کاربردهای علمی و فناورانه اسید نیتریک

مقدمه

اسید نیتریک (HNO3) یک اسید معدنی بسیار مهم با طیف گسترده ‌ای از کاربردها در علوم و صنعت است. این اسید معدنی قوی و خورنده که یک اکسید‌کننده شدید نیز می ‌باشد ، به عنوان یکی از ارکان اصلی شیمی و فناوری مدرن شناخته می ‌شود. از فرایندهای عظیم صنعتی گرفته تا تحقیقات پیشرفته آزمایشگاهی ، اسید نیتریک نقشی ضروری ایفا می ‌کند. هر سال ده ‌ها میلیون تن از این اسید در سراسر جهان عمدتاً برای تولید کودهای شیمیایی تولید می ‌شود اما کاربردهای آن بسیار فراتر از کشاورزی است. در بخش ‌های بعدی کاربردهای متنوع علمی و فناورانه اسید نیتریک را به صورت جامع بررسی می‌ کنیم.

بررسی کلی اسید نیتریک و اهمیت آن

اسید نیتریک یک مایع بی ‌رنگ (که به دلیل دودهای دی‌ اکسید نیتروژن اغلب رنگ زرد پیدا می ‌کند) با واکنش ‌پذیری بسیار بالا است. این اسید به راحتی اکسیژن آزاد می‌ کند و با بسیاری از فلزات و ترکیبات آلی وارد واکنش می‌ شود. اسید نیتریک در صنایع متعدد حضور پررنگی دارد و به عنوان واکنشگر و ماده فرآیندی در خدمت زمینه‌ های گوناگون است. این اسید به روش صنعتی فرآیند استوالد تولید می ‌شود و در سراسر جهان به عنوان یکی از مصالح پایه در تولیدات شیمیایی به کار می ‌رود. جدول زیر حوزه ‌های اصلی استفاده از اسید نیتریک را به‌ طور خلاصه نشان می‌ دهد:

اسید نیتریک در تولید کود

یکی از حیاتی ‌ترین کاربردهای اسید نیتریک در حوزه کشاورزی است. از اسید نیتریک برای تولید کودهای حاوی نیتروژن در مقیاس بسیار بزرگ استفاده می ‌شود. با واکنش اسید نیتریک و گاز آمونیاک ، نیترات آمونیوم تولید می ‌شود که کودی غنی از نیتروژن است و رشد گیاهان را به شدت افزایش می ‌دهد. همچنین نیترات کلسیم و سایر نمک ‌های نیترات نیز با کمک HNO3 ساخته می ‌شوند. این بخش عمده‌ ترین مصرف‌ کننده اسید نیتریک در جهان است که اهمیت آن را در تداوم تولید غذای جمعیت رو به رشد نشان می ‌دهد. کودهای تولید شده از اسید نیتریک با تأمین عنصر ضروری نیتروژن به خاک ، به کشاورزان کمک می ‌کنند عملکرد محصولات خود را افزایش داده و امنیت غذایی را بهبود بخشند.

اسید نیتریک در پیشرانش موشکی

کاوش‌ های اولیه فضایی و فناوری موشک به شکل قابل توجهی از اسید نیتریک به عنوان اکسیدکننده سوخت موشک بهره برده ‌اند. اسید نیتریک غلیظ (به ویژه انواع دودکننده قرمز یا سفید که دارای اکسیدهای نیتروژن محلول هستند) می ‌تواند اکسیژن لازم برای سوختن سوخت‌ های راکتی را فراهم کند. حتی این اسید با اسید سولفوریک یا افزودنی ‌هایی مانند فلوئور هیدروژن مخلوط شده و سوخت ‌های هایپرجولیک را ایجاد کرده است – ترکیباتی از سوخت و اکسیدکننده که به محض تماس به طور خودبه‌خودی آتش می ‌گیرند. اسید نیتریک در موشک ‌های نظامی تاریخی برای مثال اسید نیتریک دودکننده قرمز بازدارنده ‌دار در موشک BOMARC استفاده می ‌شد و در برخی راکت‌ های فضایی به عنوان اکسیدکننده مایع قابل ذخیره به کار رفته است. همچنین این اسید به عنوان جزء سوخت مایع موشک‌ ها نقش مهمی ایفا کرده است زیرا در دمای محیط مایع می ‌ماند و امکان سوخت ‌گیری موشک را از قبل فراهم می‌ کند.

