تحولات اسید نیتریک در انقلاب صنعتی

مقدمه

اسید نیتریک یکی از آن موادی است که نامش کمتر به گوش عموم مردم خورده، اما رد پای آن در بسیاری از تحولات بزرگ تاریخی دیده می شود. در دوران انقلاب صنعتی، زمانی که کارخانه ها یکی پس از دیگری شکل گرفتند و تولید از کارگاه های کوچک به واحدهای عظیم صنعتی منتقل شد، این اسید نقش مهمی در پشت صحنه ایفا کرد. از تولید مواد اولیه گرفته تا شکل گیری صنایع جدید، اسید نیتریک به آرامی اما موثر مسیر صنعت را تغییر داد.

پیش از این دوره استفاده از اسید نیتریک بیشتر محدود به آزمایشگاه ها، کارهای فلزکاری یا مصارف خاص بود. اما با افزایش نیاز به مواد منفجره، کودهای شیمیایی، رنگ ها و ترکیبات صنعتی، توجه ها به این ماده جلب شد. صنعتگران و شیمی دانان دریافتند که می توانند با کمک اسید نیتریک، فرآیندهایی را انجام دهند که پیش از آن یا ممکن نبود یا بسیار پرهزینه بود. همین نیاز گسترده باعث شد تولید، بسته بندی و توزیع این ماده شکل صنعتی تری به خود بگیرد؛ مسیری که امروز در قالب خرید اسید نیتریک صادراتی گالن 20 لیتری برای مصرف های صنعتی و تجاری نیز ادامه دارد.

این مقاله تلاش می کند بدون ورود به بحث های پیچیده علمی، نشان دهد اسید نیتریک چگونه همزمان با رشد صنعت، دچار تحول شد و چه تاثیری بر اقتصاد، کشاورزی و فناوری آن دوران گذاشت. نگاهی ساده اما دقیق به مسیری که یک ماده شیمیایی طی کرد تا به یکی از پایه های دنیای صنعتی تبدیل شود.

خاستگاه های اسید نیتریک پیش از انقلاب صنعتی

در قرون وسطی، مدت ها پیش از دوران کارخانه ها و ماشین های بخار، اسید نیتریک برای کیمیاگران شناخته شده بود. احتمالاً نخستین بار در سده سیزدهم با حرارت دادن شوره (نیترات پتاسیم) همراه با جوهر گوگرد (اسید سولفوریک) در بالن های تقطیر تولید شد. شیمیدان های اولیه به این مایع خورنده آکوا فورتیس می گفتند که در لاتین به معنای آب قوی است. آنها از توانایی این اسید در حل کردن فلزاتی مانند نقره و مس شگفت زده می شدند و همین ویژگی جایگاه مهمی برای اسید نیتریک در آزمایش های کیمیاگری به وجود آورد.

تا دوران رنسانس و اوایل عصر جدید، اسید نیتریک به یک معرف شناخته شده در آزمایشگاه ها تبدیل شده بود. دانشمندان مشهوری مانند آلبرتوس ماگنوس روش تهیه و خواص آن را شرح دادند. اسید نیتریک همچنین یکی از اجزای ترکیب افسانه ای تیزاب سلطانی (یک قسمت اسید نیتریک به سه قسمت اسید هیدروکلریک) بود که حتی قادر بود طلا، سلطان فلزات، را حل کند. بنابراین، مدت ها پیش از آغاز انقلاب صنعتی، اسید نیتریک به عنوان یک ابزار شیمیایی نیرومند شناخته شده بود، هرچند تنها در مقادیر کم و برای کاربردهای خاص تولید می شد.

اسید نیتریک در اوایل انقلاب صنعتی

با طلوع انقلاب صنعتی در اواخر دهه ۱۷۰۰، اسید نیتریک از آزمایشگاه به سوی کارخانه ها راه پیدا کرد. پیشگامان صنعت شیمیایی، آکوا فورتیس را در دسته های کوچکی تولید می کردند تا نیازهای نوظهور را تامین کنند.

