Axít nitric

Axít nitric là một hợp chất vô cơ với công thức hóa học HNO₃. Khi tinh khiết, axít nitric ở dạng lỏng trong suốt, nhưng khi tiếp xúc với không khí ẩm, nó sẽ bốc khói mạnh. Trong tự nhiên, axít nitric thường hình thành trong các cơn mưa giông và hiện là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng mưa acid.

Axít nitric là một chất ăn mòn mạnh và dễ cháy. Ở trạng thái tinh khiết, nó không màu, nhưng có thể chuyển sang màu vàng nhạt nếu để lâu do sự tích tụ của nitơ oxit. Dung dịch chứa hơn 86% axít nitric được gọi là axít nitric bốc khói. Loại axít này có thể là axít nitric bốc khói trắng hoặc đỏ, tùy thuộc vào hàm lượng nitơ dioxide có mặt.

Axít nitric còn được gọi là cường thủy (Hán Việt: 镪水; tiếng Latin: aqua fortis).

Lịch sử

Việc tổng hợp axít nitric lần đầu tiên được ghi nhận vào khoảng năm 800 sau Công Nguyên bởi nhà giả kim người Ả Rập Jabir ibn Hayyan.

Đặc điểm vật lý

Axít nitric tinh khiết (100%) là một chất lỏng có tỷ trọng khoảng 1522 kg/m³, đông đặc thành tinh thể trắng ở nhiệt độ -42 ℃ và sôi ở 83 ℃. Khi đun sôi, ngay cả ở nhiệt độ phòng và trong ánh sáng, axít nitric sẽ phân hủy một phần, tạo ra nitơ dioxide theo phản ứng sau:

4HNO₃ → 2H₂O + 4NO₂ + O₂

Do đó, axít nitric tinh khiết cần được bảo quản ở nhiệt độ dưới 0 ℃ để ngăn ngừa sự phân hủy. Nitơ dioxide (NO₂) hòa tan trong axít nitric khiến nó có màu vàng hoặc đỏ nếu nhiệt độ cao hơn. Trong khi axít tinh khiết thường bốc khói trắng khi tiếp xúc với không khí, axít chứa NO₂ lại bốc khói màu nâu đỏ, dẫn đến các loại axít bốc khói trắng và bốc khói đỏ như đã đề cập.

Axít nitric có thể hòa tan hoàn toàn trong nước với bất kỳ tỷ lệ nào và khi được chưng cất, nó tạo ra một azeotrope với nồng độ 68% HNO₃, có nhiệt độ sôi là 120,5 ℃ ở áp suất 1 atm. Có hai dạng hydrat được biết đến: monohydrat (HNO₃·H₂O) và trihydrat (HNO₃·3H₂O).

Nitơ oxide (NO_x) hòa tan trong axít nitric và điều này ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý của nó như áp suất hơi và nhiệt độ sôi, cũng như màu sắc của axít. Khi axít nitric gặp nhiệt độ cao hoặc ánh sáng, nồng độ của các oxide nitơ có thể thay đổi, dẫn đến sự thay đổi tương ứng trong áp suất hơi và màu sắc của chất lỏng.

Đặc tính hóa học

Axít nitric là một axít mono mạnh và là một chất oxy hóa mạnh mẽ, có khả năng nitrat hóa nhiều hợp chất vô cơ. Nó là một axít một nấc, nghĩa là chỉ có một sự phân ly.

Các tính chất của axít

Như một axít điển hình, axít nitric có đầy đủ các tính chất của axít, bao gồm phản ứng với bazơ, oxit bazơ và muối để tạo thành các muối mới, trong đó quan trọng nhất là muối amoni nitrat. Với tính chất oxy hóa mạnh, axít nitric (trừ một số trường hợp đặc biệt) không giải phóng hydro khi phản ứng với kim loại và tạo ra các muối có trạng thái oxy hóa cao hơn. Do đó, tình trạng ăn mòn có thể xảy ra nghiêm trọng và cần phải sử dụng các kim loại hoặc hợp kim chống ăn mòn để bảo quản.

