فرمول و ساختار مولکولی اسید نیتریک و رفتار شیمیایی آن

اسید نیتریک یا Nitric Acid با فرمول مولکولی HNO₃ یکی از اکسیدکننده‌های قوی و از ترکیبات کلیدی در صنایع شیمیایی جهان به‌شمار می‌آید. این ترکیب معدنی با رنگ بی‌رنگ تا زرد کم‌رنگ و بوی بسیار تند، به دلیل نقش بنیادی خود در ساخت کودهای نیتروژنی، نیترات‌ها، نیترات آمونیوم، مواد منفجره، رنگ‌دانه‌ها و داروسازی در رأس مواد شیمیایی پرکاربرد قرار دارد. شناخت فرمول و ساختار مولکولی اسید نیتریک برای درک رفتار شیمیایی و ایمنی کار با آن ضروری است، زیرا ساختار الکترونی ویژهٔ آن عامل اصلیِ قدرت اکسیدکنندگی و واکنش‌پذیری شدیدش است.

فرمول شیمیایی و ترکیب عناصر تشکیل‌دهنده

فرمول مولکولی اسید نیتریک ساده به صورت HNO₃ نوشته می‌شود ولی در واقع از دید مولکولی، این ترکیب شامل یک اتم هیدروژن (H)، یک اتم نیتروژن (N) و سه اتم اکسیژن (O) است. یون اصلی در درون این مولکول یعنی یون نیترات (NO₃⁻) مسئول رفتار اسیدی و واکنش‌های اکسیدکنندهٔ آن است. در محلول‌های آبی، اسید نیتریک تقریبا به‌طور کامل یونیزه می‌شود و یون‌های +H و NO₃⁻ را آزاد می‌کند و بنابراین در زمرهٔ اسیدهای قوی قرار می‌گیرد.

در حالت خالص، جرم مولکولی HNO₃ برابر با ۶۳ گرم بر مول و چگالی آن حدود ۱٫۵۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد است. این اعداد اگرچه ساده به نظر می‌رسند، اما در طراحی واحدهای صنعتی تولید نیتریک اسید و کنترل غلظت محلول اهمیت حیاتی دارند.

مدل لوییس و نحوه پیونددهی در مولکول

برای درک ساختار مولکولی، ابتدا باید مدل لوییس (Lewis Structure) را بررسی کرد. اتم نیتروژن در هستهٔ مرکزی قرار دارد و با سه اتم اکسیژن اطرافش پیوند دارد. یکی از این اکسیژن‌ها از طریق پیوند دوگانه (N=O) متصل است، یک اکسیژن دیگر از طریق پیوند تکی (N–O) که به هیدروژن متصل می‌شود، و اکسیژن سوم نیز با پیوند تکی (N–O)** به ساختار متصل و دارای بار منفی رزنانس‌شونده است.

این چیدمان باعث می‌شود بار الکترونی در سه اتم اکسیژن در حالت رزونانس (Resonance) پخش شود و هیچ کدام از اکسیژن‌ها بار دائمی مشخصی نداشته باشند. در واقع، ساختار واقعی اسید نیتریک ترکیبی از دو یا سه ساختار رزونانسی است که تفاوت در موقعیت الکترون‌های π را نشان می‌دهد. این پدیده ثبات انرژیِ مولکول را افزایش می‌دهد و از دید شیمی کوانتومی عاملِ پایداری نسبی HNO₃ است.

شکل هندسی و زاویه پیوندها

تحلیل هندسی با استفاده از نظریه VSEPR (دفع زوج‌های الکترونی والانس) نشان می‌دهد که مولکول HNO₃ تقریباً صفحه‌ای (پلنار) است و اتم نیتروژن در مرکز مثلثی قرار دارد. زاویهٔ بین پیوندهای N–O حدود ۱۲۰ درجه و زاویهٔ بین O–N–O در واقع حدود ۱۳۰ درجه است. این آرایش سبب می‌شود چگالی بار در اطراف نیتروژن متقارن نباشد و مولکول خاصیت قطبی (Polar) قوی پیدا کند. همین قطبیت، انحلال خیلی زیاد اسید نیتریک در آب را توجیه می‌کند.

