسیدهای معدنی قوی تر در دوره قرون وسطی آغاز شد. کیمیاگران اولیه در جهان اسلام و سپس در اروپا به دنبال معرف های نیرومندی بودند تا فلزات را حل کنند و به آزمایش های استحاله فلزات کمک کنند. پیشرفت فنون تقطیر به آزمایشگران امکان داد تا نمک های معدنی را حرارت دهند و جوهرهای فرارشان را جمع آوری کنند که این به تولید نخستین اسیدهای قوی انجامید. در این دوره به تدریج موادی مانند اسید سولفوریک، اسید هیدروکلریک و اسید نیتریک پدیدار شدند. تا اوایل قرون وسطی مشخص شده بود که برخی نمک های بلوری (مانند نیترات ها) در صورت حرارت دادن همراه سایر مواد می توانند مایعی تند و خورنده ایجاد کنند. این کشف برای کیمیاگران انقلابی بودند، زیرا این اسیدهای جدید توان حمله به فلزات را به شیوه ای داشتند که سرکه یا شراب قادر به آن نبودند. پیگیری ساخت اسیدهای قوی هم اهداف عملی و هم اهداف اسرارآمیز داشت صنعتگران به دنبال روش های بهتری برای تصفیه فلزات بودند، در حالی که کیمیاگران امیدوار بودند این مایعات نیرومند بتوانند ناخالصی ها را حل کنند و طلای خالص یا حتی سنگ افسانه ای فلاسفه را آشکار نمایند.

جابر بن حیان (گبر در متون لاتین) و کشفیات اولیه اسیدها

جابر بن حیان (در متون لاتین به نام گبر) را اغلب به عنوان چهره ای پیشگام در شیمی اولیه می شناسند. او که در قرن هشتم و دوران طلایی اسلام می زیست، بنا بر روایت ها با مواد گوناگون آزمایش می کرد و بسیاری از فرایندهای شیمیایی را ابداع یا بهبود بخشید. به طور سنتی، کشف چندین اسید نیرومند از جمله اسید نیتریک از طریق تقطیر به او نسبت داده می شود. در نوشته های جابر (برخی از آن ها شاید بعدها توسط دانشمندانی گردآوری شده باشد) دستورهایی دیده می شود برای تهیه موادی که ما امروزه آن ها را اسید نیتریک و دیگر عوامل خورنده می شناسیم. یکی از این دستورها شامل حرارت دادن مخلوطی از شوره (نیترات پتاسیم) با انواع زاج و زاج سفید می شود که مایعی قرمز رنگ و دودزا تولید می کند چیزی که در اصل همان اسید نیتریک خام بود. در کارهای جابر به توانایی این ماده در واکنش با فلزات اشاره شده و او همچنین پی برد که ترکیب آن با نشادر (کلرید آمونیوم) یک مخلوط حتی قوی تر ایجاد می کند. این ترکیب که بعدها آکوا رجیا (به معنی آب سلطنتی) نام گرفت، شگفت آور بود زیرا می توانست طلا را حل کند کاری که با هیچ اسید منفرد شناخته شده ای امکان پذیر نبود. هرچند جزئیات تاریخی زندگی جابر در هاله ای از افسانه قرار دارد، اما دستاوردهای منسوب به او پایه های شیمی اسیدها را بنیان گذاشت. دانشی که از جابر و دیگر کیمیاگران مسلمان منتقل شد به تدریج به اروپا در قرون وسطی راه یافت و جرقه آزمایش های بیشتری را با این آب های قوی اسرارآمیز زد.