اسید نیتریک در سنتز آلی و تولید مواد شیمیایی

در صنایع شیمیایی خرید اسید نیتریک شیراز به عنوان یک واکنشگر و اکسیدکننده برای ساخت طیف وسیعی از ترکیبات آلی ارزشمند مورد توجه می باشد. یکی از کاربردهای عمده آن در واکنش ‌های نیتره‌کردن است یعنی جایی که HNO3 (اغلب به همراه اسید سولفوریک) گروه نیترو (–NO2) را به مولکول‌ های آلی اضافه می ‌کند. این فرآیند واسطه ‌های مهمی را تولید می ‌کند : برای مثال نیتره‌کردن بنزن منجر به تولید نیتروبنزن می ‌شود که با هیدروژن ‌دار شدن به آنیلین تبدیل می ‌شود. آنیلین خود ماده اولیه ساخت رنگ‌ های صنعتی و برخی پلیمرها (مانند فوم‌ های پلی‌ یورتان) و داروها است. همچنین از اسید نیتریک برای اکسیداسیون برخی ترکیبات آلی استفاده می ‌شود به طور برجسته در تولید اسید آدیپیک (ماده اولیه نایلون ۶۶) از اکسیداسیون سیکلوهگزانول/سیکلوهگزانون توسط اسید نیتریک بهره می ‌گیرند. تولید بسیاری از رنگ ‌ها ، رنگدانه ‌ها و ترکیبات آلی ویژه به واکنش ‌های نیتره ‌کردن آروماتیک ‌ها یا تهیه نمک ‌های نیترات وابسته است.

اسید نیتریک در تولید چسب و پلیمر

اسید نیتریک در تولید برخی چسب ‌ها و پلیمرهای خاص نیز کاربردهای جالبی داشته و به عنوان یکی از کاربردهای صنعتی اسید نیتریک در نظر گرفته می شود. در صنعت چسب شاید عجیب به نظر برسد که HNO3 می ‌تواند جزئی از فرمول برخی چسب ‌های بسته‌ بندی مواد غذایی و چسب‌ های کاغذ و مقوا باشد. این چسب ‌های ویژه ممکن است از مشتقاتی استفاده کنند که اسید نیتریک در فرآیند ساخت آن ‌ها نقش داشته است (برای مثال جهت ایجاد عوامل پلیمری نیتروسلولزی در فرمول چسب). نیتروسلولز که از تیمار سلولز با اسید نیتریک به دست می ‌آید در واقع نخستین پلیمر نیمه‌ مصنوعی تاریخ است و امروزه نیز در لاک ‌ها و بعضی چسب‌ ها استفاده می ‌شود. نیتروسلولز به عنوان فیلم ‌ساز در لاک‌ های سریع ‌خشک‌ شونده و روکش ‌های چوبی به کار می ‌رود. همچنین اسید نیتریک ماده مهمی در ساخت برخی پلاستیک ‌ها و رزین‌ ها است. برای مثال در تولید رزین ‌های اوره ، فرمالدهید ممکن است از نیترات‌ ها به عنوان کاتالیزور استفاده شود. در شیمی پلیمر اسید نیتریک می ‌تواند پلیمرها را اصلاح کند یا به معرفی گروه‌های عاملی جدید در آن ‌ها کمک کند. اگرچه این کاربردها به گستردگی کود یا مواد منفجره نیست اما وجود آن‌ ها نشان‌ دهنده دامنه وسیع اثرگذاری این اسید در صنایع است.

اسید نیتریک در پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی

با وجود خورندگی شدید اسید نیتریک دارای کاربردهای قابل توجهی در پزشکی و مراقبت ‌های بهداشتی است ، چه به طور مستقیم و چه غیرمستقیم. در شکل خالص اسید نیتریک به عنوان یک ماده سوزاننده برای برداشتن زگیل ‌ها ، زائده‌ های پوستی و تومورها کوچک استفاده شده است (در گذشته حتی برای داغ‌ کردن و ضدعفونی زخم ‌ها و زخم ‌های سیفیلیسی نیز به کار می ‌رفت). توانایی آن در تخریب بافت راهی ابتدایی ولی مؤثر برای سوزاندن بافت‌ های ناخواسته زیر نظر پزشک فراهم می ‌کرد. محلول‌ های بسیار رقیق اسید نیتریک حتی در گذشته به عنوان درمانی برای ناراحتی‌ های گوارشی مانند سوءهاضمه به کار رفته‌ اند (در اصطلاح پزشکی به آن اسید نیتریک رقیق خوراکی می‌ گفتند) اگرچه امروزه به دلیل خطراتش این روش منسوخ شده است. اهمیت بزرگ ‌تر اسید نیتریک در حوزه سلامت نقش آن در تهیه داروها و ترکیبات پزشکی است. بسیاری از داروها برای تولید نیاز به مراحل نیتره ‌کردن یا استفاده از واکنشگرهای مبتنی بر اسید نیتریک دارند.

