[Hỏi/đáp] - Kỳ 7: Axit Nitric được sử dụng như thế nào và tại sao?

Có thể bạn đã nghe ai đó nói rằng axit nitric (HNO3) là một trong những hóa chất rất phổ biến. Vậy, đã bao giờ bạn tò mò vì sao loại axit vô cơ mạnh này được dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp đến vậy?

Dù không thường gặp trong đời sống hằng ngày, nhưng axit nitric lại đóng vai trò rất quan trọng trong sản xuất, xử lý kim loại, chế tạo linh kiện điện tử và thậm chí cả trong lĩnh vực nông nghiệp. Vậy, axit nitric được sử dụng như thế nào? Dưới đây, KPTCHEM sẽ đề cập đến một vài ứng dụng cụ thể trong công nghiệp của hóa chất này!

1. Tác nhân xử lý kim loại

Khắc axit trên kim loại

Khắc axit là một kỹ thuật ăn mòn hóa học được sử dụng để tạo hoa văn hoặc hình ảnh lên bề mặt kim loại bằng cách sử dụng các dung dịch axit hoặc chất ăn mòn chuyên dụng. Quy trình này bao gồm nhiều giai đoạn, bắt đầu bằng việc phủ lên bề mặt kim loại một lớp bảo vệ gọi là lớp chống axit. Sau đó, mẫu thiết kế được tạo ra bằng cách loại bỏ lớp phủ tại các vùng cần khắc, để lộ bề mặt kim loại. Tấm kim loại sau đó được ngâm trong dung dịch axit để tiến hành quá trình ăn mòn chọn lọc, hình thành hoa văn theo thiết kế ban đầu.

Axit nitric là một trong những chất khắc được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật này, đặc biệt hiệu quả đối với các kim loại như đồng, đồng thau, thép, thép không gỉ và bạc. Trong lĩnh vực chế tác trang sức hoặc sản xuất linh kiện, tác nhân xử lý kim loại này được đánh giá cao nhờ khả năng tạo đường khắc sắc nét, đồng đều và kiểm soát tốt tốc độ ăn mòn.

Dung dịch HNO3 dùng cho mục đích khắc thường có nồng độ từ 67-70% (dạng axit đậm đặc), đòi hỏi phải được xử lý bằng thiết bị bảo hộ cá nhân nghiêm ngặt do tính ăn mòn và độc hại cao. Tùy theo loại kim loại và độ sâu cần khắc, axit nitric có thể được pha loãng theo nhiều tỷ lệ khác nhau. Một công thức thông dụng là pha loãng với nước theo tỷ lệ 3:1. Các tỷ lệ loãng hơn như 5:1, 8:1 hoặc 10:1 cũng được áp dụng tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

Làm sạch bề mặt thép không gỉ

Mặc dù thép không gỉ nổi bật với khả năng chống ăn mòn cao, nhưng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt hoặc sử dụng trong thời gian dài, bề mặt của vật liệu này vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đổi màu, hoen gỉ hoặc lắng cặn. Đặc biệt trong các lĩnh vực đòi hỏi độ sạch cao như chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa chất và dược phẩm, việc duy trì bề mặt thép không gỉ sạch sẽ là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo chất lượng và an toàn sản phẩm.

Đối với các vết bẩn nhẹ, quá trình vệ sinh thông thường có thể được thực hiện bằng nước ấm pha với xà phòng hoặc chất tẩy rửa nhẹ, kết hợp với khăn mềm hoặc miếng bọt biển nylon mịn. Tuy nhiên, đối với các vết bẩn cứng đầu như vết gỉ sét, ăn mòn nhẹ hoặc biến màu do tác dụng nhiệt, cần sử dụng các dung dịch axit để làm sạch hiệu quả hơn.

HNO3 là axit vô cơ duy nhất được đánh giá là an toàn và phù hợp cho việc làm sạch thép không gỉ mà không làm hư hại bề mặt vật liệu. Trong thực tế, dung dịch axit nitric loãng với nồng độ khoảng 10% thường được sử dụng để tẩy gỉ, loại bỏ lớp oxit và khôi phục độ sáng bóng cho bề mặt kim loại. Nó cũng là loại axit khoáng duy nhất an toàn được sử dụng trong bước đầu tiên trong quy trình thụ động hóa thép không gỉ - làm sạch sơ bộ loại bỏ các tạp chất bề mặt như dầu mỡ, bụi,…

Việc làm sạch định kỳ không chỉ giúp duy trì tính thẩm mỹ mà còn kéo dài tuổi thọ và đảm bảo hiệu suất của thiết bị trong các môi trường đòi hỏi cao về vệ sinh và độ bền hóa học.

2. Dung dịch axit nitric loãng có thể loại bỏ hoàn toàn cặn bẩn trên đồ dùng thủy tinh của phòng thí nghiệm

Đảm bảo độ sạch tuyệt đối của đồ thủy tinh trong phòng thí nghiệm là điều kiện tiên quyết để thu được kết quả phân tích chính xác và đáng tin cậy. Bề mặt thủy tinh bị nhiễm bẩn hay tồn dư hóa chất có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến phản ứng hóa học, gây sai lệch dữ liệu và lãng phí thời gian nghiên cứu. Đáng chú ý, độ sạch không thể xác định chỉ qua quan sát bằng mắt thường; một bề mặt trông sạch chưa chắc đã thực sự sạch về mặt hóa học.

Một phương pháp kiểm tra đơn giản là thử nghiệm làm ướt: nếu nhỏ giọt nước cất lên bề mặt thủy tinh mà nước lan đều thì chứng tỏ bề mặt đã sạch. Ngược lại, nếu nước tạo thành giọt tròn, điều đó cho thấy vẫn còn lớp cặn hữu cơ hoặc dầu mỡ. Tuy nhiên, thử nghiệm này chỉ mang tính hỗ trợ và không nên được sử dụng như tiêu chí đánh giá duy nhất.

Thời điểm lý tưởng để vệ sinh đồ thủy tinh là ngay sau khi sử dụng. Quá trình vệ sinh nên bắt đầu từ các phương pháp nhẹ nhàng như cạo sạch cặn, dùng bàn chải mềm kết hợp với xà phòng hoặc chất tẩy rửa thông thường. Nếu các phương pháp này không hiệu quả, có thể sử dụng dung môi hữu cơ (đun nóng nhẹ hoặc khuấy đều) để tăng khả năng làm sạch. Trong những trường hợp nhiễm bẩn nặng hoặc tồn dư hóa chất khó xử lý, các dung dịch axit được sử dụng như biện pháp làm sạch chuyên sâu.

Axit nitric là lựa chọn phổ biến trong việc làm sạch đồ thủy tinh do khả năng oxy hóa mạnh và hiệu quả cao trong việc loại bỏ cặn hữu cơ, muối kim loại hoặc lớp phủ mỏng. Tùy vào mục đích sử dụng mà người ta có thể được pha loãng ở các nồng độ khác nhau như:

• Dung dịch 1-2% thường được dùng để ngâm rửa đồ thủy tinh mới hoặc trước các thí nghiệm hóa học nhạy cảm, giúp loại bỏ hoàn toàn tạp chất trên bề mặt.
• Dung dịch 10% được sử dụng phổ biến trong bồn axit chuyên dụng trong phòng thí nghiệm (bể lớn có thể chứa đến vài lít axit) để làm sạch hàng loạt dụng cụ thủy tinh.
• Trong trường hợp đồ thủy tinh bị nhiễm chất hữu cơ bền vững hoặc hạt kim loại, một hỗn hợp gồm HCl và HNO3 có thể được sử dụng như một dung dịch tẩy rửa cực mạnh nhờ tính oxy hóa vượt trội. Do tính ăn mòn và độc tính cao, hỗn hợp này và các dung dịch tương tự chỉ nên được sử dụng trong điều kiện phòng thí nghiệm kiểm soát, với đầy đủ trang thiết bị bảo hộ cá nhân như kính bảo hộ, găng tay cao su, áo khoác phòng thí nghiệm và hệ thống hút khí chuyên dụng.

3. Tầm quan trọng của axit nitric trong ngành kim loại quý

HNO3 là yếu tố then chốt trong quy trình thu hồi và tinh chế vàng

Vàng là kim loại quý có tính trơ cao, thường tồn tại trong tự nhiên và các sản phẩm công nghiệp dưới dạng hợp kim chứa nhiều tạp chất như bạc, đồng, bạch kim hoặc các khoáng chất khác. Để đạt được độ tinh khiết cao, vàng cần được tinh chế bằng các phương pháp hóa học trong đó axit nitric đóng vai trò then chốt.

Một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là sử dụng nước cường toan để hòa tan vàng nguyên chất. Quá trình thu hồi vàng này bao gồm các bước như sau:

• Hòa tan vàng và hợp kim chứa vàng trong dung dịch nước cường toan;
• Lọc bỏ các tạp chất không tan;
• Thu hồi vàng bằng phương pháp kết tủa từ dung dịch hoặc điện phân.

Ngoài ra, axit nitric có thể được sử dụng riêng lẻ để tinh chế các hợp kim có hàm lượng vàng thấp. Ví dụ, trong phương pháp tách bạc (parting method), hợp kim chứa dưới 30% vàng được đun với dung dịch axit nitric 30-40%, giúp hòa tan bạc và tạp chất, để lại vàng gần như tinh khiết (>99,5%).

Và mang lại giải pháp tối ưu cho kiểm tra xác định độ tinh khiết của vàng

Trong lĩnh vực kinh doanh và chế tác trang sức, việc xác thực vàng thật - giả và đánh giá độ tinh khiết karat là điều thiết yếu. Dân gian có câu “dùng lửa thử vàng”, điều đó đúng. Có nhiều phương pháp để “thử” vàng bao gồm phương pháp hủy (dùng lửa) và không phá hủy (dùng tia X), nhưng thiết bị đắt tiền cùng quy trình phức tạp khiến việc sử dụng chúng tương đối khó khăn. Ngược lại, phương pháp thử vàng bằng axit nitric được sử dụng rộng rãi vì chi phí thấp, dễ thực hiện và cho kết quả nhanh chóng mà gần như ai cũng có thể thực hiện.

Nguyên lý thử vàng bằng axit dựa trên khả năng hòa tan nó với các kim loại cơ bản như đồng, kẽm và bạc nhưng không hòa tan vàng tinh khiết. Quá trình thử diễn ra như sau:

1. Chà vật phẩm cần kiểm tra lên một viên đá đen chuyên dụng để lại một vệt kim loại.

2. Nhỏ một giọt dung dịch axit nitric lên vết đó: Nếu vết tan đi, mẫu không phải là vàng; Nếu vết không đổi màu, mẫu có thể là vàng tinh khiết hoặc karat cao.

3. Để kiểm tra chính xác hơn, tiếp tục nhỏ nước cường toan lên vết: Nếu vết bị hòa tan, chứng tỏ là vàng thật. Để hòa tan vàng có độ tinh khiết càng cao cần sử dụng axit càng mạnh (ví dụ vàng 24k).

Các bộ dụng cụ thử vàng bằng axit thương mại thường gồm các loại axit được pha sẵn để kiểm tra các cấp karat cụ thể như 10k, 14k, 18k,... Tuy nhiên, phương pháp này chỉ kiểm tra được lớp bề mặt, nên có thể xảy ra hiện tượng dương tính giả nếu mẫu thử được mạ vàng hoặc chỉ phủ lớp mỏng bên ngoài.

Tương tự, hóa chất này cũng cần thiết cho việc tinh chế và làm sạch bạc

Tương tự vàng, bạc cũng là kim loại quý được ưa chuộng bởi độ sáng bóng tự nhiên, khả năng chống ăn mòn và tính dễ gia công. Trong các lĩnh vực như chế tác trang sức, công nghệ điện tử và công nghiệp hóa chất, việc tinh chế và làm sạch bạc là cần thiết nhằm loại bỏ tạp chất và nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm. Một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng hóa chất HNO3 để hòa tan và tách bạc khỏi các kim loại khác hoặc tạp chất đi kèm.

Quy trình tinh chế bạc bao gồm các bước như sau:

1. Hòa tan bạc: Bạc được hòa tan trong dung dịch axit nitric đậm đặc (67-70%) để tạo thành dung dịch nitrat bạc (AgNO₃), trong khi các kim loại cơ bản khác như đồng, kẽm cũng có thể đồng thời bị hòa tan.

2. Kết tủa bạc: Dung dịch chứa bạc sau đó được cho phản ứng với muối ăn (NaCl) không chứa iốt để tạo kết tủa bạc clorua (AgCl), tách bạc ra khỏi dung dịch.

3. Loại bỏ tạp chất: Các chất không tan và cặn bẩn sẽ lắng xuống đáy, được tách bỏ bằng cách gạn hoặc lọc.

4. Khử bạc: Bạc clorua thu được được chuyển đổi lại thành bạc kim loại thông qua phản ứng khử bằng các tác nhân như sắt, đường khử hoặc các hợp chất kết tủa bạc khác.

5. Rửa và sấy khô: Bạc sau khi khử được rửa sạch bằng nước cất và sấy khô để thu được bạc tinh khiết với độ tinh khiết có thể đạt tới 99,95%.

Tuy nhiên, việc sử dụng dung dịch HNO3 đậm đặc trong quy trình tạo ra khói ăn mòn. Vì thế, trong một số trường hợp người ta thay thế bằng dung dịch axit pha loãng (4-5%) nhằm kiểm soát tốc độ phản ứng và giảm nguy cơ tạo ra khói độc hại.

4. Ứng dụng của hóa chất HNO3 trong phân tích phổ khối Plasma cảm ứng (ICP-MS)

Phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) là một kỹ thuật phân tích hiện đại, cho phép phát hiện nhiều nguyên tố trong bảng tuần hoàn với độ nhạy rất cao, từ mức miligam đến nanogam trên lít. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, phân tích địa chất, kiểm nghiệm dược phẩm, luyện kim, thực phẩm và nghiên cứu sinh học. Trong quá trình phân tích ICP-MS, việc chuẩn bị mẫu đóng vai trò đặc biệt quan trọng để đảm bảo độ chính xác và lặp lại của kết quả. Axit nitric là một trong những hóa chất được sử dụng phổ biến nhất trong bước chuẩn bị mẫu nhờ các đặc tính hóa học phù hợp và hiệu quả.

Axit nitric là một axit khoáng mạnh có khả năng phân hủy và hòa tan hiệu quả nhiều kim loại và hợp chất vô cơ, giúp giải phóng hoàn toàn các nguyên tố cần phân tích từ nền mẫu. Khi sử dụng axit nitric, các nguyên tố này được chuyển hóa thành muối nitrat – một dạng muối có độ tan cao trong nước, không tạo kết tủa và không làm ảnh hưởng đến quá trình đo ICP-MS. Điều này giúp mẫu ở trạng thái đồng nhất, ổn định và sẵn sàng để đưa vào hệ thống phân tích mà không gây tắc nghẽn hoặc phá hỏng thiết bị.

So với các axit clohydric hay axit sunfuric, dung dịch HNO3 có ưu điểm nổi bật là không tạo ra các muối clorua hay sunfat có thể kết tủa hoặc tương tác không mong muốn với các thành phần trong mẫu. Đây là lý do tại sao các dung dịch axit nitric loãng (thường từ 1% đến 5%) được ưu tiên sử dụng để pha loãng mẫu, tiêu hóa mẫu sinh học hoặc mẫu môi trường trước khi phân tích. Ngoài ra, axit nitric còn giúp ổn định mẫu bằng cách hạn chế sự hấp phụ của các nguyên tố vết lên thành dụng cụ chứa, từ đó làm tăng độ chính xác cho kết quả đo.

Với yêu cầu cao về độ nhạy và giới hạn phát hiện thấp trong ICP-MS, axit nitric được sử dụng phải đạt độ tinh khiết rất cao. Sự có mặt của tạp chất, dù chỉ ở mức vết, cũng có thể làm sai lệch kết quả phân tích. Do đó, axit HNO3 cấp siêu tinh khiết (ultrapure grade) là lựa chọn bắt buộc trong các phòng thí nghiệm sử dụng ICP-MS cho các nghiên cứu chuyên sâu hoặc kiểm định chất lượng nghiêm ngặt.

Như vậy, chúng ta vừa tìm hiểu qua một số công dụng của axit nitric phổ biến hiện nay. Nếu bạn còn biết loại chất lỏng không màu có tính axit mạnh này có những ứng dụng nào khác, đừng ngại chia sẻ với chúng tôi ngay nhé!