Hno3 сильная. Физические свойства азотной кислоты
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.
Азотная кислота – бесцветная, «дымящаяся» на воздухе жидкость с едким запахом. Химическая формула HNO3.
Физические свойства. При температуре 42 °C застывает в виде белых кристаллов. Безводная азотная кислота закипает при атмосферном давлении и 86 °C. С водой смешивается в произвольных соотношениях.
Под воздействием света концентрированная HNO3 разлагается на оксиды азота:
HNO3 хранят в прохладном и темном месте. Валентность азота в ней – 4, степень окисления – +5, координационное число – 3.
HNO3 – сильная кислота. В растворах полностью распадается на ионы. Взаимодействует с основными оксидами и основаниями, с солями более слабых кислот. HNO3 обладает сильной окислительной способностью. Способна восстанавливаться с одновременным образованием нитрата до соединений, в зависимости от концентрации, активности взаимодействующего металла и условий:
1) концентрированная HN03 , взаимодействуя с малоактивными металлами, восстанавливается до оксида азота (IV) NO2:
2) если кислота разбавленная, то она восстанавливается до оксида азота (II) NO:
3) более активные металлы восстанавливают разбавленную кислоту до оксида азота (I) N2O:
До солей аммония восстанавливается очень разбавленная кислота:
Au, Pt, Rh, Ir, Ta, Ti не реагируют с концентрированной HNO3, а Al, Fe, Co и Cr – «пассивируются».
4) с неметаллами HNO3 реагирует, восстанавливая их до соответствующих кислот, а сама восстанавливается до оксидов:
5) HNO3 окисляет некоторые катионы и анионы и неорганические ковалентные соединения.
6) вступает во взаимодействие со многими органическими соединениями – реакция нитрования.
Промышленное получение азотной кислоты: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O.
Аммиак – NO переходит в NO2, который с водой в присутствии кислорода воздуха дает азотную кислоту.
Катализатор – платиновые сплавы. Получаемая HNO3 не более 60 %. При необходимости ее концентрируют. Промышленностью выпускается разбавленная HNO3 (47–45 %), а концентрированная HNO3 (98–97 %). Концентрированную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах, разбавленную – в цистернах из кислотоупорной стали.
34. Фосфор
Фосфор (Р) находится в 3-м периоде, в V группе, главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер 15, заряд ядра +15, Аr = 30,9738 а.е. м... имеет 3 энергетических уровня, на энергетической оболочке 15 электронов, из них 5 валентных. У фосфора появляется d-подуровень. Электронная конфигурация Р: 1s2 2s2 2p63s2 3p33d0. Характерна sp3-гибридизация, реже sp3d1. Валентность фосфора – III, V. Наиболее характерная степень окисления +5 и -3, менее характерные: +4, +1, -2, -3. Фосфор может проявлять и окислительные и восстановительные свойства: принимать и отдавать электроны.
Строение молекулы: способность образования?-связи менее выражена, чем у азота – при обычной температуре в газовой фазе фосфор представлен в виде молекул Р4, имеющих форму равносторонних пирамид с углами по 60°. Связи между атомами ковалентные, неполярные. Каждый атом Р в молекуле связан стремя другими атомами?-связями.
Физические свойства : фосфор образует три аллотропных модификации: белый, красный и черный. Каждая модификация имеет свою температуру плавления и замерзания.
Химические свойства:
1) при нагревании Р4 обратимо диссоциирует:
2) свыше 2000 °C Р2 распадается на атомы:
3) фосфор образует соединения с неметаллами:
Непосредственно соединяется со всеми галогенами: 2Р + 5Cl2 = 2РCl5.
При взаимодействии с металлами фосфор образует фосфиды:
Соединяясь с водородом, образует газ фос-фин: Р4 + 6Н2 = 4РН3?.
При взаимодействии с кислородом образует ангидрид Р2О5: Р4 + 5О2 = 2Р2О5.
Получение: фосфор получают прокаливанием смеси Са3(Р O4)2 с песком и коксом в электропечи при температуре 1500 °C без доступа воздуха: 2Са3(РO4)2 + 1 °C + 6SiO2 = 6СаSiO3 + 1 °CO + P4?.