پیوندها و توزیع بار الکترون

در مولکول HNO₃ سه نوع پیوند وجود دارد:

• پیوند N=O با ماهیت دو الکترونی π قوی، کوتاه و مستحکم
• پیوند N–O(H) که در اثر جدا شدن پروتون، پایهٔ اسید را تشکیل می‌دهد
• پیوند N–O⁻ که در ساختار رزونانسی بار منفی در آن جابه‌جا می‌شود.
• تجزیهٔ بار الکترونی نشان می‌دهد نیتروژن دارای بار نسبی مثبت (+δ) و اکسیژن‌ها دارای بار منفی (−δ) هستند. در نتیجه این توزیع بار،‌ مولکول تمایل شدیدی به واکنش با ترکیباتی دارد که بتوانند الکترون دهی یا الکترون گیری انجام دهند. از این رو HNO₃ اکسیدکننده‌ای عالی محسوب می‌شود.

رزونانس و پایداری مولکول

مولکول اسید نیتریک نمونه‌ای کلاسیک از رزونانس در آنیون نیترات (NO₃⁻) است. در هر لحظه، بار منفی در میان سه اکسیژن پخش شده و هیچ پیوند N–O مشخصا تکی یا دوتایی نیست. این پدیده پتانسیل انرژی را پایین می‌آورد و مولکول را پایدارتر از حالت بدون رزونانس می‌کند. وجود چنین ساختار رزونانسی باعث می‌شود نیترات‌ها در نمک‌های فلزی بسیار پایدار باشند.

رفتار شیمیایی اسید نیتریک

رفتار شیمیایی HNO₃ حاصل همان آرایش الکترونی و پیوندهای آن است. چند نمونه از واکنش‌های ویژهٔ آن عبارت‌اند از:

• واکنش با فلزات فعال

اسید نیتریک با فلزاتی مثل روی (Zn)، مس (Cu) و نقره (Ag) واکنش می‌دهد. بسته به غلظت محلول، محصولات متفاوت است:

با اسید رقیق، گاز نیتریک اکسید (NO) تولید می‌شود.مثال:  Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO
با اسید غلیظ، گاز نیتروژن دی‌اکسید (NO₂) قهوه‌ای‌رنگ آزاد می‌شود.Cu + 4HNO₃ (conc.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
این واکنش‌ها پایهٔ تمایز رفتار اکسیدکنندگی در دو غلظت متفاوت هستند.

• واکنش با بازها و اکسیدهای فلزی

HNO₃ با بازهایی مانند NaOH یا Ca(OH)₂ واکنش داده و نمک های نیترات را به‌وجود می‌آورد.

HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O

در این نوع واکنش، ماهیت اسیدی مولکول دیده می‌شود نه اکسیدکنندگی آن.

• واکنش با مواد آلی و ترکيب‌های گوگردی

در تماس با ترکیباتی مانند تولوئن، فنل یا سولفیدها، اسید نیتریک واکنش‌های شدید و گرمازا اجرا می‌کند که می‌تواند منجر به نیتراسیون (Nitration) شود؛ مثلاً تولید نیتروبنزن یا تری‌نیترو تولوئن (TNT). این همان ویژگی است که کاربرد نظامی و صنعتی اسید نیتریک را تعیین می‌کند.

• تجزیه حرارتی

هنگامی که اسید نیتریک غلیظ در معرض نور یا حرارت زیاد قرار گیرد، به صورت تدریجی تجزیه و بخارات NO₂ آزاد می‌کند:

4 HNO₃ → 2 H₂O + 4 NO₂ + O₂

همین پدیده دلیل تغییر رنگ اسید نیتریک به زرد قهوه‌ای در بطری است.

