กรดไนตริก (Nitric acid) หรือกรดดินประสิว

กรุณาอย่าโทรสอบถามเกี่ยวกับบทความนี้
เราเป็นเพียงผู้รวบรวมข้อมูลและนำเสนอให้ท่านได้ศึกษาเท่านั้น...
ไม่ได้มีความรู้มากกว่าบทความที่ลงไป
ทางเราขอสงวนสิทธิ์ไม่ตอบคำถามใด ๆ เกี่ยวกับบทความนี้


Line ID และเบอร์โทรข้างล่างนี้ สำหรับผู้ที่สนใจจะเรียนกัดกรดเท่านั้น

กรดไนตริก (Nitric acid) หรือกรดดินประสิว

กรดไนตริก (HNO₃), หรือที่ชาวบ้านทั่วไปเรียกว่ากรดดินประสิว เป็นกรดที่มีอันตรายมาก หากสัมผัสจะทำให้เกิดแผลไหม้ขั้นรุนแรง กรดไนตริกนี้ ค้นพบโดยการสังเคราะห์ โดย Muslim alchemist Jabir ibn Hayyan.ประมาณ ค.ศ.800

กรดบริสุทธิ์ จะใส ไร้สี หากเก็บไว้นานจะมีสีเหลือง เนื่องจากมีส่วนประกอบของ ออกไซโของไนโตรเจน หากกรดมีความเข้มข้นสูงเกินกว่า 86% จะมีไอระเหยของกรดขึ้นมา ไอของกรดที่ระเหยออกมาจะเป็นมีขาว หรืออาจเป็นสีแดงขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไนโตรเจนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้น 

คุณสมบัติ
กรดไนตริกบริสุทธ์ 100% (ปราศจากน้ำ) จะเป็นของเหลวที่มีความหนาแน่น 1,552 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร และจะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิ -42 °C ลูกบาศก์ โดยจะเป็นผลึกสีขาว และจะเดือดที่อุณหภูมิ 83 °C แต่ก็สามารถเดือดในที่ ที่มีแสงสว่าง ทั้ง ๆ ที่อยู่ในอุณหภูมิห้อง จะมีการสลายตัวในรูปแบบไนโตรเจนไดออกไซด์ ตามปฏิกิริยา ดังนี้

4HNO₃ → 2H₂O + 4NO₂ + O₂ (72°C)

นั่นหมายความว่า กรดไนตริกบริสุทธิ์ที่ปราศจากน้ำเจือปน ความเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 °C เพื่อป้องกันการสลายตัว ไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO₂) ที่ละลายกลับเข้าไปที่กรดไนตริกจะมีสีเหลือง หรือเป็นสีแดงที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่กรดไนตริกบริสุทธิ์ จะให้ไอสีขาวแพร่กระจายในอากาศ ส่วนกรดที่มีไนโตรเจนไดออกไซด์ละลายอยู่จะให้ไอสีแดงอมน้ำตาล

กรดไนตริกสามารถละลายในน้ำได้ทุกอัตราส่วน  ที่ความเข้มข้น 68% HNO₃ จะเป็นสารละลายอะซีโอโพรพ (ของเหลวผสมที่มีจุดเดือดสูงสุดและต่ำสุดที่ สามารถกลั่นออกโดยไม่มีการสลายตัวและเป็นสัดส่วนที่แน่นอน เช่น ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์กับน้ำ) ซึ่งที่ความเข้มข้น 68% นี้ กรดจะเดือดที่อุณหภูมิ 120.5 °C (ที่ความกดดันชั้นบรรยากาศ 1 atm) กรดสามารถอยู่ในรูปของแข็งไฮเดรต (สารประกอบที่มีโมเลกุลของน้ำอยู่ด้วย) ได้สองรูปแบบคือ โมโนไฮเดรต (monohydrate [HNO₃·H₂O]) และ ไตรไฮเดรต(trihydrate [HNO₃·3H₂O])

ไนโตรเจนออกไซด์ (NO_x) สามารถละลายในกรดไนตริกได้  ซึ่งจะละลายได้มากน้อยเพียงได้ขึ้นอยู่กับ ความเข้มข้นของออกไซด์  รวมถึงความดันไอที่อยู่เหนือของเหลว อุณหภูมิ ซึ่งจะแสดงออกเป็นสีต่าง ๆ กันตามที่ได้กล่าวมาแล้ว