В природе фосфор в чистом виде не встречается, а образуется в результате химической активности. Основными природными соединениями фосфора являются минералы: Са3(РO4)2 – фосфорит; Са3(РO4)2?СаF2 (или СаCl) или Са3(РO4)2?Са(ОН)2 – апатит. Велико биологическое значение фосфора. Фосфор входит в состав некоторых растительных и животных белков: белок молока, крови, мозговой и нервной ткани. Большое его количество содержится в костях позвоночных животных в виде соединений: 3Са3(РO4)2?Са(ОН)2 и 3Са3(РO4)2?СаСО3?Н2О. Фосфор является обязательным компонентом нуклеиновых кислот, играя роль в передачи наследственной информации. Фосфор содержится в зубной эмали, в тканях в форме лецитина – соединения жиров с фосфорноглицериновыми эфирами.
Окислительные свойства азотной кислоты.
ОВР в статье специально выделены цветом . Обратите на них особое внимание. Эти уравнения могут попасться в ЕГЭ.
– в любом виде (и разбавленная, и концентрированная) является сильным окислителем.
Причем, разбавленная восстанавливается глубже, чем концентрированная.
Окислительные свойства обеспечиваются азотом в высшей степени окисления +5
Какая валентность у азота в этом соединении? Вопрос очень хитрый, многие отвечают на него корректно. У азота в азотной кислоте валентность IV .
Атом азота не может образовать больше ковалентных связей, посмотрите на электронную диаграмму:
Три связи с каждым атомом кислорода, и четвертая как бы распределяется, образуется полуторная связь. Таким образом, валентность азота IV, а степень окисления +5
Первое самое интересное свойство: взаимодействие с металлами.
Водород при взаимодействии с металлами никогда не выделяется
Схема реакции азотной кислоты (и разбавленной, и концентрированной) с металлами:
HNO 3 + Ме → нитрат + H 2 O + продукт восстановленного азота
Два нюанса:
1. , и с концентрированной азотной кислотой в нормальных условиях не реагируют, из-за пассивации. Нужно нагреть.
2. С платиной и золотом концентрированная азотная кислота не реагирует вообще.
Чтобы понять до чего вообще может восстанавливаться азот, посмотрим на диаграмму его степеней окисления:
Азот +5 – окислитель, будет восстанавливаться, то есть понижать степень окисления.
Все возможные продукты восстановления азотной на диаграмме обведены красным.
(Не все конечно, такие реакции вообще что угодно дать могут, но в ЕГЭ образуются только эти).
Определить какой именно продукт будет образовываться можно чисто логически:
- до таких низких степеней окисления как -3 или +1, с образованием продуктов NH 4 NO 3 или N 2 O соответственно, азот восстанавливают только достаточно сильные, активные металлы: щелочные — 1-я группа главная подгруппа, щелочноземельные, а так же Al и Zn . Как ранее уже было сказано, разбавленная кислота восстанавливается глубже, поэтому при взаимодействии активных металлов с конц. азотной кислотой образуется N 2 O , а при взаимодействии с разб. азотной кислотой NH 4 NO 3 .
4Ba + 10HNO 3( конц .) → 4Ba(NO 3 ) 2 + 5H 2 O + N 2 O
4Ba + 10HNO 3( разб .) → 4Ba(NO 3 ) 2 + 3H 2 O + NH 4 NO 3
8Li + 10HNO 3( конц .) → 8LiNO 3 + 5H 2 O + N 2 O
8Li + 10HNO 3( разб .) → 8LiNO 3 + 3H 2 O + NH 4 NO 3
8Al + 30HNO 3( конц .) (t)→ 8Al(NO 3 ) 3 + 15H 2 O + 3N 2 O
8Al + 30HNO 3( разб .) → 8Al(NO 3 ) 3 + 9H 2 O + 3NH 4 NO 3
Остальные металлы восстанавливают азотную кислоту до +2 или +4, с образованием продуктов соответственно: NO или O 2 .
Разбавленная кислота восстанавливается глубже
- при взаимодействии с ней металлов, не отличающихся особой активностью, будет образовываться NO . Ну а с конц. азотной NO 2:
Cu + 4HNO 3( конц .) → Cu(NO 3 ) 2 + 2H 2 O + 2NO 2
3Cu + 8HNO 3( разб .) → 3Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O + 2NO
Fe + 6HNO 3( конц .) (t)→ Fe(NO 3 ) 3 + 3H 2 O + 3NO 2
Fe + 4HNO 3( разб .) → Fe(NO 3 ) 3 + 2H 2 O + NO
(обратите внимание, что железо окисляется до высшей степени окисления)
Ag + 2HNO 3( конц .) → AgNO 3 + H 2 O + NO 2
3Ag + 4HNO 3( разб .) → 3AgNO 3 + 2H 2 O + NO
Если тяжело сразу понять всю логичность выбора, вот таблица:
А зотная кислота окисляет неметаллы до высших оксидов .
Так как неметаллы – не такие сильные восстановители, как активные металлы, азот может восстановиться только до +4, образовав NO 2 или NO соответственно.
При окислении неметаллов концентрированной азотной кислотой образуется бурый газ (NO 2), а если кислота разбавленная, то образуется NO . Схемы реакций следующие:
неметалл + HNO 3 (разб.) → + NO
неметалл + HNO 3 (конц.) → соединение неметалла в высшей степени окисления + NO 2
4 HNO 3(конц.) → CO 2 + 2 H 2 O + 4 NO 2
3C + 4HNO 3( разб .) → 3CO 2 + 2H 2 O + 4NO
(угольная кислота не образуется, так как она не стабильна)
5HNO 3( конц .) → H 3 PO 4 + H 2 O + 5 NO 2
3P + 5HNO 3( разб .) + 2H 2 O → 3H 3 PO 4 + 5NO
+ 3 HNO 3( конц .) → H 3 BO 3 + 3NO 2
B + HNO 3( разб .) + H 2 O → H 3 BO 3 + NO
6HNO 3( конц .) → H 2 SO 4 + 2H 2 O + 6NO 2
S + 2HNO 3( разб .) → H 2 SO 4 + 2 NO
- концентрированная азотная кислота окисляет сероводород. Окисление идет глубже при нагревании:
2HNO 3( конц .) + H 2 S → S↓ + 2NO 2 + 2H 2 O
H 2 S + 8HNO 3(конц.) → H 2 SO 4 + 8 NO 2 + 4 H 2 O
- концентрированная азотная кислота окисляет сульфиды до сульфатов:
CuS + 8HNO 3(конц.) → CuSO 4 + 4 H 2 O + 8 NO 2
- азотная кислота настолько сурова, что может окислить даже . Только один – иод. Разбавленная восстанавливается глубже: до +2, концентрированная до +4. А вот иод окисляется не до высшей степени окисления +7 (слишком круто), а до +5, образуя иодноватую кислоту HIO 3:
10 HNO 3(конц.) + I 2 (t)→ 2HIO 3 + 10NO 2 + 4H 2 O
10 HNO 3(разб.) + 3 I 2 (t) → 6HIO 3 + 10NO + 2H 2 O
- концентрированная азотная кислота реагирует с хлоридами и фторидами. Только следует понимать, что с фторидами и хлоридами протекает обычная реакция ионного обмена с вытеснением галогеноводорода и образованием нитрата:
NaCl (тв.) + HNO 3(конц.) → HCl + NaNO 3
NaF (тв.) + HNO 3(конц.) → HF + NaNO 3
- А вот с бромидами и иодидами (и с бромоводородами, и с иодоводородами) протекает ОВР. В обоих случаях образуется свободный галоген, а азот восстанавливается до NO 2:
8HNO 3( конц .) + 6KBr ( тв .) → 3Br 2 + 4H 2 O + 6KNO 3 + 2NO 2
4HNO 3( конц .) + 2NaI ( тв .) → 2NaNO 3 + 2NO 2 + 2H 2 O + I 2 ↓
7HNO 3( конц .) + NaI → NaNO 3 + 6NO 2 + 3H 2 O + HIO 3
То же самое происходит при взаимодействии с иодо- и бромоводородами:
2HNO 3( конц .) + 2HBr → Br 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
6HNO 3( конц .) + HI → HIO 3 + 6NO 2 + 3H 2 O
Реакции с золотом, магнием, медью и серебром
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 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
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 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 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, 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.
Рис. 97. Воспламенение скипидара в азотной кислоте
Чистая - бесцветная жидкость уд. веса 1,53, кипящая при 86°, а при -41° застывающая в прозрачную кристаллическую массу. На воздухе она, подобно концентрированной соляной кислоте, «дымит», так как пары ее образуют с влагой воздуха мелкие капельки тумана.