یکی از تقاضاهای عمده از سوی صنعت تسلیحات بود: از اسید نیتریک برای تصفیه شوره جهت ساخت باروت و تولید مواد منفجره جدیدی مانند فولمینات جیوه برای چخماق تفنگ ها استفاده می شد. همچنین در پالایش فلزات گرانبها و آزمایش های علمی جدید که مشخصه انقلاب شیمیایی آن دوره بود به کار گرفته شد. در این مرحله اولیه، تولید اسید نیتریک هنوز نسبتاً محدود بود، اما زمینه را برای گسترش بسیار بزرگ تر در دهه های بعد فراهم کرد.

ویژگی های کلیدی اسید نیتریک در کاربرد صنعتی

خواص شیمیایی اسید نیتریک آن را به ابزاری اساسی برای صنایع سده نوزدهم تبدیل کرد. این ماده یک اسید معدنی بسیار خورنده و یک عامل اکسنده قوی است. این ماهیت دوگانه به این معناست که اسید نیتریک می تواند با بسیاری از مواد به شدت واکنش نشان دهد: بیشتر فلزات پایه را حل می کند و آنها را به نیترات تبدیل می کند و حتی غیر فلزات را نیز اکسید می کند.

به همان اندازه مهم، اسید نیتریک واکنش های نیتره کردن را امکان پذیر می سازد، می تواند گروه های نیترو را به مولکول های آلی متصل کند و مواد کاملاً جدیدی ایجاد نماید.

این ویژگی ها به تولیدکنندگان امکان داد تا طیف گسترده ای از ترکیبات مفید را ایجاد کند، از نیترات های فلزی برای عکاسی گرفته تا مواد واسطه آلی برای رنگ ها و مواد منفجره.

تولید سنتی: فرآیند شوره و جوهر گوگرد

در سراسر دوران انقلاب صنعتی، روش اصلی تولید اسید نیتریک واکنش دادن نیترات ها با اسید سولفوریک بود روشی که به عنوان فرآیند شوره و جوهر گوگرد شناخته می شد. در این روش کلاسیک، شیمی دانان شوره (نیترات پتاسیم یا بعدها نیترات سدیم) را با اسید سولفوریک غلیظ گرم می کردند. این واکنش بخارهای اسید نیتریک تولید می کرد که می توانست به صورت مایع تقطیر و جمع آوری شود.

این روش از سده هفدهم شناخته شده بود (نخستین بار توسط شیمیدان یوهان رودولف گلابر معرفی شد) و تا اواسط قرن نوزدهم روش استاندارد باقی ماند. تا دهه ۱۸۰۰، دسترسی به اسید سولفوریک ارزان قیمت از طریق کارخانجات محفظه سربی امکان انجام واکنش شوره–جوهر گوگرد را در مقیاس بزرگ تر فراهم کرد.

کارخانه ها اسید نیتریک را به صورت بچ (نوبتی) در ظروف شیشه ای یا فلزی تولید می کردند و اغلب پس مانده ای از نمک های سولفات (که گاهی کیک شوره نامیده می شد) به عنوان محصول جانبی بر جای می ماند.

توسعه تولید در قرن هجدهم و نوزدهم

انقلاب صنعتی موجب افزایش شدید تقاضا برای اسید نیتریک شد و تولید در مقیاس کوچک را ناچار به گسترش به عملیات بزرگ تر کرد. جنگ ها و نیازهای نظامی محرک بزرگی بودند: برای مثال در خلال جنگ های ناپلئونی (اوایل دهه ۱۸۰۰)، فرانسه با محاصره واردات شوره مواجه شد و بسترهای شوره را برای تولید داخلی نیترات جهت اسیدها و باروت راه اندازی کرد.

با پیشرفت شیمی صنعتی تولید اسید نیتریک از چند اونس آزمایشگاهی به چندین تن صنعتی در سال افزایش یافت. تا اواسط قرن نوزدهم، بسیاری از کارخانه های شیمیایی اسید نیتریک را به صورت عمده تولید می کرد تا نیاز تولیدکنندگان رنگ، سازندگان مواد منفجره و تولیدکنندگان کود را تامین کند.