کیمیاگری اروپایی قرون وسطی و آکوا فورتیس

تا قرن سیزدهم میلادی، کیمیاگران اروپایی کم کم با اسیدهای نیرومندی که کیمیاگران عرب پیش از ایشان توصیف کرده بودند آشنا شدند. ماده ای که بعدها به نام اسید نیتریک شهرت یافت، در متون لاتین کیمیاگری با نام هایی مانند آکوا فورتیس (به معنی آب قوی) و او فورته ظاهر شد. یکی از منابع کلیدی این دانش، مجموعه نوشته هایی بود که در لاتین به "گبر" نسبت داده می شد – آثاری که اکنون می دانیم در اواخر سده سیزدهم میلادی توسط مؤلف یا مؤلفانی با نام مستعار نوشته شده اند. این نوشته ها دستورالعمل های عملی برای تهیه اسیدهای معدنی قوی ارائه می دادند. یک دستور معمول قرون وسطایی برای آکوا فورتیس شامل مخلوط کردن شوره تصفیه شده (نیترات پتاسیم) با موادی مانند زاج سبز (سولفات آهن) و زاج سفید (آلوم) و سپس حرارت دادن این مخلوط در یک قرع شیشه ای بود. با گرم کردن آرام این مخلوط، بخار خورنده ای تشکیل می شد و به صورت مایع قرمز یا زردرنگ متراکم شد. کیمیاگران اروپایی از توانایی این مایع در خوردگی شدید فلزاتی مانند مس و نقره شگفت زده شدند. آن ها برای این اسید در جداسازی طلا از نقره کاربرد عملی یافتند چون آکوا فورتیس نقره را حل می کرد و طلا را دست نخورده باقی می گذاشت، به ابزاری ارزشمند برای زرگران در تصفیه و آزمون فلزات گران بها تبدیل شد. ورود آکوا فورتیس به آزمایشگاه های اروپا یک نقطه عطف بود که قابلیت های کیمیاگری و فلزکاری را گسترش داد. این اسیدهای قوی دیگر صرفاً موادی کنجکاوی برانگیز نبودند؛ آن ها به معرف های اساسی تبدیل شدند که هم هنر کیمیاگری و هم صنعت فلزکاری را پیش بردند.

ریشه اصطلاح آکوا فورتیس و کاربردهای اولیه

نام آکوا فورتیس بازتابی از شگفتی کیمیاگران اولیه نسبت به قوت این اسید بود. این اصطلاح در لاتین به معنای آب قوی است و چنین نام گذاری شد زیرا اسید نیتریک ظاهری شبیه آب داشت اما اثری به مراتب قوی تر بر مواد می گذاشت. متون لاتین قرون وسطی همچنین از این اسید با عنوان روح شوره یا اسیدوم نیتری یاد کرده اند که بر ریشه گرفتن آن از نیتر (شوره) تأکید داشت. با گسترش شناخت این اسید، موارد استفاده آن نیز توسعه یافت. افزون بر آزمایش های کیمیاگری برای تبدیل فلزات، آکوا فورتیس کاربردهای عملی در حرف و صنایع نیز پیدا کرد. صنعتگران دریافتند که می توان از آن برای حکاکی طرح ها روی سطوح فلزی استفاده کرد؛ برای مثال, حکاکان دوره رنسانس از "او فورته" (اصطلاح فرانسوی اسید نیتریک) برای خوردگی صفحه های مسی در چاپ استفاده می کردند. فلزکاران نیز آن را برای خالص سازی فلزات گران بها با زدودن ناخالصی فلزات پایه به کار می بردند. توانایی اسید نیتریک در حل کردن نقره به پیدایش روش هایی جهت جداسازی نقره از طلا انجامید (فرایندی که به پارتینگ مشهور شد) و این روش ها برای ضرب سکه و صنعت جواهرسازی حیاتی بودند. تا اواخر قرون وسطی، آکوا فورتیس به ماده ای بدل شده بود که در دفترچه های فنی به کرات از آن یاد می شد. نام آن در کنار سایر آب های کیمیاگری مانند آکوا ویتائه (الکل) و آکوا رجیا ذکر گردید که نشان می داد این اسید به خوبی در فهرست عوامل شیمیایی شناخته شده جای گرفته است. در نتیجه کاربردهای اولیه آکوا فورتیس پلی میان کیمیای عرفانی و فلزکاری عملی زد و ارزش آن را در هر دو عرصه نشان داد.

شیمی رنسانس: از باسیل ولنتاین تا لیباویوس

دوران رنسانس (قرون ۱۵ و ۱۶ میلادی) شاهد گسترش بیشتر دانش شیمیایی درباره اسیدها بود. کیمیاگران و شیمیدانانی مانند باسیل ولنتاین (که نوشته هایش در اوایل قرن ۱۶ درباره اسیدها شهرت داشت) و آندریاس لیباویوس نقش مهمی در انتقال این دانش به نسل های بعد داشتند. لیباویوس در کتاب مشهور خود Alchemia (سال ۱۵۹۷) روش های روشن و گام به گامی برای تهیه اسیدهای معدنی قوی مانند آکوا فورتیس ارائه داد. تا اواخر قرن شانزدهم، تولید آزمایشگاهی اسید نیتریک دیگر یک راز مبهم نبود و بسیاری از آزمایشگاه های اروپا قادر به تهیه این اسید بودند. به عنوان نمونه، نقره نیترات (حاصل حل کردن نقره در اسید نیتریک) در پزشکی برای سوزاندن زخم ها به کار گرفته می شد و این نشان دهنده رواج استفاده از اسیدها در آن زمان است. در دوران رنسانس همچنین مشاهده شد که اسید نیتریک می تواند مواد آلی را نیتراته کند و رنگ یا واکنش های خاصی ایجاد نماید. تلاش های افرادی مانند ولنتاین و لیباویوس مسیر را برای درک علمی تر اسیدها هموار کرد و اسید نیتریک را به یک ابزار شناخته شده در شیمی تبدیل نمود.

