Jaki jest związek między kwasem azotowym a kwasem siarkowym?
Kwas azotowy i kwas siarkowy są dwoma najważniejszymi chemikaliami przemysłowymi i są wytwarzane w ogromnych ilościach. Są one połączone na wiele sposobów, zarówno pod względem produkcji, jak i zastosowania. Oba kwasy są niezbędne dla przemysłu nawozów i materiałów wybuchowych i należą do najczęściej stosowanych odczynników laboratoryjnych. Są również poważnymi zanieczyszczeniami i przyczyniają się do kwaśnych deszczy.
Wczesną metodą wytwarzania kwasu siarkowego było ogrzewanie saletry (NaNO 3 ) i siarki za pomocą pary. Kwas azotowy (HNO 3 ) został po raz pierwszy wyprodukowany przez destylację saletry ze stężonym kwasem siarkowym (H 2 SO 4 ). Dwie substancje chemiczne reagują, wytwarzając kwas azotowy i wodorosiarczan sodu: H 2 SO 4 + NaNO 3 → NaHSO 4 + HNO 3 . Mieszaninę ogrzewa się, a kwas azotowy, który wrze w temperaturze 181,4 ° F (83 ° C), wytwarza się w postaci pary skroplonej w odbiorniku.
Te metody produkcji zostały zastąpione w kontekście przemysłowym, ale destylacja azotanu metalu kwasem siarkowym może być nadal stosowana do wytwarzania niewielkich ilości kwasu azotowego w laboratorium. Gorąca para kwasu azotowego ma tendencję do częściowego rozkładu na dwutlenek azotu, wodę i tlen, w wyniku czego powstaje zanieczyszczony kwas. Aby uzyskać czysty kwas, destylację przeprowadza się pod zmniejszonym ciśnieniem, dzięki czemu wymagane jest mniej ciepła. Zastosowane urządzenie musi być wykonane w całości ze szkła, ponieważ kwas azotowy szybko niszczy gumę, korek i większość tworzyw sztucznych.
Obecnie kwas azotowy jest wytwarzany na rynku przez katalityczne utlenianie amoniaku, tworząc dwutlenek azotu, który rozpuszcza się w wodzie z wytworzeniem kwasu. Surowy kwas można destylować z wytworzeniem stężeń do 68,5%, w którym to momencie tworzy azeotrop z wodą. Jest to dostępny na rynku kwas azotowy stosowany w większości zastosowań i jako odczynnik laboratoryjny. Wyższych stężeń nie można uzyskać przez zwykłą destylację. Gdy wymagany jest bezwodny lub bardzo wysoko stężony kwas azotowy - często nazywany „dymiącym kwasem azotowym” - można go wytworzyć przez destylację pod zmniejszonym ciśnieniem stężonym kwasem siarkowym, który usuwa wodę.
Największe zastosowanie zarówno kwasu azotowego, jak i siarkowego ma przemysł nawozowy. Kwas azotowy jest wykorzystywany do produkcji nawozów azotanowych, które uwalniają niezbędny azot w formie, która może być łatwo wchłaniana przez rośliny. Azotan amonu jest jednym z najczęściej stosowanych nawozów. Kwas siarkowy poddaje się reakcji z fosforanową mączką kamienną lub kostną z wytworzeniem „superfosfatu”, który dostarcza fosfor, kolejny niezbędny pierwiastek dla roślin. Kwas ten jest również wykorzystywany do produkcji siarczanu amonu, powszechnie stosowanego nawozu.
Innym ważnym przemysłowym zastosowaniem kwasu azotowego i kwasu siarkowego jest produkcja materiałów wybuchowych. Większość materiałów wybuchowych stosowanych w wojsku i handlu jest syntetyzowana przez nitrowanie związków organicznych; w tym procesie jony nitronium (NO 2 + ) stosuje się do zastąpienia grup hydroksylowych (OH) grupami nitro (NO 2 ). Jony NO 2 + są dostarczane przez połączenie kwasu azotowego i kwasu siarkowego, które reagują w następujący sposób: HNO 3 + 2H 2SO 4 → H 3 O + + NO 2 + + 2HSO 4 - .
W przypadku niektórych materiałów wybuchowych, na przykład trinitrotoluenu (TNT), mieszanina musi być wolna od wody. Można to zapewnić przez zastosowanie bezwodnego lub „dymiącego” kwasu azotowego. Alternatywnie, komercyjny kwas azotowy można stosować z oleum - wytwarzanym przez rozpuszczenie trójtlenku siarki (SO 3 ) w stężonym kwasie siarkowym - tak, że woda jest usuwana przez połączenie z SO3 w celu wytworzenia większej ilości kwasu siarkowego. Ten ostatni sposób jest ogólnie preferowany, ponieważ oleum jest łatwo wytwarzany w tym samym procesie, który wytwarza większość kwasu siarkowego. Dymiący kwas azotowy jest stosunkowo kosztowny w produkcji, niebezpieczny w transporcie i podatny na rozkład, o ile nie jest przechowywany w lodówce.
Oprócz zastosowań przemysłowych kwas azotowy i kwas siarkowy należą do najczęściej stosowanych odczynników laboratoryjnych. Oba są przydatne w procedurach wymagających silnych kwasów. Kwas siarkowy jest silnym środkiem odwadniającym, który można stosować do suszenia niektórych świeżo przygotowanych gazów oraz w reakcjach polegających na usuwaniu wody ze związków. Może być również stosowany do uwalniania innych kwasów z ich soli. Kwas azotowy jest użyteczny jako środek utleniający, jako środek azotujący i jest szeroko stosowany w analizach chemicznych, szczególnie w identyfikacji metali obecnych w próbkach gleby i minerałów.
Kwasy siarkowy i azotowy są również głównymi zanieczyszczeniami i przyczyniają się do kwaśnych deszczy. Kwas azotowy powstaje, gdy gazowy dwutlenek azotu - znajdujący się w spalinach pojazdu i wytwarzany naturalnie w wyniku działania błyskawicy - rozpuszcza się w wodzie. Kwas siarkowy powstaje, gdy dwutlenek siarki - wytwarzany przez spalanie paliw kopalnych i naturalnie przez wulkany - reaguje z tlenem, tworząc trójtlenek siarki, który rozpuszcza się w wodzie z wytworzeniem kwasu siarkowego. Pomimo naturalnej produkcji tych związków, źródła sztuczne są przyczyną większości kwaśnych deszczy. Kwas siarkowy ma większy udział, ponieważ dwutlenek siarki jest bardziej powszechnym zanieczyszczeniem niż dwutlenek azotu.