رفتار اسید نیتریک غلیظ و رقیق

غلظت نقش تعیین‌کننده‌ای در نوع واکنش اسید نیتریک دارد.

اسید رقیق (تا ۲۰٪): بیشتر خاصیت اسیدی ذاتی بروز می‌دهد و با فلزات فعالی مثل روی و آلومینیوم به‌آرامی واکنش می‌دهد.
اسید غلیظ (بیش از ۶۵٪): اکسیدکننده‌ای قوی است که حتی با ترکیبات غیر فلزی مانند یُد، گوگرد یا فسفر واکنش می‌دهد. بخارات NO₂ در این حالت آزاد می‌شود.
همچنین اسید نیتریک غلیظ هنگام تماس با فلزات کم‌فعال مثل آهن یا آلومینیوم، به دلیل تشکیل لایهٔ اکسید محافظ، آن‌ها را غیرفعال می‌کند؛ پدیده‌ای که passivation نام دارد.

خواص فیزیکی و رنگ مایع اسید نیتریک

درحالت خالص، HNO₃ مایعی بی‌رنگ است اما در اثر تجزیهٔ جزئی و تشکیل NO₂، رنگ آن به زرد تا قهوه‌ای تغییر می‌کند.

• نقطهٔ جوش: ۸۳ °C
• نقطهٔ انجماد: −۴۲ °C
• چگالی در ۲۰ °C: تقریبا ۱٫۵۱ g/cm³
• به دلیل قطبیت قوی، به راحتی با آب و اتانول امتزاج پذیر است اما این واکنش گرمازاست و باید به تدریج انجام شود.

توضیح رنگ و بو نیتریک

• بوی تند و زنندهٔ اسید نیتریک به دلیل ترکیب بخارات NO₂ و بخار خود HNO₃ است. گاز NO₂ قهوه‌ای رنگ در تماس با رطوبت به سرعت به اسید نیتریک و اسید نیترو باز تبدیل می‌شود و این واکنش یکی از مسیرهای تشکیل باران اسیدی در اتمسفر است.

نقش ساختار در واکنش‌پذیری

ساختار خاص HNO₃ باعث می‌شود مولکول از دید الکترونی یک اکسیدکنندهٔ قدرتمند باشد. نیتروژن با عدد اکسایش +۵ در حالتی بسیار ناپایدار از نظر کوانتومی قرار دارد و تمایل زیادی به کاهش به NO (+2) یا NO₂ (+4) دارد.

همین تغییر عدد اکسایش، محور اصلی اکسیدکنندگی در تمام واکنش‌هاست. بنابراین در واکنش با فلز یا ترکیب آلی، نیتریک اسید با پذیرش الکترون به نیتروژن اکسیدها تبدیل می‌شود.

کاربردهای مرتبط با ساختار مولکولی

شناخت ساختار مولکولی HNO₃ به درک نقش آن در صنایع کمک می‌کند:

در تولید کودهای شیمیایی، یون NO₃⁻ مستقیماً به گیاه قابل جذب است.
در فرآیندهای نیتراسیون صنعتی، مولکول به دلیل پایداری نسبی اما اکسیدکنندگی بالا، آروم اما کامل واکنش می‌کند.
در شیمی تجزیه و تحلیل کیفی، برای حل کردن نمونه‌های فلزی و تجزیهٔ اکسیدها به کار می‌رود.
ملاحظات ایمنی و پایداری
به دلیل واکنش‌پذیری زیاد، بخار یا مایع HNO₃ نباید با مواد آلی، گوگردی یا قابل اشتعال در تماس باشد. در برخورد با پوست یا چشم به شدت سوزاننده است و در دمای بالا به NO₂ و O₂ تجزیه می‌شود.

نگهداری در بطری های شیشه‌ای تیره، دور از نور و در دمای پایین از اهمیت زیادی برخوردار است.