یوهان رودولف گلابر و روش شوره

در سده هفدهم، روش های تولید اسید نیتریک باز هم بهبود یافت. یوهان رودولف گلابر، شیمیدان آلمانی-هلندی، حدود سال ۱۶۴۸ روشی کارآمد برای تهیه اسید نیتریک ابداع کرد. او کشف کرد که با تقطیر شوره (نیترات پتاسیم) با اسید سولفوریک می توان بخار اسید نیتریک خالص به دست آورد. این واکنش بخارات اسید نیتریک تولید می کرد که در کندانسور سرد می شدند و به صورت مایع جمع آوری می گردیدند، در حالی که باقیمانده جامد سولفات پتاسیم بر جا می ماند. روش گلابر نسبت به دستورهای قدیمی ساده تر و پربازده تر بود و امکان تولید مقدار بیشتری اسید را فراهم ساخت. این ابتکار باعث شد تا در اواخر قرن هفدهم، اسید نیتریک برای شیمیدانان به راحتی در دسترس باشد و آنان بتوانند آزمایش های بیشتری با این اسید انجام دهند. گلابر با فروش محصولات شیمیایی خود (از جمله اسیدها)، به رشد اولین صنایع شیمیایی نیز کمک کرد. بدین ترتیب، نوآوری گلابر نه تنها تهیه آکوا فورتیس را آسان تر کرد، بلکه مسیر را برای کشفیات بعدی در شیمی هموار نمود.

آنتوان لاووازیه و ترکیب اسید نیتریک

تا اواخر قرن هجدهم، شیمیدانان در صدد پی بردن به ترکیب واقعی اسیدها بودند. آنتوان لاووازیه، بنیان گذار شیمی مدرن، در دهه ۱۷۷۰ میلادی مطالعه روی ترکیب اسید نیتریک را به پیش برد. او با استناد به یافته های جوزف پریستلی درباره گازهای منتشره از واکنش اسید نیتریک با فلزات (مانند هوای نیتروزی یا نیتریک اکسید), نتیجه گرفت که این اسید ترکیبی از یک عنصر جدید (که آن را نیتروژن می شناسیم) و اکسیژن است که در آب حل شده اند. لاووازیه نشان داد که اسید نیتریک از ترکیب گاز نیتروس با اکسیژن هوا و حضور آب تشکیل می شود. این نتیجه گیری با نظریه کلی او که اکسیژن جزء اصلی همه اسیدهاست سازگار بود. همچنین لاووازیه در چارچوب نام گذاری نوین شیمیایی خود, اصطلاح اسید نیتریک (از واژه لاتین nitrum به معنی شوره) را برای این ماده به کار برد و نام های قدیمی تر را کنار گذاشت. کار لاووازیه در زمینه تعیین ترکیب اسید نیتریک، یک پیروزی علمی به شمار می آمد و معرف گذار از حدس های کیمیاگری به درک کمی و کیفی دقیق از مواد بود.

هنری کاوندیش و سنتز از هوا

در سال ۱۷۸۵، دانشمند بریتانیایی هنری کاوندیش گام بلندی در درک اسید نیتریک برداشت. او طی آزمایشی مشهور، جرقه های الکتریکی را از میان هوای معمولی مرطوب عبور داد. کاوندیش مشاهده کرد که با تخلیه پی درپی جرقه در یک مخلوط از نیتروژن و اکسیژن (هوای عادی) در حضور آب، بخارهای سرخ رنگی تشکیل می شوند که در آب حل شده و اسید نیتریک تولید می کنند. او بدین ترتیب عملاً اسید نیتریک را از هوا سنتز کرد و نسبت های تشکیل دهنده آن را با دقت اندازه گرفت. کاوندیش نشان داد که برای هر مقدار نیتروژن، مقدار معینی اکسیژن در تشکیل اسید نیتریک مصرف می شود و این ترکیب نسبت ثابتی دارد. این آزمایش یکی از نخستین نمونه های سنتز یک ترکیب شیمیایی از عناصر تشکیل دهنده اش بود و اثبات کرد که اسید نیتریک چیزی جز ترکیب عناصر متداول هوا و آب نیست. نتایج دقیق کاوندیش همچنین به مفهوم فرمول شیمیایی عناصر قوت بخشید، هر چند فرمول HNO3 تا سال ها بعد به طور رسمی معرفی نشد. سنتز کاوندیش از هوا، نظریه های لاووازیه و پریستلی را تأیید کرد و راه را برای تولید صنعتی نیتروژن و ترکیبات آن در آینده هموار نمود.