คุณสมบัติทางกรด

เช่นเดียวกับกรดทั่วไป กรดไนตริกเมื่อทำปฏิกิริยากับด่าง ออกไซด์พื้นฐาน และคาร์โบเนตท์ ให้สารประกอบในรูปของเกลือ  ตัวอย่างเช่น แอมโมเนียมไนเตรด ด้วยธรรมชาติของการออกซิเดชั่น กรดไนตริกจะไม่ยอมปล่อยโปรตอนของมัน (นั่นคือไม่ปล่อยอะตอมของไฮโดรเจนออกไป) เมื่อทำปฏิกิริยากับโลหะและได้เกลือซึ่งจะมีสถานะออกซิไดซ์ที่สูงขึ้น จึงทำให้มีการกัดกร่อนที่รุนแรงกับโลหะ และควรใช้งานอย่างระมัดระวังเมื่อทำงานใกล้โลหะหรืออัลลอยส์

กรดไนตริกมี ค่าคงที่สมดุลของการแตกตัวของเบสอ่อน (acid dissociation constant [pK_a]) −1.4 เมื่อละลายในน้ำที่ 93% ที่ 0.1 โมลต่อลิตร จะมีการแตกตัวของไอออนเป็น ไนเตรดไอออน [NO₃^-] และไนเตรตโปรตอน ซึ่งรู้จักในชื่อ ไฮโดรเนียมไอออน H₃O⁺.

HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃^-

ปฏิกิริยากับโลหะ

กรดไนตริกมีสามารถสูงในการทำออกซิไดซ์สูงมาก สามารถทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์หลายชนิด ปฏิกิริยารุนแรงจนสามารถระเบิดได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของกรด อุณหภูมิ  และตัวลดออกซิเจน(ในปฏิกิริยาที่มีออกซิเจนเกี่ยวข้อง) ที่เกี่ยวข้อง ผลของปฏิกิริยาที่ได้มีหลากหลาย  ปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้กับโลหะแทบทุกชนิด ยกเว้นตระกูลโลหะมีค่า (ทองคำ,เงิน,เพลตตินั่ม,พลาลาเดียม,รูธีเนี่ยม,โรเดี่ยม,ออสเมี่ยม,อิริเดี่ยม) และโลหะผสมบางชนิด (อัลลอย)  ปฏิกิริยารีแอคชั่นที่เกิดขึ้นกับกรดเข้มข้นจะมีก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ขึ้น (NO₂).

Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

คุณสมบัติทางกรด เมื่อเป็นกรดเจือจาง เมื่อทำปฏิกิริยา จะเกิดก๊าซไนโตรเจนออกไซด์เกิดขึ้น (NO).

3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

เมื่อกรดไนตริกทำตัวเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิไดซิ่ง จะเกิดก๊าซไฮโดรเจนขึ้น ,เมื่อใช้กรดไนตริกเจือจาง ทำปฏิกิริยากับ แมกนีเซียม(Mg) หรือ แมงกานีส(Mn) หรือ แคลเซียม (Ca) โดยทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำ (เย็น) จะใช้ก๊าซไฮโดรเจน

Mg_(s) + 2HNO_{3 (aq)} →  Mg(NO₃)_{2 (aq)} + H_{2 (g)}

การสร้างฟิล์มป้องกัน (Passivation)

โครเมี่ยม ,เหล็ก และ อลูมิเนี่ยม สามารถละลายได้อย่างรวดเร็ว โดยกรดไนตริกเจือจาง , กรดเข้มข้นจะสร้างโลหะออกไซด์ ซึ่งจะป้องกันโลหะจากการเกิดออกซิเดชั่นในอนาคต กระบวนการนี้เรียกว่าการสร้างฟิล์มป้องกัน (Passivation)

ปฏิกิริยากับอโลหะ

ปฏิกิริยากับอโลหะ ยังเว้นกับซิลิคอนและกลุ่มฮาโลเจน โดยปกติจะเกิดปฏิกิริยารุนแรงซึ่งจะให้ก๊าซ ไนโตรเจนไดออกไซด์เมื่อใช้กรดเข้มข้น และก๊าวไนโตรเจนออกไซด์เมื่อใช้กรดเจือจาง

C + 4HNO₃ → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

หรือ

3C + 4HNO₃ → 3CO₂ + 4NO + 2H₂O

ไอกรดไนตริกสีขาว เราเรียกว่า 100% กรดไนตริกหรือ WFNA(White fuming nitric acid) ใกล้เคียงกับ แอลไฮดัสซ์ไนตริก (กรดไนตริกที่ไม่มีส่วนผสมของน้ำอยู่เลย) ไอกรดไนตริกสีขาวมีส่วนประกอบของน้ำไม่เกิน 2% และก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์(NO₂) ไม่เกิน 0.5%

ไอกรดไนตริกสีแดง หรือ RFNA (Red fuming nitric acid), ประกอบไปด้วยก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์(NO₂) จำนวนหนาแน่นมาก โดยมีส่วนประกอบของก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์(NO₂) ไม่เกิน17% และอีกสูตรหนึ่งมีส่วนประกอบของก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์(NO₂) ไม่เกิน 13%

เราสามารถยับยั้งการเกิดไอกรดไนตริก (ทั้ง IWFNA และ IRFNA) โดยการเติม ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF) 0.6 to 0.7% ลงในกรดไนตริก ฟลูออไรด์ที่ใส่เพื่อเพิ่มการป้องกันการกัดกร่อนของถังโลหะ (ฟลูออไรด์จะสร้าง ชั้นเมทัลฟลูออไรด์เคลือบผิวป้องกันโลหะ

การใช้งานในเชิงอุตสาหกรรม

กรดไนตริกสร้างขึ้นโดยการผสมก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์กับน้ำ ในบรรยากาศที่เต็มไปด้วยออกซิเจน จะเกิดปฏิกิริยารีแอคชั่น ออกซิไดซ์ เป็นกรดไนตรัส (HNO₂) และกรดไนตริก (HNO₃) ดังสมการ

2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃
2.ไนโตรเจนไดออกไซด์ + น้ำ → กรดไนตรัส+กรดไนตริก

กรดไนตรัสสามารถสลายตัวเป็นดังนี้

3HNO₂ →  HNO₃ + 2NO + H₂O
3.กรดไนตรัส →  กรดไนตริก+ ไนตริกออกไซด์ + น้ำ)

ไนตริกออกไซด์ จะออกซิไดซ์กับไนโตรเจนไดออกไซด์  และทำปฏิกิริยากับน้ำอีกครั้ง กลายเป็นกรดไนตริก:

4NO + 3O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

(nitric oxide + oxygen + water → nitric acid).

กรดไนตริกเจือจางสามารถทำให้เข้มข้นได้โดยการกลั่นจนมีความเข้มข้นกรดที่ 68% ณ จุดนี้ ส่วนผสมอะซีโอโทรปิค (ของเหลวผสมที่มีจุดเดือดสูงสุดและต่ำสุดที่ สามารถกลั่นออกโดยไม่มีการสลายตัวและเป็นสัดส่วนที่แน่นอน)ประกอบด้วยน้ำ 32% การทำให้เข้มข้นมากกว่านี้ต้องอาศัยการกลั่นกับกรดซัลฟูริก ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารดักจับน้ำ (dehydrating agent) ในห้องปฏิบัติการจะกลั่นโดยใช้วัสดุที่เป็นแก้วทั้งหมด และลดแรงดันเพื่อป้องกันการสลายตัวของกรด

ในการใช้งานในเชิงพาณิชย์ จะใช้สารละลายกรดที่มีความเข้มข้นของกรดไนตริกระหว่าง 52% ถึง 68% การผลิตในเชิงพาณิชย์ใช้ขบวนการที่เรียกว่า Ostwald ตามชื่อของ Wilhelm Ostwald.

กรดยังสามารถสังเคราะห์ได้โดยการออกซิไดซ์แอมโมเนีย ผลผลิตที่ได้จะถูกเจือจางโดยน้ำและเป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยาเคมี อย่างไรก็ตามวิธีการนี้สำคัญในการผลิต แอมโมเนียมไนเตรด จากสารตั้งต้นแอมโมเนียโดยวิธีการของ Haber เพราะว่าผลิตผลสุดท้ายสามารถสร้างก๊าซไนโตรเจน ก๊าซไฮโดรเจน และออกซิเจน สำหรับจัดจำหน่าย

การสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการ

ในห้องปฏิบัติการ กรดไนตริกสามารถสร้างได้จาก คอปเปอร์ไอออนทูไนเตรด (copper(II) nitrate) หรือการเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่าง โปแตสเซียมไนเตรด(KNO₃) กับ กรดซัลฟูริกความเข้มข้น 96% (H₂SO₄) (โดยทั้งสองมีน้ำหนักเท่า ๆ กัน) และกลั่นที่อุณหภูมิ 83 °C ซึ่งเป็นจุดเดือดของกรดไนตริก จนกระทั่งเหลือแต่ผลึกสีขาวของโปรแตสเซียมไฮโดรเจนซัลเฟต(KHSO₄), ไอของกรดไนตริกสีแดงที่ได้มาอาจเปลี่ยนเป้นไอสีขาวของกรดไนตริก

H₂SO₄ + KNO₃ → KHSO₄ + HNO₃

ก๊าซ NO_x สามารถกำจัดได้โดยการลดความดันลงที่อุณหภูมิห้อง (10-30 นาที ที่ 200 มิลลิเมตรปรอท หรือ 27 กิโลปาสคาล) จะให้ไอกรดไนตริกสีขาว โดยขบวนการนี้สามารถทำได้ทั้งลดความดันและอุณหภูมิในคราวเดียวกัน

กรดไนตริกในห้องปฏิบัติการ

IWFNA ถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิไดซ์ในเชื้อเพลิงเหลวของจรวด IRFNA เป็น 1 ใน 3 ขององค์ประกอบของเชื้อเพลิงเหลว สำหรับจรวดทำลาย BOMARC

สารละลายผสมระหว่างกรดไนตริกกับแอลกอฮอลล์ (Nital) ถูกใช้ในขบวนการกัดผิวโลหะกำจัดรอยขีด (reveal the microstructure)

ในเชิงพาณิชย์มีการใช้ส่วนผสมน้ำกับกรดไนตริกความเข้มข้น 5-30% และกรดฟอสฟอริค 15-40% เพื่อใช้เป็นน้ำยาทำความสะอาดเครื่องใช้ในครัวเรือน โดยสามารถกำจัดคราบของแคลเซียมและแมกนีเซียม หรือตะกรันที่เกิดจากการใช้น้ำกระด้าง

กรดไนตริกยังถูกใช้ในขบวนการทำระเบิกที่มีไนเตรดเป็นองค์ประกอบเช่น ไนโตรกลีเซอรีน, ไตรไนโตรโทลูอีน(TNT) และ ไซโครไตรมีทีลีนไตรไนทรามีน(RDX) และแน่นอนว่าปุ๋ยอย่างแอมโมเนียมไนเตรด

งานไม้
ในความเข้มข้นต่ำ(ประมาณ 10%), กรดไนตริกใช้ในการทำให้ไม้สน หรือไม้เมเปิลดูเก่า โดยสีจะเปลี่ยนเป็นสีเทา-ทอง คล้าย ๆ กับขี้ผึ้งเก่า  และดูเป็นไม้เก่า

ใช้งานอื่น ๆ

กรดไนตตริกยังใช้ในการแยกโลหะออกจากแร่ เพราะว่าคุณสมบัติในการทำปฏิกิริยากับโลหะแทบทุกชนิด เมื่อใช้ผสมร่วมกันกับกรดไฮโดรคลอลิค  จะเป็นสารละลายกรดที่เรียกว่า Aqua Regia หรือ Royal Water ที่สามารถละลายทองคำ และแพทตินั่มได้

ความปลอดภัย
กรดไนตริกมีความสามารถในการออกซิไดซ์สูงมาก ปฏิกิริยาของกรดไนตริกกับสารประกอบเช่นไซยาไนด์, คาร์ไบด์และผงโลหะสามารถระเบิดได้ ปฏิกิริยาของกรดไนตริกกับสารประกอบสารอินทรีย์เช่น เทอร์เพนทีน (เป็นของเหลว ที่ได้จากการกลั่นเรซิ่นที่ได้จากต้นไม้ เช่นต้นสน ) ซึ่งสามารถระเบิดรุนแรงและสามารถจุดระเบิดตัวเองได้(self-igniting).