در تماس با فلزات سنگین مانند آهن و آلومینیوم، تشکیل لایهٔ اکسید محافظ باعث کاهش واکنش‌پذیری می‌شود passivation که در سیستم های لوله کشی صنعتی به کار می‌رود.

ملاحظات زیست‌محیطی

بخارات NOx (به‌ویژه NO₂) که در اثر تجزیهٔ HNO₃ یا در فرآیند تولید آن به وجود می‌آیند، از عوامل اصلی تشکیل اسمُوگ فتوشیمیایی و باران اسیدی هستند. در کارخانه‌های تولید نیتریک اسید، گازهای NO₂ با سیستم جذب در برج‌های جذب آب یا قلیا خنثی می‌شوند تا خروجی آلاینده ها کاهش یابد.

اثرات ترمودینامیکی و انرژی اکسایش

نیتروژن با عدد اکسایش +۵ در حالت اکسیدهٔ شدید قرار دارد. هنگامی که در یک واکنش، از +۵ به +۴ یا +۲ کاهش می‌یابد، انرژی زیادی آزاد می‌شود. همین آزادسازی انرژی علت اصلی گرمازایی شدید در واکنش‌ها با فلزات و مواد آلی است.

برای نمونه، واکنش Cu با HNO₃ غلیظ به قدری گرم است که در صنایع آزمایشگاهی از خنک‌کننده استفاده می‌شود.

• اسید نیتریک در حالت آب‌پوشیده (Azeotrope)

محلول آزئوتروپ اسید نیتریک تقریباً دارای ۷۰٪ HNO₃ و ۳۰٪ آب است و در دمای ۱۲۱ °C می‌جوشد. این غلظت پایدار در صنایع متداول است زیرا تولید آن در فرآیند اُستوالد (Ostwald Process) ساده‌تر و ایمن‌تر است.

• واکنش‌پذیری الکتروشیمیایی

پتانسیل کاهش استاندارد برای یون NO₃⁻ در محیط اسیدی:

NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O  E° = +0.96 V

این عدد نشان می‌دهد که یون نیترات تمایل زیادی به پذیرش الکترون دارد و می‌تواند اکسیدکننده‌ای قوی باشد. به همین دلیل در الکتروشیمی و تحلیل فلزات کاربرد دارد.

• تأثیر وجود گروه نیترو در مولکول

در واکنش‌های نیتراسیون، اسید نیتریک به همراه اسید سولفوریک غلیظ، گروه −NO₂ را به مولکول‌های آلی می‌افزاید. این گروه نیترو باعث ایجاد ترکیبات آروماتیک نیترو می‌شود که در تولید انرژتیک‌ها و رنگ‌ها اهمیت ویژه دارد.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

مطالعهٔ دقیق ساختار مولکولی اسید نیتریک (HNO₃) نشان می‌دهد که قدرت اکسیدکنندگی و واکنش‌پذیری این ماده مستقیماً از آرایش الکترونی و رزونانس در یون نیترات منشأ می‌گیرد.

پیوندهای N–O و N=O به گونه‌ای در فضا قرار گرفته‌اند که مولکول قطبی، متحرک و به شدت واکنش‌پذیر باشد. همین ویژگی زیربنای کاربردهای گستردهٔ آن در صنایع کود، نظامی، آزمایشگاهی و دارویی است.

در کنار این، درک رفتار شیمیایی HNO₃ به مهندسان و کارشناسان ایمنی کمک می‌کند تا در فرآیند های تولیدی و نگهداری از بروز واکنش‌های خطرناک پیشگیری کنند.

به‌طور خلاصه، اسید نیتریک نمونه‌ای درخشان از ارتباط میان ساختار مولکولی و ویژگی شیمیایی است؛ ترکیبی که به خوبی نشان می‌دهد چگونه چندسویی در رزونانس و توزیع بار می‌تواند رفتار یک ماده را در سطح مولکولی و صنعتی تغییر دهد.