آزمایش های الکتروشیمیایی همفری دیوی

اوایل قرن نوزدهم، دانش الکتروشیمی تازه پا گرفته بود و شیمیدانان با استفاده از باتری ولتایی واکنش های جدیدی را کشف می کردند. همفری دیوی، شیمیدان انگلیسی، در سال ۱۸۰۶ مجموعه ای از آزمایش ها را با جریان برق انجام داد. او آب خالص را در حضور هوا با استفاده از الکترودهای بی اثر و باتری قوی برقکافت (الکترولیز) کرد. دیوی مشاهده کرد که در الکترود مثبت (آند)، مقدار اندکی اسید نیتریک تشکیل می شود. به بیان دیگر، جریان الکتریکی موجب شد نیتروژن موجود در هوا با اکسیژن و آب ترکیب شود و اسید نیتریک ایجاد گردد. این یافته بار دیگر ترکیب اسید نیتریک را تأیید کرد و نشان داد حتی از طریق جریان برق نیز می توان عناصر هوا را وادار به ایجاد این اسید کرد. آزمایش های دیوی همچنین موید نظریه های نوظهور بود که پیوندهای شیمیایی ماهیت الکتریکی دارند. اگرچه همفری دیوی بیشتر به خاطر جداسازی عناصری مانند سدیم، پتاسیم و کلر شناخته می شود، کار او روی اسید نیتریک اهمیت برق در شیمی را به نمایش گذاشت. تا اوایل دهه ۱۸۰۰، دیگر برای دانشمندان مسلم شده بود که اسید نیتریک ترکیبی از نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن (از آب) است و توجه آنان معطوف به تولید ارزان تر این ماده برای نیازهای عملی بود.

تولید صنعتی در قرن نوزدهم با نیترات های طبیعی

در طول قرن نوزدهم، اسید نیتریک از آزمایشگاه ها فراتر رفت و تولید آن در مقیاس صنعتی آغاز شد، زیرا نیاز به آن در کودها، مواد منفجره و صنایع شیمیایی رو به افزایش گذاشت. پیش از دستیابی به روش های مصنوعی، ماده اولیه اصلی برای تولید اسید نیتریک، نیترات های طبیعی بودند. معادن عظیم نیترات سدیم (شوره شیلی) در بیابان های شیلی و پرو کشف شدند و از میانه های قرن ۱۹ به بعد، شوره شیلی منبع عمده تأمین این اسید شد. فرآیند صنعتی رایج به این صورت بود که نیترات سدیم را در کارخانه ها با اسید سولفوریک غلیظ واکنش می دادند؛ در برج های آهنی ویژه، بخارات اسید نیتریک تقطیر و جمع آوری می شد و سدیم سولفات به جا می ماند. این روش که نسخه صنعتی همان دستور قدیمی شوره+سولفوریک بود، در اواخر قرن ۱۹ اسید نیتریک مورد نیاز صنایع را تأمین می کرد. در آن زمان، از اسید نیتریک برای تولید رنگ های شیمیایی و پردازش سلولز برای اولین پلاستیک ها استفاده می شد، اما بزرگترین تقاضا برای آن در تولید کودهای ازته و مواد منفجره بود. برخی نگران بودند که ذخایر نیترات طبیعی (که عمدتاً در اختیار شیلی بود) تمام شود یا در انحصار قرار گیرد. این نگرانی ها خود محرکی شد برای تلاش دانشمندان به منظور سنتز نیترات از هوا. با این وجود، تا پایان قرن نوزدهم، تولید اسید نیتریک یک صنعت مهم بود صنعتی که هنوز وابسته به معادن طبیعی نیترات و تجارت جهانی این ماده بود.