اسید نیتریک در متالورژی و پالایش فلزات

صنعت متالورژی به شدت متکی به اسید نیتریک برای پالایش و پرداخت فلزات است. یکی از کاربردهای اصلی خالص‌ سازی فلزات گران‌ بها است : وقتی اسید نیتریک با اسید هیدروکلریک مخلوط می ‌شود تیزاب سلطانی را تشکیل می ‌دهد ، محلولی دودکننده و پرقدرت که حتی قادر به حل کردن طلا و پلاتین است. طلافروشان و پالایشگران از تیزاب سلطانی برای حل کردن آلیاژهای طلای ناخالص و سپس جداسازی طلای خالص (با خلوص بسیار بالا) استفاده می ‌کنند. اسید نیتریک به تنهایی می ‌تواند نقره و فلزات پایه را حل کند اما طلا با خلوص بالا را حل نمی ‌کند به همین دلیل در زرگری به عنوان آزمایش تشخیص طلا نیز به کار می‌ رود – سنگ محک و قطره اسید نیتریک به سرعت نشان می ‌دهد که آیا زیورآلات از طلای خالص است یا آلیاژ کم‌ عیار (چرا که اسید فلزات ناخالص را حل کرده و رنگ متفاوتی ایجاد می‌ کند).

اسید نیتریک برای اچ‌ کردن و حکاکی

هنر و فن اچ ‌کردن و حکاکی از دیرباز برای ایجاد طرح بر روی سطوح مختلف از اسید نیتریک بهره برده است. در چاپ دستی سنتی هنرمندان از اسید نیتریک برای اچ‌ کردن طرح‌ ها روی صفحه ‌های فلزی (مانند مس یا روی) استفاده می ‌کنند ، این تکنیک که چاپ فلزی (اینتاگلیو) نام دارد به این صورت است که صفحه را با ماده مقاوم پوشانده ، طرح مورد نظر را با خراش روی آن ایجاد می‌ کنند و سپس صفحه را در اسید نیتریک قرار می ‌دهند تا اسید خطوط آشکار شده فلز را بتراشد. بدین ترتیب نقوش ظریف و عمیقی در فلز شکل می ‌گیرد که امکان چاپ هنری با جزئیات بسیار را فراهم می ‌کند. به همین صورت حکاکان برای تزئین اشیاء یا پلاک‌ های فلزی از اسید نیتریک استفاده می ‌کنند (گاه همراه با الکل به صورت محلول نیتال) تا طرح‌ های پیچیده ‌ای روی برنج ، برنز یا مس ایجاد کنند. اسید در قسمت‌ های مورد نظر فلز را می‌ خورد و الگوی دلخواه یا نوشته را به شکل دائمی در سطح فلز حک می ‌کند.

اسید نیتریک در کاربردهای آزمایشگاهی و آنالیتیکی

شاید هیچ جا به اندازه آزمایشگاه ‌ها اسید نیتریک فراگیر نباشد. آزمایشگاه ‌های تحقیقاتی ، آموزشی و آنالیزی همه به دلیل مصارف متعدد HNO3 در تجزیه و آماده ‌سازی نمونه این اسید را در قفسه مواد خود نگه می ‌دارند. یکی از کاربردهای اصلی هضم اسیدی نمونه ‌ها است. نمونه‌ های جامد سخت مانند سنگ ‌ها ، رسوبات ، بافت ‌های زیستی یا فلزات معمولاً در اسید نیتریک غلیظ (گاهی همراه با گرما یا اسیدهای دیگر) حل می ‌شوند تا به صورت محلول درآیند. این کار به دانشمندان اجازه می ‌دهد ترکیب نمونه را با روش‌ هایی مانند ICP-MS جذب اتمی یا تیتراسیون تجزیه کنند.

اسید نیتریک در صنعت الکترونیک و ساخت نیمه ‌رسانا

صنعت الکترونیک به مواد فوق ‌العاده تمیز و فرآیندهای دقیق وابسته است و اسید نیتریک در این زمینه نیز نقش مهمی ایفا می ‌کند. در ساخت نیمه ‌رساناها از اسید نیتریک در مراحل مختلف تمیزکاری و اچ ‌کردن ویفرهای سیلیکونی و ریزتراشه ‌ها استفاده می ‌شود. پس از تولید ویفرهای سیلیکونی باید هرگونه آلودگی آلی ، ناخالصی فلزی و ذرات ناخواسته از روی آن‌ ها زدوده شود. محلولی موسوم به محلول پیرانا (مخلوط اسید سولفوریک و آب ‌اکسیژنه) معمولاً برای تمیزکردن آلودگی ‌های آلی به کار می ‌رود اما محلول‌ های حاوی اسید نیتریک نیز برای اکسیدکردن و حذف آثار فلزات روی سطح سیلیکون استفاده می ‌شوند. اسید نیتریک می‌ تواند سیلیکون یا لایه ‌های فلزی ناخواسته را اکسید کند تا سپس به راحتی برداشته شوند. بدین ترتیب به ایجاد الگوهای میکروسکوپی مدار روی تراشه ‌ها کمک می ‌کند.

