Chế tạo Nitrocellulose (Bông thuốc súng) — Phản ứng nitrat hóa đã tạo ra thuốc súng không khói và nhựa

Năm 1846, Christian Friedrich Schönbein, một giáo sư ở Basel, vô tình làm đổ hỗn hợp axit nitric và axit sulfuric lên bàn bếp của mình. Ông lau sạch bằng tạp dề cotton của vợ, treo nó gần bếp lò để khô — và nó bùng cháy rồi biến mất. Schönbein ngay lập tức nhận ra ý nghĩa: các axit đã biến đổi cellulose thành một chất mới, nitrocellulose (cellulose trinitrat, [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]ₙ), chất này cháy với tốc độ cực nhanh và không để lại khói hay cặn.

Hóa học của quá trình này là phản ứng este hóa: ba nhóm hydroxyl (-OH) trên mỗi đơn vị glucose của chuỗi cellulose được thay thế bằng các nhóm este nitrat (-ONO₂) bằng hỗn hợp axit nitric đậm đặc (chất nitrat hóa) và axit sulfuric đậm đặc (chất khử nước giúp phản ứng hoàn toàn). Hỗn hợp axit phải được làm lạnh bằng đá — nhiệt làm phân hủy sản phẩm và có thể gây cháy dữ dội ngay trong axit.

Nitrocellulose có hai hệ quả lớn. Thứ nhất, nó trở thành cơ sở của thuốc súng không khói — vượt trội hơn thuốc súng đen vì không tạo khói che khuất và tạo lượng khí gấp ba lần trên mỗi gram. Cordite, ballistite và tất cả thuốc phóng hiện đại đều dựa trên phát minh của Schönbein. Thứ hai, khi được hóa dẻo bằng long não, nitrocellulose trở thành celluloid — nhựa thương mại đầu tiên (1869) và vật liệu đã làm nên điện ảnh.

SAFETY WARNING: Nitrocellulose là một HIGH EXPLOSIVE khi khô. Nó nhạy với va đập, nhạy với ma sát và có thể nổ. Bản thân quá trình nitrat hóa đã nguy hiểm — hỗn hợp axit có tính ăn mòn mạnh, và phản ứng có thể mất kiểm soát nếu mất kiểm soát nhiệt độ. Thí nghiệm này phải ONLY được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm nghiêm ngặt với đầy đủ thiết bị an toàn, kiểm soát nhiệt độ bằng bể đá và được đào tạo bài bản. Bảo quản sản phẩm WET — nitrocellulose khô là mối nguy hiểm nổ nghiêm trọng.