Axít nitric là một axít mạnh với số hằng số cân bằng axít (pK_a) = -2; trong dung dịch nước, nó hoàn toàn phân ly thành các ion nitrat NO₃ và một proton hydrat, hay còn gọi là ion hydroni, H₃O⁺:

HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃^-

Các đặc tính oxy hóa

Với vai trò là một chất oxy hóa mạnh, axít nitric phản ứng rất mạnh mẽ với nhiều loại kim loại và có thể gây ra hiện tượng nổ. Tùy thuộc vào nồng độ axít, nhiệt độ và các tác nhân liên quan, các sản phẩm cuối cùng có thể rất đa dạng, bao gồm nhiều loại sản phẩm khử như N₂, NO, NO₂, N₂O, NH₄NO₃. Phản ứng xảy ra với hầu hết các kim loại, ngoại trừ các kim loại quý (Au, Pt) và một số hợp kim. Trong đa số các trường hợp, các phản ứng oxy hóa chủ yếu với axít đặc sẽ tạo ra nitơ dioxide (NO₂).

Cu + 4HNO_{3 (đặc)} → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

Tính chất axít của axít nitric thể hiện rõ khi sử dụng axít loãng, thường tạo ra nitơ oxit (NO):

3Cu + 8HNO_{3 (loãng)} → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

Do tính chất oxy hóa mạnh của axít nitric, việc tạo ra khí hydro rất hiếm. Chỉ khi kim loại phản ứng với axít nitric rất loãng (1–2% hay 0,2–0,3 M) và ở nhiệt độ lạnh (gần 0 ℃), khí hydro mới được giải phóng:

Mg_(rắn) + 2HNO_{3 (dd)} → Mg(NO₃)_{2 (dd)} + H_{2 (khí)}

Mặc dù các kim loại như crom (Cr), sắt (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), mangan (Mn) và nhôm (Al) dễ dàng hòa tan trong dung dịch axít nitric loãng, nhưng khi tiếp xúc với axít đặc ở nhiệt độ thấp, chúng hình thành lớp oxit bảo vệ như Al₂O₃ và Fe₂O₃, ngăn cản quá trình oxy hóa thêm. Hiện tượng này được gọi là thụ động hóa.

Khi tương tác với các nguyên tố phi kim, trừ silic và các nguyên tố nhóm halogen, các nguyên tố này thường bị oxy hóa đến mức cao nhất và tạo ra nitơ dioxide trong trường hợp axít đặc, hoặc nitơ oxit khi sử dụng axít loãng:

C + 4HNO₃ → CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O hoặc 3C + 4HNO₃ → 3CO₂↑ + 4NO↑ + 2H₂O

P + 5HNO₃ → H₃PO₄ + 5NO₂↑ + H₂O

3H₂S + 2HNO₃ (> 5%) → 3S↓ + 2NO↑ + 4H₂O

PbS + 8HNO₃ (đặc) → PbSO₄↓ + 8NO₂↑ + 4H₂O

Ngoài ra, Ag₃PO₄ có thể hòa tan trong HNO₃, còn HgS thì không phản ứng với HNO₃.

Nhiều hợp chất hữu cơ sẽ bị phân hủy khi tiếp xúc với acid nitric, vì vậy acid này rất nguy hiểm nếu tiếp xúc với cơ thể.

Sản xuất và chế tạo acid nitric

Acid nitric được tạo ra bằng cách kết hợp nitơ dioxide (NO₂) với nước cùng oxy hoặc sử dụng không khí để oxy hóa acid nitrơ, từ đó tạo thành acid nitric:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Acid nitric loãng có thể được cô đặc đến 68% với một hỗn hợp azeotropic chứa 32% nước. Để cô đặc hơn nữa, cần sử dụng acid sunfuric như một chất khử nước trong quá trình chưng cất. Trong phòng thí nghiệm, quá trình này nên được thực hiện bằng dụng cụ thủy tinh và dưới áp suất thấp để tránh phân hủy. Các mối nối bằng thủy tinh và nút bần nên được tránh do acid nitric có thể tấn công các vật liệu này. Dung dịch acid nitric thương mại thường có nồng độ từ 52% đến 68%. Quy trình sản xuất acid nitric được thực hiện thông qua công nghệ Ostwald do Wilhelm Ostwald phát minh.

Trong phòng thí nghiệm, acid nitric có thể được điều chế bằng cách cho đồng(II) nitrat phản ứng với acid sunfuric 96% hoặc trộn kali nitrat (KNO₃) với acid sunfuric, sau đó chưng cất hỗn hợp ở nhiệt độ sôi của acid nitric (83 ℃) cho đến khi chỉ còn lại kali bisunfat (KHSO₄) màu trắng trong bình. Acid nitric bốc khói đỏ thu được có thể chuyển thành dạng acid nitric màu trắng. Cần sử dụng dụng cụ thủy tinh, đặc biệt là bình cổ cong nguyên khối, vì acid nitric khan có thể tấn công nút bần, cao su và da, gây nguy hiểm nếu có sự rò rỉ.