اسید نیتریک در فناوری نانو و مواد پیشرفته

در مرزهای فناوری نانو و علوم مواد اسید نیتریک همچنان به عنوان ابزاری مفید برای تغییر ماده در مقیاس ‌های بسیار کوچک به کار می ‌رود. یکی از کاربردهای پیشرفته این اسید تصفیه و عامل ‌دارکردن نانولوله ‌های کربنی (CNT) است. هنگامی که نانولوله ‌های کربنی خام تولید می ‌شوند اغلب ذرات کاتالیست فلزی و کربن آمورف اضافی همراه دارند. تیمار این نانولوله‌ ها با اسید نیتریک کمک می ‌کند تا کاتالیست ‌های فلزی باقی ‌مانده حذف شوند (با حل شدن در قالب نیترات ‌های فلزی) و همچنین گروه ‌های حاوی اکسیژن بر سطح نانولوله ‌ها ایجاد می‌ کند که پراکندگی آن ‌ها در محلول ‌ها را بهبود می‌ بخشد. این فرآیند نانولوله ‌های تمیزتر و یکنواخت ‌تری را برای استفاده در الکترونیک یا کامپوزیت‌ ها فراهم می ‌کند. اسید نیتریک همچنین برای دوپ کردن شیمیایی برخی نانومواد و پلیمرهای رسانا استفاده می ‌شود.

اسید نیتریک در فناوری هسته ‌ای و بازیافت سوخت

اسید نیتریک نقش اساسی در صنعت هسته‌ ای به ویژه در بازفرآوری سوخت هسته ‌ای مصرف‌ شده ایفا می ‌کند. پس از آنکه سوخت هسته‌ ای (مانند میله‌ های اکسید اورانیوم) در راکتور استفاده شد ، مواد باقی ‌مانده حاوی ایزوتوپ ‌های شکافت ‌پذیر ارزشمندی مانند اورانیوم و پلوتونیوم به همراه محصولات شکافت است. فرآیند PUREX (استخراج متوالی پلوتونیوم و اورانیوم) یک روش شیمیایی برای جداسازی این عناصر است و با حل کردن تکه ‌های سوخت مصرف ‌شده در اسید نیتریک داغ و غلیظ آغاز می‌ شود. HNO3یکی از معدود موادی است که می ‌تواند ترکیبات اکسیدی سنگین اکتینیدها را به طور مؤثر حل کند و اورانیوم ، پلوتونیوم و دیگر اکتینیدها را به نیترات ‌های محلول تبدیل نماید. وقتی این عناصر به محلول نیترات درآمدند امکان جداسازی شیمیایی آن ‌ها فراهم می ‌شود : برای مثال تری ‌بوتیل‌فسفات (یک حلال آلی) نیترات ‌های اورانیوم و پلوتونیوم را به طور انتخابی از فاز اسید نیتریک جدا می ‌کند و بدین ترتیب آن‌ ها را از باقیمانده زباله ‌ها تفکیک می‌ کند.

کاربردهای نوظهور اسید نیتریک

با اینکه اسید نیتریک قرن ‌هاست شناخته شده اما همچنان کاربردهای جدیدی برای آن در علوم و فناوری پیدا می ‌شود. پژوهشگران و صنایع به طور مداوم در حال کشف یا توسعه زمینه‌ های نوینی برای این اسید همه‌ کاره هستند. یکی از حوزه ‌های نوآوری ، شیمی سبز و فناوری محیط ‌زیست است. برای مثال استفاده از اسید نیتریک در شرایط کنترل ‌شده برای تجزیه آلاینده‌ های آلی خطرناک یا کمک به بازیافت مواد سرسخت. در حوزه پیشرانش موشک شرکت‌ های فضایی مدرن دوباره به مشتقات اسید نیتریک برای سامانه ‌های پرتاب کم ‌هزینه یا موتورهای ترکیبی روی آورده ‌اند. گاهی در ترکیب با سوخت ‌های جدید به دنبال اکسیدکننده‌ هایی ذخیره ‌پذیر و در عین حال کارا هستند.