Salpeterzuur

Salpeterzuur is een sterk anorganisch zuur met als brutoformule HNO3. In zuivere toestand is het een kleurloze vloeistof met een intens prikkelende geur, die zeer goed oplosbaar is in water. Wanneer de zuivere vloeistof aan de lucht wordt blootgesteld, ontstaan witte dampen. In deze context spreekt men over een rokende vloeistof. Verontreinigingen (doorgaans stikstofoxiden) kunnen de vloeistof een licht- tot okergele kleur geven. De belangrijkste toepassingen liggen in de kunstmest- en explosievenindustrie. De jaarlijkse productie van salpeterzuur bedraagt wereldwijd ongeveer 8 miljoen ton.

Synthese

Op laboratoriumschaal kan salpeterzuur in situ worden bereid door de reactie van zwavelzuur met koper(II)nitraat:

H2SO4 + Cu(NO3)2 -> CuSO4 + 2 HNO3

Vervolgens wordt het reactiemengsel gedestilleerd: de fractie rond 83 °C is salpeterzuur en wordt opgevangen onder verminderde druk. Deze verminderde druk (27 kPa) dient om de opgeloste stikstofoxiden te verwijderen uit het salpeterzuur.

De industriële productie van salpeterzuur loopt tegenwoordig hoofdzakelijk volgens het Ostwaldproces. Dit proces verloopt in drie stappen. De eerste stap betreft de oxidatie van ammoniak met behulp van een katalysator, bij een temperatuur van 900 °C.

4 NH3 + 5 O2 -> 4 NO + 6 H2O

De katalysator is een legering van 90% platina en 10% rodium. Soms wordt ook een kleine hoeveelheid palladium toegevoegd. Onzuiverheden aanwezig in het ammoniak en contact met de lucht kunnen leiden tot katalysatorvergiftiging. Zonder katalysator treedt tussen ammoniak en stikstofmonoxide een belangrijke nevenreactie op, waardoor het uiterst stabiele stikstofgas gevormd wordt:

4 NH3 + 6 NO -> 5 N2 + H2O

Stikstofmonoxide wordt in de tweede stap afgekoeld tot ongeveer 25 °C en verder geoxideerd tot stikstofdioxide:

2 NO + O2 -> 2 NO2

Het ontstane stikstofdioxide wordt uiteindelijk gehydrolyseerd:

3 NO2 + H2O -> 2 HNO3 + NO

Het stikstofmonoxide dat in de laatste stap vrijkomt wordt weer in de tweede stap ingebracht. De uiteindelijke concentratie van het salpeterzuur bedraagt ongeveer 50% in water. Dit kan verhoogd worden tot 68% door destillatie.

Geschiedenis

Het begrip salpeter komt van het Latijnse sal petrae (zout van de rots). Oorspronkelijk werden de zouten van salpeterzuur (voornamelijk natrium- en calciumnitraat) namelijk van de stenen rondom mestvaalten en van latrines geschraapt. Salpeterzuur wordt voor het eerst vermeld in het manuscript De Inventione Veritatis waarin wordt verwezen naar de methode die in de 9e eeuw door de Arabische alchemist Jabir ibn Hayyan werd toegepast. Het werd gevormd door het samen verhitten van salpeter (kaliumnitraat), blauwe vitriool (koper(II)sulfaat) en aluin (kaliumaluminiumsulfaat). In de 13e eeuw zou Albertus Magnus het zuur aangewend hebben om goud en zilver van elkaar te scheiden: het zilver werd namelijk opgelost, terwijl het goud onveranderd achterbleef.

In het midden van de 17e eeuw werd de synthese van salpeterzuur door Johann Rudolph Glauber verbeterd: hij slaagde erin het geconcentreerde zuur te bereiden door de reactie van zwavelzuur en kaliumnitraat, gevolgd door destillatie:

KNO3 + H2SO4 -> KHSO4 + HNO3

De massaproductie van salpeterzuur startte in de 19e eeuw. Aanvankelijk werd de reactie van zwavelzuur en natrium- of kaliumnitraat gebruikt, maar in 1838 ontdekte Charles Frédéric Kuhlmann de katalytische oxidatie van ammoniak over een platinakatalysator. Omdat er nog geen goede synthesemethode voor ammoniak was gevonden (het Haber-Boschproces werd pas in 1909 ontwikkeld), bleef een verdere ontwikkeling van dit proces uit. Pas in 1906 werd het Ostwaldproces ontwikkeld, dat nog steeds gebruikt wordt voor synthese van salpeterzuur.

Toepassingen

In bepaalde typen raketten wordt het als oxidator aangewend. Salpeterzuur wordt ingezet bij de bereiding van verfstoffen en desinfecterende stoffen. Verder dient het als oxidatiemiddel van cyclohexeen bij de productie van nylon. In de elektrochemie wordt salpeterzuur gebruikt bij het zuiveren van koolstof nanobuizen. In lage concentraties (typisch < 10%) wordt het gebruikt om esdoorn- en dennenhout kunstmatig te verouderen.

Passivering

Salpeterzuur kan bij bepaalde metalen worden gebruikt om een corrosiebeschermende laag aan te brengen. Hoewel chroom, ijzer, kobalt, nikkel en aluminium goed oplossen in verdund salpeterzuur, lossen deze metalen niet op in het geconcentreerde zuur. De reden hiervoor is dat de metalen hun oppervlak beschermen door een passiverende laag van de overeenkomstige nitraten te vormen. Hierdoor wordt verdere oxidatie van het onderliggende materiaal verhinderd. Ook bij koper wordt dit fenomeen waargenomen. Wanneer water wordt toegevoegd om het mengsel te verdunnen verloopt de reactie plots zeer snel en ontstaan de bekende bruine nitreuze dampen.

Laboratorium

Salpeterzuur is behalve een sterk zuur ook nog een sterke oxidator en is in staat om ook de edelere metalen zoals zilver en koper op te lossen. Een mengsel van salpeterzuur en geconcentreerd zoutzuur wordt koningswater genoemd. Dit mengsel kan goud oplossen en wordt in het laboratorium ook ingezet om organische resten uit laboratoriumglaswerk te verwijderen. Bij gevorderde analytische technieken als ICP-MS en ICP-AES wordt verdund salpeterzuur (0,5 tot 5,0%) gebruikt als matrixelement voor de bepaling van metaalsporen in oplossingen. Hiervoor is zeer zuiver salpeterzuur nodig, omdat de kleinste verontreinigingen (afkomstig van bijvoorbeeld het productieproces) de meetresultaten kunnen beïnvloeden. Verder wordt het zuur ook gebruikt om standaardoplossingen te maken of om moeilijk oplosbare verbindingen in oplossing te krijgen (hiertoe wordt sterk geconcentreerd salpeterzuur aangewend).

Bij Boom zijn alle soorten salpeterzuur makkelijk te bestellen in onze webshop. Naast de bekende merken hebben wij ook Salpeterzuur van ons eigen boom label zelfde kwaliteit, maar voor een gunstige prijs!