اسید نیتریک و پیدایش مواد منفجره

در سده نوزدهم، اسید نیتریک نقشی محوری در ابداع مواد منفجره نوین ایفا کرد و بدین ترتیب چهره جنگ، معدن کاوی و مهندسی را دگرگون ساخت. تا پیش از آن، تنها ماده منفجره در دسترس باروت سیاه بود که برای تولید آن به اسید نیتریک نیازی نبود. اما در دهه های ۱۸۴۰ و ۱۸۵۰، شیمیدانان به ترکیبات انفجاری قدرتمندی دست یافتند که از نیتره کردن مواد آلی به دست می آمد واکنشی که در آن از اسید نیتریک استفاده می شود. یکی از اولین این دستاوردها در ۱۸۴۷ حاصل شد: شیمیدان ایتالیایی اسکانیو سوبرو گلیسرین را با مخلوطی از اسید نیتریک و سولفوریک واکنش داد و ماده ای بسیار منفجره به نام نیتروگلیسیرین را کشف کرد. تقریباً همزمان در ۱۸۴۶، شون بین در آلمان نیتروسلولز (پنبه باروتی) را با آغشته کردن پنبه یا الیاف چوب به اسید نیتریک تهیه کرد. این مواد به مراتب قوی تر از باروت بودند. البته نیتروگلیسیرین بسیار خطرناک و حساس بود تا اینکه آلفرد نوبل در دهه ۱۸۶۰ آن را با خاک دیاتومه پایدار کرده و دینامیت را اختراع کرد. دستاورد مهم دیگر تری نیتروتولوئن (TNT) بود که در ۱۸۶۳ توسط ژولیوس ویلبراند سنتز شد (هرچند کاربرد انفجاری آن تا چند دهه بعد شناخته نشد). تمام این مواد برای تولیدشان مقادیر زیادی اسید نیتریک لازم بود. با ظهور این مواد منفجره قوی، تا اواخر قرن ۱۹ اسید نیتریک دیگر یک ماده آزمایشگاهی صرف نبود بلکه یک ماده راهبردی به شمار می آمد، به گونه ای که حمل و نقل اسید نیتریک به یکی از چالش های مهم صنعتی و ایمنی در زنجیره تامین کارخانجات مهمات سازی تبدیل شد. کارخانجات ساخت مهمات و مواد انفجاری به مصرف کنندگان عمده اسید نیتریک بدل شدند و این تقاضا به بهبود روش های تولید و ایمنی در کار با این اسید دامن زد. جالب آنکه اسیدی که روزگاری کیمیاگران برای تبدیل فلزات به طلا از آن بهره می بردند، اکنون در خدمت صنایع نظامی و عمرانی قرار گرفته بود. تا حوالی سال ۱۹۰۰، اهمیت حیاتی اسید نیتریک در تامین باروت های بی دود و کودهای کشاورزی کاملاً آشکار شده بود.

میراث و اهمیت تاریخی

تاریخ اسید نیتریک گواهی است بر نبوغ انسان در علم شیمی. از نخستین ظهور مبهم آن در رسالات کیمیاگری تا نقش مرکزی اش در صنایع بزرگ امروزی, داستان اسید نیتریک بیش از هزار سال پیشرفت علمی را در بر می گیرد. کشف آن نه حاصل یک لحظه ناگهانی توسط یک فرد، بلکه رونمایی تدریجی توسط جستجوگران بسیاری در فرهنگ های گوناگون بود از جابر بن حیان در دنیای اسلام قرون وسطی گرفته تا دانشمندان اروپایی عصر روشنگری و سپس مهندسان دوران صنعتی. هر کدام قطعه ای از این پازل را تکمیل کردند. اسیدی که روزی به کیمیاگران در جستجوی طلا یاری می رساند، بعدها به شریان حیاتی صنعت کودهای کشاورزی بدل شد و رشد جمعیت جهان را ممکن ساخت. اسید نیتریک همچنین نمادی از تلاقی دانش علمی با نیازهای جامعه است: نقشی کلیدی در ساخت مواد منفجره ای داشت که جنگ ها را شکل دادند، اما به همان اندازه در تولید کودهایی حیاتی بود که به صلح از طریق رفع گرسنگی کمک کردند. سیر شناخت و بهره برداری از اسید نیتریک بازتابی از تحول دانش شیمی است از یک هنر اسرارآمیز به علمی دقیق و سپس صنعتی عظیم. امروزه وقتی بطری اسید نیتریک را در آزمایشگاهی می بینیم یا به کارخانه های بزرگ کودسازی می اندیشیم، در واقع به فرجام قرن ها تلاش و نوآوری نگاه می کنیم. میراث اسید نیتریک در تاثیر تحول آفرین آن بر فناوری و جامعه نهفته است. این ماده همچنان از ارکان صنایع شیمیایی است و مسیر تاریخی آن یادآور این نکته است که دانش بشر طی نسل ها روی هم انباشته می شود و چگونه اکتشاف یک قرن می تواند به سنگ بنای اقتصاد و زندگی در قرن بعد تبدیل شود.جدول زیر برخی نقاط عطف تاریخ اسید نیتریک را خلاصه می کند: