Свойства конц азотной кислоты. Взаимодействие металлов с азотной кислотой

Сфера использования азотной кислоты весьма широка. Изготавливается такое вещество на специализированных химических заводах.

Производство очень обширное и сегодня можно купить такой раствор в очень больших количествах. Продается азотная кислота оптом только сертифицированными производителями.

Физические характеристики

Азотная кислота представляет собой жидкость, которая имеет специфический едкий запах. Плотность ее составляет 1,52 г/см3, а температура кипения равна 84 градусам. Процесс кристаллизации вещества происходит при -41 градусе Цельсия, которое затем превращается в вещество белого цвета.

Азотная кислота прекрасно растворяется в воде, и на практике можно получить раствор любой концентрации. Самым распространенным является 70-ти % соотношение вещества. Такая концентрация самая распространенная и применяется повсеместно.

Сильно насыщенная кислота способна выделять воздух токсичные соединения (оксиды азота). Они очень вредные и при обращении с ней следует соблюдать все меры предосторожности.

Концентрированный раствор данного вещества является сильным окислителем и может вступать в реакции со многими органическими соединениями. Так, при длительном воздействии на кожу она вызывает ожоги, которые образуются при разрушении белковых тканей.

Азотная кислота легко распадается при воздействии на нее тепла и света на оксид азота, воду и кислород. Как уже упоминалось, продукты такого распада очень токсичны.

Она очень агрессивна и вступает в химические реакции с большинством металлов, за исключением золота, платины и других подобных веществ. Данная особенность используется, чтобы разделять золото от других материалов, например серебра.

При воздействии с металлами она образует:

• нитраты;
• гидратированые оксиды (образование одного из двух типов веществ зависит от конкретного металла).

Азотная кислота — это очень сильный окислитель и поэтому данное свойство используют в промышленных процессах. В большинстве случаев она применяется как водный раствор различной концентрации.

Азотная кислота играет важную роль при получении азотных удобрений, а также используется, чтобы растворять различные руды и концентраты. Также входит в процесс получения серной кислоты.

Она является важным компонентом «царской водки», вещества, которое способное растворять золото.

Синтез азотной кислоты смотрим в видео:

: моногидрат (HNO 3 ·H 2 O) и тригидрат (HNO 3 ·3H 2 O).

Физические и физико-химические свойства

Фазовая диаграмма водного раствора азотной кислоты.

Азот в азотной кислоте четырёхвалентен , степень окисления +5. Азотная кислота — бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C с частичным разложением. Растворимость азотной кислоты в воде не ограничена. Водные растворы HNO 3 с массовой долей 0,95-0,98 называют «дымящей азотной кислотой», с массовой долей 0,6-0,7 — концентрированной азотной кислотой. С водой образует азеотропную смесь (массовая доля 68,4 %, d 20 = 1,41 г/см, T кип = 120,7 °C)

При кристаллизации из водных растворов азотная кислота образует кристаллогидраты:

• моногидрат HNO 3 ·H 2 O, T пл = −37,62 °C
• тригидрат HNO 3 ·3H 2 O, T пл = −18,47 °C

Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации:

• моноклинная , пространственная группа P 2 1 /a, a = 1,623 нм, b = 0,857 нм, c = 0,631, β = 90°, Z = 16;

Моногидрат образует кристаллы ромбической сингонии , пространственная группа P na2, a = 0,631 нм, b = 0,869 нм, c = 0,544, Z = 4;

Плотность водных растворов азотной кислоты как функция её концентрации описывается уравнением

где d — плотность в г/см³, с — массовая доля кислоты. Данная формула плохо описывает поведение плотности при концентрации более 97 %.

Химические свойства

Высококонцентрированная HNO 3 имеет обычно бурую окраску вследствие происходящего на свету процесса разложения:

При нагревании азотная кислота распадается по той же реакции. Азотную кислоту можно перегонять (без разложения) только при пониженном давлении (указанная температура кипения при атмосферном давлении найдена экстраполяцией).

в) вытесняет слабые кислоты из их солей:

При кипении или под действием света азотная кислота частично разлагается:

Азотная кислота в любой концентрации проявляет свойства кислоты-окислителя, при этом азот восстанавливается до степени окисления от +4 до −3. Глубина восстановления зависит в первую очередь от природы восстановителя и от концентрации азотной кислоты. Как кислота-окислитель, HNO 3 взаимодействует:

Нитраты

Азотная кислота является сильной кислотой. Её соли — нитраты — получают действием HNO 3 на металлы, оксиды , гидроксиды или карбонаты . Все нитраты хорошо растворимы в воде. Нитрат-ион в воде не гидролизуется.

Соли азотной кислоты при нагревании необратимо разлагаются, причём состав продуктов разложения определяется катионом:

а) нитраты металлов, стоящих в ряду напряжений левее магния:

б) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений между магнием и медью :

в) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений правее :

Нитраты в водных растворах практически не проявляют окислительных свойств, но при высокой температуре в твердом состоянии являются сильными окислителями, например, при сплавлении твердых веществ:

Исторические сведения

Методика получения разбавленной азотной кислоты путём сухой перегонки селитры с квасцами и медным купоросом была, по видимому, впервые описана трактатах Джабира (Гебера в латинизированных переводах) в VIII веке . Этот метод с теми или иными модификациями, наиболее существенной из которых была замена медного купороса железным , применялся в европейской и арабской алхимии вплоть до XVII века .

В XVII веке Глаубер предложил метод получения летучих кислот реакцией их солей с концентрированной серной кислотой, в том числе и азотной кислоты из калийной селитры , что позволило ввести в химическую практику концентрированную азотную кислоту и изучить её свойства. Метод

Один из наиболее важных продуктов, используемых человеком, - это нитратная кислота. Формула вещества - HNO 3 , оно же обладает и разнообразными физическими и химическими характеристиками, отличающими его от других неорганических кислот. В нашей статье мы изучим свойства азотной кислоты, ознакомимся с методами ее получения, а также рассмотрим сферы применения вещества в различных отраслях промышленности, медицины и сельского хозяйства.

Особенности физических свойств

Полученная в лаборатории азотная кислота, структурная формула которой приведена ниже, представляет собой бесцветную жидкость с неприятным запахом, более тяжелую, чем вода. Она быстро испаряется и имеет невысокую температуру кипения, равную +83 °С. Соединение легко смешивается с водой в любых пропорциях, образуя растворы различной концентрации. Более того, нитратная кислота может поглощать влагу из воздуха, то есть является гигроскопическим веществом. Структурная формула азотной кислоты неоднозначна, и может иметь две формы.

В молекулярном виде нитратная кислота не существует. В водных растворах различной концентрации вещество имеет вид следующих частиц: H 3 O + - ионов гидроксония и анионов кислотного остатка - NO 3 - .

Кислотно-основное взаимодействие

Азотная кислота, являющаяся одной из самых сильных кислот, вступает в реакции замещения, обмена, нейтрализации. Так, с основными оксидами соединение участвует в обменных процессах, в результате которых получается соль и вода. Реакция нейтрализации - основное химическое свойство всех кислот. Продуктами взаимодействия оснований и кислот всегда будут соответствующие соли и вода:

NaOH + HNO 3 → NaNO 3 + H 2 O

Видео по теме

Реакции с металлами

В молекуле азотной кислоты, формула которой HNO 3 , азот проявляет самую высокую степень окисления, равную +5, поэтому вещество обладает ярко выраженными окислительными свойствами. Как сильная кислота оно способно взаимодействовать с металлами, стоящими в ряду активности металлов до водорода. Однако она, в отличие от других кислот, может реагировать и с пассивными металлическими элементами, например, с медью или серебром. Реагенты и продукты взаимодействия определяются, как концентрацией самой кислоты, так и активностью металла.

Разбавленная азотная кислота и ее свойства

Если массовая доля HNO 3 составляет 0,4-0,6, то соединение проявляет все свойства сильной кислоты. Например, диссоциирует на катионы водорода и анионы кислотного остатка. Индикаторы в кислой среде, например, фиолетовый лакмус, в присутствии избытка ионов H + меняет свою окраску на красную. Важнейшая особенность реакций нитратной кислоты с металлами - это невозможность выделения водорода, который окисляется до воды. Вместо него образуются различные соединения - оксиды азота. Например, в процессе взаимодействия серебра с молекулами азотной кислоты, формула которой HNO 3 , обнаруживается монооксид азота, вода и соль - нитрат серебра. Степень окисления азота в сложном анионе снижается, так как происходит присоединение трех электронов.

С активными металлическими элементами, такими, как магний, цинк, кальций, нитратная кислота реагирует с образованием окиси азота, валентность которого наименьшая, она равна 1. Также образуются соль и вода:

4Mg + 10HNO 3 = NH 4 NO 3 + 4Mg(NO 3) 2 + 3H 2 O

Если же азотная кислота, химическая формула которой HNO 3 , очень разбавлена, в этом случае, продукты ее взаимодействия с активными металлами будут различными. Это может быть аммиак, свободный азот или оксид азота (І). Все зависит от внешних факторов, к которым можно отнести степень измельчения металла и температуру реакционной смеси. Например, уравнение ее взаимодействия с цинком будет иметь следующий вид:

Zn + 4HNO 3 = Zn(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Концентрированная HNO 3 (96-98%) кислота в реакциях с металлами восстанавливается до диоксида азота, причем, это обычно не зависит от положения металла в ряду Н. Бекетова. Так происходит в большинстве случаев, например, при взаимодействии с серебром.

Запомним исключение из правила: концентрированная азотная кислота в обычных условиях не реагирует с железом, алюминием и хромом, а пассивирует их. Это значит, что на поверхности металлов образуется защитная оксидная пленка, препятствующая дальнейшему их контакту с молекулами кислоты. Смесь вещества с концентрированной хлоридной кислотой в соотношении 3:1 называется царской водкой. Она имеет способность растворять золото.

Как нитратная кислота реагирует с неметаллами

Сильные окислительные свойства вещества приводят к тому, что в его реакциях с неметаллическими элементами, последние переходят в форму соответствующих кислот. Например, сера окисляется до сульфатной, бор - до борной, а фосфор - до фосфатных кислот. Приведенные ниже уравнения реакций подтверждают это:

S 0 + 2HN V O 3 → H 2 S VI O 4 + 2N II O

Получение азотной кислоты

Наиболее удобный лабораторный способ получения вещества - взаимодействие нитратов с концентрированной сульфатной кислотой. Ее проводят при слабом нагревании, не допуская повышения температуры, так как в этом случае получившийся продукт разлагается.

В промышленности азотную кислоту можно добыть несколькими способами. Например, окислением аммиака, полученным из азота воздуха и водорода. Производство кислоты проходит в несколько стадий. Промежуточными продуктами будут оксиды азота. Вначале образуется монооксид азота NO, затем кислородом воздуха его окисляют до двуокиси азота. Наконец, в реакции с водой и избытком кислорода из NO 2 добывают разбавленную (40-60%) нитратную кислоту. Если ее перегонять с концентрированной сульфатной кислотой, можно повысить массовую долю HNO 3 в растворе до 98.

Вышеописанный метод производства нитратной кислоты, впервые был предложен основателем азотной промышленности в России И. Андреевым еще в начале 20 века.

Применение

Как мы помним, химическая формула азотной кислоты HNO 3 . Какая особенность химических свойств обуславливает ее применение, если нитратная кислота является многотоннажным продуктом химического производства? Это высокая окислительная способность вещества. Его применяют в фармацевтической промышленности для получения лекарственных препаратов. Вещество служит исходным сырьем для синтеза взрывчатых соединений, пластических масс, красителей. Нитратная кислота применяется в военной технике в качестве окислителя для ракетного топлива. Большой ее объем применяют в производстве важнейших видов азотных удобрений - селитр. Они способствуют повышению урожайности важнейших сельскохозяйственных культур и повышают содержание в плодах и зеленой массе белка.

Области применения нитратов

Рассмотрев основные свойства, получение и применение азотной кислоты, остановимся на использовании важнейших ее соединений - солей. Они являются не только минеральными удобрениями, некоторые из них имеют большое значение в военной промышленности. Например, смесь, состоящая из 75% нитрата калия, 15% мелкодисперсного угля и 5% серы называется черным порохом. Из нитрата аммония, а также порошка угля и алюминия получают аммонал - взрывчатое вещество. Интересное свойство солей нитратной кислоты - это их способность разлагаться при нагревании.

Причем, продукты реакции будут зависеть от того, ион какого металла входит в состав соли. Если металлический элемент находится в ряду активности левее магния, от в продуктах обнаруживаются нитриты и свободный кислород. Если металл, входящий в состав нитрата, расположен от магния до меди включительно, то при нагревании соли происходит образование диоксида азота, кислорода и оксида металлического элемента. Соли серебра, золота или платины при высокой температуре образуют свободный металл, кислород и двуокись азота.

В нашей статье мы выяснили, какая химическая формула азотной кислоты в химии, и какие особенности ее окислительных свойств имеют наиболее важное значение.

Азотная кислота относится к основным соединениям азота. Химическая формула – HNO 3 . Так какими же физическими и химическими свойствами обладает это вещество?

Физические свойства

Чистая азотная кислота не имеет цвета, обладает резким запахом, а на воздухе имеет особенность “дымиться”. Молярная масса составляет 63 г/моль. При температуре -42 градуса переходит в твердое агрегатное состояние и превращается в белоснежную массу. Безводная азотная кислота закипает при 86 градусах. В процессе смешивания с водой образует растворы отличные друг от друга по концентрации.

Данное вещество является одноосновной, то есть всегда имеет одну карбоксильную группу. Среди кислот, которые относятся к мощным окислителями, азотная кислота является одной из сильнейших. Она вступает в реакцию со многими металлами и неметаллами, органическими соединениями за счет восстановления азота

Нитраты – соли азотной кислоты. Чаще всего их используют в качестве удобрений в сельском хозяйстве

Химические свойства

Электронную и структурную формулу азотной кислоты изображают следующим образом:

Рис. 1. Электронная формула азотной кислоты.

Концентрированная азотная кислота подвержена воздействию света и под его действием способна разлагаться на оксиды азота. Оксиды, в свою очередь, взаимодействуя с кислотой, растворяются в ней и придают жидкости желтоватый оттенок:

4HNO 3 =4NO 2 +O 2 +2H 2 O

Хранить вещество следует в прохладном и темном месте. При повышении ее температуры и концентрации процесс распада происходит значительно быстрее. Азот в молекуле азотной кислоты всегда имеет валентность IV, степень окисления +5, координационное число 3.

Так как азотная кислота является очень сильной кислотой, в растворах она полностью разлагается на ионы. Она реагирует с основными оксидами, с основаниями, с солями более слабых и более летучих кислот.

Рис. 2. Азотная кислота.

Эта одноосновная кислота – сильнейший окислитель. Азотная кислота действует на многие металлы. В зависимости от концентрации, активности металла и условий проведения реакции может восстанавливаться с одновременным образованием соли азотной кислоты (нитрата) до соединений.

Когда азотная кислота взаимодействует с малоактивными металлами образуется NO 2:

Cu+4HNO 3 (конц.)=Сu(NO 3) 2 +2NO 2 +2H 2 O

Разбавленная азотная кислота в такой ситуации восстанавливается до NO:

3Cu+8HNO 3 (разб.)=3Сu(NO 3) 2 +2NO+4H 2 O

Если в реакцию с разбавленной азотной кислотой вступают более активные металлы, то выделяется NO 2:

4Mg+10HNO 3 (разб.)=4Mg(NO 3) 2 +N 2 O+5H 2 O

Очень разбавленная азотная кислота при взаимодействии с активными металлами восстанавливается до солей аммония:

4Zn+10HNO 3 (очень разб.)=4Zn(NO 3) 2 +NH 4 NO 3 +3H 2 O

В концентрированной азотной кислоте устойчивы Au, Pt, Rh, Ir, Ta, Ti. Металлы Al, Fe, Cr она «пассивирует» в результате образования на поверхности металлов оксидных пленок.

Смесь, образованная из одного объема концентрированной азотной и трех объемов концентрированной хлороводородной (соляной) кислоты называется «царской водкой».