H₂SO₄ + KNO₃ → KHSO₄ + HNO₃

Chất NO_x hòa tan được loại bỏ bằng cách sử dụng áp suất giảm ở nhiệt độ phòng (10–30 phút với áp suất 200 mmHg hoặc 27 kPa). Acid nitric bốc khói trắng thu được có tỷ trọng 1,51 g/cm³. Quy trình này cũng có thể thực hiện dưới áp suất và nhiệt độ thấp để giảm lượng khí nitơ dioxide sinh ra.

Acid nitric cũng có thể được tổng hợp qua quá trình oxy hóa amonia, nhưng sản phẩm thường bị pha loãng bởi nước do phản ứng tạo ra. Tuy nhiên, phương pháp này rất quan trọng trong sản xuất amoni nitrat từ amôniăc theo công nghệ Haber, vì sản phẩm cuối cùng có thể được sản xuất từ nitơ, hydro và oxy, các nguyên liệu đầu vào chính.

Acid nitric bốc khói trắng, còn gọi là acid nitric 100% hay WFNA, gần giống với acid nitric khan. Đặc điểm kỹ thuật của acid nitric bốc khói trắng là nó chứa tối đa 2% nước và tối đa 0,5% NO₂ hòa tan. Acid nitric bốc khói đỏ, hay RFNA, chứa một lượng lớn nitơ dioxide (NO₂) thoát khỏi dung dịch với màu nâu đỏ. RFNA có thể chứa ít nhất 17% NO₂, trong khi nhóm khác là 13% NO₂. Acid nitric bị ức chế bốc khói (hoặc IWFNA, hoặc IRFNA) có thể được tăng cường thêm khoảng 0,6 đến 0,7% hydro fluoride (HF) để chống ăn mòn trong các bồn chứa kim loại, vì HF tạo ra lớp fluoride kim loại bảo vệ kim loại.

Ứng dụng

Acid nitric thường được dùng làm thuốc thử trong các thí nghiệm, đồng thời cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất thuốc nổ như nitroglycerin, trinitrotoluen (TNT) và cychlortrimethylenetrinitramin (RDX), cũng như trong sản xuất phân bón, chẳng hạn như phân đạm nitrat amoni.

Trong các thí nghiệm tại trường học, acid nitric được sử dụng để kiểm tra chloride. Bằng cách cho acid nitric tác dụng với mẫu thử và sau đó thêm dung dịch bạc nitrat, chúng ta có thể quan sát kết tủa trắng của bạc chloride để xác định sự hiện diện của chloride.

Trong các phương pháp ICP-MS và ICP-AES, acid nitric (nồng độ từ 0,5% đến 2,0%) được sử dụng như một môi trường nền để phân tích dấu vết kim loại trong các dung dịch. Để đạt kết quả phân tích chính xác, cần sử dụng acid nitric cực tinh khiết vì bất kỳ lượng ion kim loại nào nhỏ đều có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích.

Acid nitric còn được áp dụng trong ngành luyện kim và tinh chế vì khả năng phản ứng với hầu hết các kim loại, cũng như trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Khi kết hợp với acid hydrochloric, acid nitric tạo thành nước cường toan, một chất có khả năng hòa tan vàng và bạch kim.

IWFNA được sử dụng như một chất oxy hóa trong nhiên liệu lỏng cho tên lửa.

Acid nitric cũng được dùng trong các thử nghiệm màu (colorimetric test) để phân biệt giữa heroin và morphine.

Nguy cơ

Acid nitric là một chất oxy hóa rất mạnh, và khi phản ứng với các chất như cyanide, carbide, hoặc bột kim loại, có thể gây nổ. Các phản ứng với nhiều hợp chất vô cơ như turpentine rất dữ dội và có thể tự bốc cháy.

Khi tiếp xúc với acid đặc, da người có thể chuyển sang màu vàng do phản ứng với protein keratin. Màu vàng này sẽ chuyển sang cam khi được trung hòa.

1. Hóa học vô cơ, tập hai, Hoàng Nhâm, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.
2. Sách giáo khoa Hóa học 11, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.

Liên kết ngoài

• International Chemical Safety Card 0183
• Hướng dẫn của NIOSH về các nguy hiểm hóa học
• Bản mẫu:Ecb
• National Pollutant Inventory - Thông tin về Acid Nitric Lưu trữ 2006-04-08 tại Wayback Machine
• Thuộc tính và phân loại của acid nitric Lưu trữ 2008-11-21 tại Wayback Machine
• Tiểu sử Jabir Ibn Hayyan