با این حال مقیاس بندی تولید دشوار بود زیرا اسید نیتریک بسیار واکنش پذیر و خطرناک است. تولیدکنندگان مجبور بودند از تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی استفاده کنند و اغلب اسید را در همان محلی که قرار بود استفاده شود تولید می کردند تا از حمل و نقل آن در فواصل طولانی خودداری کنند.

شوره شیلی: دگرگونی در تامین اسید نیتریک

در میانه قرن نوزدهم یک تحول اساسی در تولید اسید نیتریک رخ داد، کشف ذخایر عظیم نیترات سدیم در بیابان شیلی. این شوره شیلی به سرعت به منبع ارزان و فراوان نیترات تبدیل شد. شرکت های شیمیایی توانستند محموله های کشتی از این کانی را وارد کرده و به عنوان ماده اولیه برای تولید اسید نیتریک استفاده کنند، به جای اینکه صرفاً به شوره محلی کمیاب یا مزرعه های پرزحمت نیترات متکی باشند.

نتیجه جهشی در عرضه اسید نیتریک و کاهش هزینه آن بود. تا اواخر دهه ۱۸۰۰، شیلی بخش بزرگی از نیترات جهان را تامین می کرد و نیاز هر دو صنعت کود و تولید مواد انفجاری را تغذیه می نمود. با این حال، این نعمت با یک هشدار همراه بود ذخایر نیترات محدود بودند. با نزدیک شدن به پایان قرن، دانشمندان و دولت ها نگران شدند که شوره شیلی به زودی تمام شود و همین امر علاقه به یافتن راه های جدید برای تولید مصنوعی نیترات را برانگیخت.

اسید نیتریک در مواد انفجاری و جنگ افزار

از سده نوزدهم به بعد، اسید نیتریک به شدت با توسعه مواد انفجاری گره خورد. باروت سنتی (مخلوط نیترات پتاسیم، زغال و گوگرد) مدت ها وابسته به نیترات ها بود، اما انقلاب صنعتی مواد منفجره شیمیایی را معرفی کرد که مستقیماً از اسید نیتریک در ساخت آنها استفاده می شد. یک نمونه اولیه، فولمینات جیوه بود که در سال ۱۸۰۰ کشف شد و با واکنش جیوه با اسید نیتریک و الکل ساخته می شد این ترکیب اولین چخماق انفجاری مفید برای چاشنی اسلحه شد. با پیشرفت قرن، مواد منفجره نیرومندتری پدیدار شدند که به لطف توانایی اسید نیتریک در نیتراسیون مواد آلی ممکن شدند و به تدریج نقش اسید نیتریک در جنگ های جهانی را نیز پررنگ تر کردند.

در دهه ۱۸۴۰، شیمیدانان دریافتند که با آغشته کردن الیاف پنبه یا چوب با مخلوط اسید نیتریک و اسید سولفوریک، نیتروسلولز (پنبه باروتی) تولید می شود؛ ماده ای منفجره و حساس به ضربه که به مراتب قوی تر از باروت بود.

مدت کوتاهی بعد در سال ۱۸۴۷، نیتروگلیسیرین با واکنش گلیسرین با اسید نیتریک اختراع شد و یک ماده منفجره مایع فوق العاده قوی (اما به شدت ناپایدار) حاصل گردید. مخترعانی مانند آلفرد نوبل نیتروگلیسیرین را با جذب آن در خاک سیلیسی بی اثر مهار کرده و دینامیت را در سال ۱۸۶۷ ابداع کردند؛ این کار انفجار را ایمن تر کرد و صنعت ساخت و ساز و معدنکاری را متحول نمود.

تا اواخر قرن نوزدهم ارتش ها پیشرانه های بدون دود مبتنی بر نیتروسلولز و نیتروگلیسیرین را به کار می گرفتند و مواد منفجره پیشرفته تری مانند اسید پیکریک و TNT (تری نیتروتولوئن) که بر پایه اسید نیتریک بودند نیز در دست توسعه قرار داشتند. این مواد منفجره جدید بسیار قدرتمندتر از باروت سیاه سنتی بود و به طور چشمگیری جنگ را متحول کرد و امکان تولید مهمات قوی تر و تغییر تاکتیک های نظامی را فراهم ساخت.

توسعه شیمی نیتراسیون

سده نوزدهم همچنین دوره ای بود که شیمیدانان واکنش نیتره کردن را کشف رمز کردند فرآیند افزودن گروه های نیترو به مولکول های آلی با استفاده از اسید نیتریک. فراتر از مواد منفجره، شیمی نیتره کردن درهای بی شماری از ترکیبات جدید را گشود. در سال ۱۸۳۴، شیمیدان آلمانی ایلهارد میتشرلیش نیتروبنزن را با افزودن اسید نیتریک به بنزن تولید کرد؛ ماده ای با بوی بادام تلخ که به پیش ماده ای برای رنگ های آنیلینی تبدیل شد.

دیگر آزمایش های نیتره کردن منجر به تولید اسید پیکریک (تری نیتروفنول) از فنول و اسید نیتریک و انواع رنگ های نیتروآروماتیک شد که رنگ های زنده ای به منسوجات افزودند. نیتره کردن به زودی به یک تکنیک اساسی در شیمی آلی تبدیل شد. با اتصال گروه های نیترو، دانشمندان توانستند مواد طبیعی بی اثر را به فرآورده های فعال و ارزشمند تبدیل کنند از حلال ها و عطرها گرفته تا مواد واسطه کلیدی برای داروسازی. این گسترش شیمی نیتره کردن در دوران انقلاب صنعتی به طور چشمگیری دامنه محصولات صنعت شیمی را گسترش داد.

دگرگونی رنگ ها و رنگدانه ها با اسید نیتریک

اسید نیتریک در دوران انقلاب صنعتی پیشرفت های چشمگیری را در صنعت رنگ و رنگدانه رقم زد. به طور برجسته، نخستین رنگ مصنوعی تاریخ با اسید نیتریک ساخته شد: در سال ۱۷۷۱، پیتر وولف رنگدانه طبیعی نیلی را با اسید نیتریک واکنش داد و ترکیبی زرد درخشان تولید کرد که بعدها اسید پیکریک نامیده شد.

هرچند رنگ اسید پیکریک مشکل کم دوامی در برابر نور داشت، این دستاورد نشان داد که اسید نیتریک می تواند رنگ های جدیدی ایجاد کند که تنها از طبیعت به دست نمی آمدند.

تا اواسط قرن نوزدهم، شیمیدانان مواد شیمیایی آلی را نیتره می کردند تا واسطه های رنگزا را در مقیاس بزرگ تری سنتز کنند. برای مثال نیتروبنزن (تولید شده از نیتره کردن بنزن) می توانست به آنیلین تبدیل شود؛ که به اختراع نخستین رنگ آنیلینی (بنفش مایل به ارغوانی موسوم به مووین) در ۱۸۵۶ و موجی از رنگ های مصنوعی دیگر انجامید.

به لطف اسید نیتریک، صنعت نساجی به رنگ ها و رنگدانه های روشن تر و متنوع تری که در کارخانه ها تولید می شدند دست یافت تغییری چشمگیر نسبت به پالت محدود رنگ های گیاهی سنتی.

کود و کشاورزی: نیتروژن برای جهانی رو به رشد

در دوران انقلاب صنعتی اسید نیتریک و مشتقات آن برای کشاورزی نیز حیاتی شدند. تا اواسط قرن نوزدهم، دانشمندان دریافته بودند که گیاهان برای رشد به نیتروژن نیاز دارند و این امر منجر به جستجوی کودهای موثر شد. یک راه حل، استفاده از نمک های نیترات (مانند نیترات سدیم شیلی یا نیترات پتاسیم) به عنوان کود مصنوعی بود که خاک را با نیتروژن محلول غنی می کرد.

مقادیر عظیمی از شوره شیلی به اروپا و آمریکای شمالی حمل می شد تا در مزارع پخش شود و عملکرد محصولات را به طور چشمگیری بهبود دهد. خود اسید نیتریک گاهی برای ساخت کود نیترات آمونیوم از طریق خنثی سازی گاز آمونیاک حاصل از کارخانه های زغال سنگ استفاده می شد.

این نوآوری ها با جلوگیری از تخلیه مواد مغذی خاک به تامین جمعیت رو به رشد جهان کمک کردند. با این حال با افزایش وابستگی کشاورزی به نیترات ها، نگرانی ها از اتمام منابع طبیعی نیز افزایش یافت.

این دغدغه زمینه را برای دستاوردهای قرن بیستم در تثبیت مصنوعی نیتروژن فراهم کرد که سرانجام کشاورزی را از محدودیت های نیترات های معدنی آزاد کرد.

نقاط عطف علمی در پژوهش اسید نیتریک

دوران انقلاب صنعتی همچنین شاهد پیشرفت های بزرگی در درک دانش اسید نیتریک بود. در سال ۱۷۷۶، آنتوان لاووازیه استنباط کرد که اسید نیتریک از آنچه او هوای نیتروسی (نیتریک اکسید) می نامید همراه با اکسیژن هوا و آب تولید می شود، نشانه اولیه ای از ترکیب این اسید.

سپس در ۱۷۸۵، شیمیدان بریتانیایی هنری کاوندیش به طور مشهور جرقه های الکتریکی را از میان هوای مرطوب عبور داد و با موفقیت نیتروژن جوی را به مقدار کمی اسید نیتریک تبدیل کرد. این آزمایش ثابت کرد که نیتروژن بی اثر هوا می تواند به یک اسید تبدیل شود و ایده تثبیت نیتروژن را از پیش نشان داد.

در ۱۸۰۶، همفری دیوی این یافته ها را بیشتر تایید کرد؛ او با استفاده از برقکافت مشاهده کرد که هنگام الکترولیز آب اشباع از هوا، در آند اسید نیتریک تشکیل می شود. این نقاط عطف علمی ترکیب اسید نیتریک (مشتق شده از نیتروژن و اکسیژن) را آشکار کردند و پایه را برای روش های صنعتی بعدی برای تولید مستقیم اسید نیتریک از جوّ گذاشتند.

متالورژی، حکاکی و کاربردهای هنری اسید نیتریک

اسید نیتریک در متالورژی قرن نوزدهم کاربردهای فراوانی یافت. پالایشگران از آن برای جداسازی و خالص سازی فلزات گرانبها استفاده می کردند، به عنوان مثال طلای آلیاژشده با نقره را با اسید نیتریک تصفیه می کردند تا نقره حل شود و طلای تقریباً خالص باقی بماند.

این فرآیند تفکیک طلا و نقره طی قرن ها شناخته شده بود و در ضرابخانه ها و کارگاه های جواهرسازی برای دستیابی به طلای بسیار خالص به کار می رفت. اصطلاح محک اسید از همین کاربرد ریشه گرفته است اسید نیتریک بر طلای خالص اثری نمی گذارد، از این رو به روشی استاندارد برای سنجش اصالت اشیاء طلایی تبدیل شد.

هنرمندان و صنعتگران نیز به طور گسترده از اسید نیتریک بهره می بردند. در صنعت چاپ و حکاکی، صفحات مسی را با اسید نیتریک (آکوا فورتیس) حکاکی می کردند تا تصاویر کنده کاری شده ظریفی ایجاد شود؛ اسید در نواحی که پوشش محافظ برداشته شده بود به داخل فلز گاز می گرفت و طرح هنرمند را روی صفحه منتقل می کرد.