Рис. 3. Царская водка.

Неметаллы окисляются азотной кислотой до соответствующих кислот, а азотная кислота в зависимости от концентрации восстанавливается до NO или NO 2:

С+4HNO 3 (конц.)=CO 2 +4NO 2 +2H 2 O

S+6HNO 3 (конц.)=H 2 SO 4 +6NO 2 +2H 2 O

Азотная кислота способна окислять некоторые катионы и анионы, а также неорганические ковалентные соединения, например, сероводород.

3H 2 S+8HNO 3 (разб.)= 3H 2 SO 4 +8NO+4H 2 O

Азотная кислота взаимодействует со многими органическими веществами, при этом один или несколько атомов водорода в молекуле органического вещества заменяются нитрогруппами – NO 2 . Этот процесс называется нитрованием.

Азотная кислота

Азо́тная кислота́ (HNO 3), — сильная одноосновная кислота. Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации смоноклинной и ромбической решётками.

Азотная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. В водных растворах она практически полностью диссоциирует на ионы. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 68,4 % и t кип 120 °C при атмосферном давлении. Известны два твёрдых гидрата: моногидрат (HNO 3 ·H 2 O) и тригидрат (HNO 3 ·3H 2 O).

Химические свойства

Высококонцентрированная HNO 3 имеет обычно бурую окраску вследствие происходящего на свету процесса разложения:

При нагревании азотная кислота распадается по той же реакции. Азотную кислоту можно перегонять (без разложения) только при пониженном давлении (указанная температура кипения при атмосферном давлении найдена экстраполяцией).

Золото, некоторые металлы платиновой группы и тантал инертны к азотной кислоте во всём диапазоне концентраций, остальные металлы реагируют с ней, ход реакции при этом определяется её концентрацией.

HNO 3 как сильная одноосновная кислота взаимодействует:

а) с основными и амфотерными оксидами:

б) с основаниями:

в) вытесняет слабые кислоты из их солей:

При кипении или под действием света азотная кислота частично разлагается:

Азотная кислота в любой концентрации проявляет свойства кислоты-окислителя, при этом азот восстанавливается до степени окисления от +4 до −3. Глубина восстановления зависит в первую очередь от природы восстановителя и от концентрации азотной кислоты. Как кислота-окислитель, HNO 3 взаимодействует:

а) с металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода:

Концентрированная HNO 3

Разбавленная HNO 3

б) с металлами, стоящими в ряду напряжений левее водорода:

Все приведенные выше уравнения отражают только доминирующий ход реакции. Это означает, что в данных условиях продуктов данной реакции больше, чем продуктов других реакций, например, при взаимодействии цинка с азотной кислотой (массовая доля азотной кислоты в растворе 0,3) в продуктах будет содержаться больше всего NO, но также будут содержаться (только в меньших количествах) и NO 2 , N 2 O, N 2 и NH 4 NO 3 .

Единственная общая закономерность при взаимодействии азотной кислоты с металлами: чем более разбавленная кислота и чем активнее металл, тем глубже восстанавливается азот:

Увеличение концентрации кислоты увеличение активности металла

Продукты взаимодействия железа с HNO 3 разной концентрации

С золотом и платиной азотная кислота, даже концентрированная не взаимодействует. Железо, алюминий, хром холодной концентрированной азотной кислотой пассивируются. С разбавленной азотной кислотой железо взаимодействует, причем в зависимости от концентрации кислоты образуются не только различные продукты восстановления азота, но и различные продукты окисления железа:

Азотная кислота окисляет неметаллы, при этом азот обычно восстанавливается до NO или NO 2:

и сложные вещества, например:

Некоторые органические соединения (например амины и гидразин, скипидар) самовоспламеняются при контакте с концентрированной азотной кислотой.

Азотная кислота

Некоторые металлы (железо, хром, алюминий, кобальт, никель, марганец, бериллий), реагирующие с разбавленной азотной кислотой, пассивируются концентрированной азотной кислотой и устойчивы к её воздействию.

Смесь азотной и серной кислот носит название «меланж». Благодаря наличию амила достигается концентрация в 104 % [источник не указан 150 дней ] (то есть при добавлении к 100 частям меланжа 4 частей дистиллята концентрация остаётся на уровне 100 %, вследствие поглощения воды амилом [источник не указан 150 дней ]).

Азотная кислота широко используется для получения нитросоединений.

Смесь трех объёмов соляной кислоты и одного объёма азотной называется «царской водкой». Царская водка растворяет большинство металлов, в том числе золото и платину. Её сильные окислительные способности обусловлены образующимся атомарным хлором ихлоридом нитрозила:

Нитраты

HNO 3 — сильная кислота. Её соли — нитраты — получают действием HNO 3 на металлы, оксиды, гидроксиды или карбонаты. Все нитраты хорошо растворимы в воде.

Соли азотной кислоты — нитраты — при нагревании необратимо разлагаются, продукты разложения определяются катионом:

а) нитраты металлов, стоящих в ряду напряжений левее магния:

2NaNO 3 = 2NaNO 2 + O 2

б) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений между магнием и медью:

4Al(NO 3) 3 = 2Al 2 O 3 + 12NO 2 + 3O 2

в) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений правее ртути:

2AgNO 3 = 2Ag + 2NO 2 + O 2

г) нитрат аммония:

NH 4 NO 3 = N 2 O + 2H 2 O

Нитраты в водных растворах практически не проявляют окислительных свойств, но при высокой температуре в твердом состоянии нитраты — сильные окислители, например:

Fe + 3KNO 3 + 2KOH = K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + H 2 O — при сплавлении твердых веществ.

Цинк и алюминий в щелочном растворе восстанавливают нитраты до NH 3:

Соли азотной кислоты — нитраты — широко используются как удобрения. При этом практически все нитраты хорошо растворимы в воде, поэтому в виде минералов их в природе чрезвычайно мало; исключение составляют чилийская (натриевая) селитра и индийская селитра (нитрат калия). Большинство нитратов получают искусственно.

С азотной кислотой не реагируют стекло, фторопласт-4.

Исторические сведения

Методика получения разбавленной азотной кислоты путём сухой перегонки селитры с квасцами и медным купоросом была, по видимому, впервые описана трактатах Джабира(Гебера в латинизированных переводах) в VIII веке. Этот метод с теми или иными модификациями, наиболее существенной из которых была замена медного купоросажелезным, применялся в европейской и арабской алхимии вплоть до XVII века.

В XVII веке Глаубер предложил метод получения летучих кислот реакцией их солей с концентрированной серной кислотой, в том числе и азотной кислоты из калийной селитры, что позволило ввести в химическую практику концентрированную азотную кислоту и изучить её свойства. Метод Глаубера применялся до начала XX века, причём единственной существенной модификацией его оказалась замена калийной селитры на более дешёвую натриевую (чилийскую) селитру.

Во времена М. В. Ломоносова, азотную кислоту называли крепкой водкой.

Промышленное производство, применение и действие на организм

Азотная кислота является одним из самых крупнотоннажных продуктов химической промышленности.

Производство азотной кислоты

Современный способ её производства основан на каталитическом окислении синтетического аммиака на платино-родиевых катализаторах (процесс Оствальда) до смесиоксидов азота (нитрозных газов), с дальнейшим поглощением их водой

4NH 3 + 5O 2 (Pt) → 4NO + 6H 2 O 2NO + O 2 → 2NO 2 4NO 2 + O 2 + 2H 2 O → 4HNO 3 .

Концентрация полученной таким методом азотной кислоты колеблется в зависимости от технологического оформления процесса от 45 до 58 %. Впервые азотную кислоту получили алхимики, нагревая смесь селитры и железного купороса:

4KNO 3 + 2(FeSO 4 · 7H 2 O) (t°) → Fe 2 O 3 + 2K 2 SO 4 + 2HNO 3 + NO 2 + 13H 2 O

Чистую азотную кислоту получил впервые Иоганн Рудольф Глаубер, действуя на селитру концентрированной серной кислотой:

KNO 3 + H 2 SO 4 (конц.) (t°) → KHSO 4 + HNO 3

Дальнейшей дистилляцией может быть получена т. н. «дымящая азотная кислота», практически не содержащая воды.