سازندگان اسلحه و حکاکان فلز نیز به طور مشابه از اسید نیتریک برای نقش اندازی تزیینی یا خورده نگاری طرح ها بر سطوح فولادی استفاده می کردند. هنر نوظهوری مانند عکاسی به طور غیرمستقیم به اسید نیتریک وابسته بود، تولید نیترات نقره (ماده حساس به نور که برای صفحات و کاغذهای عکاسی اولیه ضروری بود) مستلزم حل کردن نقره در اسید نیتریک بود.

چه در هنرهای خلاقانه و چه در ساخت صنعتی، اسید نیتریک به عنوان یک معرف دقیق و نیرومند عمل می کرد تا سطوح فلزی را اصلاح کرده و مواد حیاتی را تولید کند.

از هوا تا اسید: مسیر تولید مدرن

تا اواخر قرن نوزدهم، افزایش تقاضا برای نیترات ها دانشمندان را واداشت تا به دنبال روش های جدیدی برای تولید اسید نیتریک فراتر از واکنش قدیمی شوره و جوهر گوگرد باشند. یک پیشرفت بزرگ در سال ۱۹۰۵ با فرآیند بیرکلاند–آیده در نروژ به دست آمد. این روش از قوس های الکتریکی برای وادار کردن نیتروژن و اکسیژن هوا به ترکیب و تشکیل اکسیدهای نیتروژن استفاده می کرد که سپس در آب جذب می شدند تا اسید نیتریک تولید شود.

این نخستین فرآیند صنعتی بود که اسید نیتریک را مستقیماً از هوا تولید می کرد، هرچند مقادیر عظیمی برق مصرف می نمود.

چند سال بعد، یک راه حل بسیار کارآمدتر از راه رسید. در ۱۹۰۸، شیمیدان آلمانی ویلهلم استوالد فرآیند اکسایش آمونیاک را اختراع کرد (که در ۱۹۰۲ ثبت اختراع شده بود و تا ۱۹۱۳ تجاری سازی شد) و طی آن با اکسایش کاتالیزی گاز آمونیاک، اسید نیتریک تولید می شد.

همراه با فرآیند تازه توسعه یافته هابر–بوش برای آمونیاک مصنوعی، فرآیند استوالد به سرعت جای روش قوس الکتریکی را گرفت. سرانجام بشر توانست تنها با استفاده از هوا، آب و انرژی به طور نامحدود اسید نیتریک تولید کند و صنعت را از وابستگی به نیترات های معدنی آزاد سازد.

جدول زیر برخی از نقاط عطف کلیدی در دگرگونی تولید اسید نیتریک از کشف اولیه آن تا این روش های صنعتی مدرن را نشان می دهد.

نتیجه گیری

تحولات اسید نیتریک در دوران انقلاب صنعتی نشان می دهد که چگونه یک ماده شیمیایی می تواند فراتر از یک ابزار آزمایشگاهی عمل کند و به بخشی جدایی ناپذیر از زندگی صنعتی تبدیل شود. این اسید به تدریج از کاربردهای محدود و سنتی فاصله گرفت و وارد قلب کارخانه ها، معادن و مزارع شد. همین تغییر مسیر بود که امکان تولید گسترده تر، سریع تر و مقرون به صرفه تر را فراهم کرد.

با گسترش صنایع، اسید نیتریک نقش خود را در حوزه های مختلفی مانند ساخت مواد منفجره، تولید کودهای شیمیایی و توسعه صنایع رنگ و فلزکاری تثبیت کرد. این کاربردهای متنوع باعث شد اهمیت آن نه تنها در صنعت، بلکه در اقتصاد و تامین نیازهای جامعه نیز پررنگ تر شود.

در نهایت بررسی این روند به ما کمک می کند بهتر بفهمیم پیشرفت صنعتی تنها حاصل ماشین آلات و نیروی انسانی نبوده، بلکه نتیجه شناخت عمیق تر مواد و استفاده هوشمندانه از آنهاست؛ مسیری که هنوز هم در صنایع امروزی ادامه دارد.