С водой смешивается в любом отношении, причем 68%-ный раствор кипит при 120,5° и перегоняется без изменения. Такой состав имеет обыкновенная продажная уд. веса 1,4. Концентрированная кислота, содержащая 96-98% HNO 3 и окрашенная растворенной в ней двуокисью азота в красно-бурый цвет, известна под названием дымящей азотной кислоты.
Азотная кислота не отличается особенной химической прочностью. Уже под влиянием света она постепенно разлагается на воду, и двуокись азота:
4HNO 3 = 2Н 2 O + 4NO 2 + O 2
Чем выше температура и чем концентрированнее кислота, тем быстрее идет разложение. Поэтому получаемая из селитры азотная кислота всегда бывает окрашена двуокисью азота в желтоватый цвет. Чтобы избежать разложения, перегонку ведут под уменьшенным давлением, под которым азотная кислота закипает при температуре, близкой к 20°.
Азотная кислота принадлежит к числу наиболее сильных кислот; в разбавленных растворах она сполна распадается на ионы Н и NO3′.
Самым характерным свойством азотной кислоты является ее ярко выраженная окислительная способность. Азотная кислота - один из энергичнейших окислителей. Многие металлоиды легко окисляются ею, превращаясь в соответствующие кислоты. Так, например, при кипячении с азотной кислотой постепенно окисляется в серную кислоту, - в фосфорную и т. д. Тлеющий уголек, погруженный в концентрированную азотную кислоту, не только не гаснет, но ярко разгорается, разлагая кислоту с образованием красно-бурой двуокиси азота.
Иногда при окислении выделяется так много тепла, что окисляющееся вещество само собой загорается без предварительного подогревания.
Нальем, например, в фарфоровую чашку немного дымящей азотной кислоты, поставим чашку на дно широкого стакана и, набрав в пипетку скипидара, будем по каплям пускать его в чашку с кислотой. Каждая капля, попадая в кислоту, воспламеняется и сгорает, образуя большое пламя и облако копоти (рис. 97). Нагретые древесные опилки также загораются от капли дымящей азотной кислоты. Азотная кислота действует почти на все , за исключением золота, платины и некоторых редких металлов, превращая их в азотнокислые соли. Так как последние растворимы в воде, азотной кислотой постоянно пользуются на практике для растворения металлов, особенно таких, как , на которые другие кислоты не действуют или действуют очень медленно.
Замечательно, что, как нашел еще М В, некоторые ( , и др.), легко растворяющиеся в разбавленной азотной кислоте, не растворяются в холодной концентрированной азотной кислоте. По видимому, это происходит вследствие образования на их поверхности тонкого, очень плотного слоя окисла, защищающего металл от дальнейшего действия кислоты. Такие после обработки их концентрированной азотной кислотой становятся «пассивными», т. е. утрачивают способность растворяться также и в разбавленных кислотах.
Окислительные свойства азотной кислоты обусловливаются неустойчивостью ее молекул и присутствием в них азота в его высшем состоянии окисления, отвечающем положительной валентности, равной 5. Производя окисление, азотная кислота последовательно восстанавливается в следующие соединения:
HNO 3 →NO 2 →HNO 2 →NO→N 2 O→N 2 →NH 3
Степень восстановления азотной кислоты зависит как от ее концентрации, так и от % активности восстановителя. Чем более кислота разбавлена, тем сильнее она восстанавливается. Концентрированная азотная кислота всегда восстанавливается до NO 2 . Разбавленная азотная кислота восстанавливается обычно до NO или при действии более активных металлов, как, например, Fe, Zn, Mg, - до N 2 O. Если же кислота очень разбавлена, главным продуктом восстановления является NH 3 , образующий с избытком кислоты аммонийную соль NH 4 NO 3 .
Для иллюстрации приведем схемы нескольких реакций окисления при помощи азотной кислоты;
1)Pb + HNO 3 → Pb(NO 3) 2 + NO 2 + Н 2 O
2)Сu + HNO 3 → Cu(NO 3) 2 + NO + H 2 O
разбавл,
3) Mg + HNO 3 → Mg(NO 3) 2 + N 2 O + H 2 O
разбавл,
4)Zn + HNO 3 → Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + H 2 O
очень разбавл.
Следует отметить, что при действии разбавленной азотной кислоты на металлы , как правило, не выделяется.
При окислении металлоидов азотная кислота обычно восстанавливается до NO.Например:
S + 2HNO 3 = H 2 SO 4 +2NO
Приведенные выше схемы иллюстрируют наиболее типичные случаи окислительного действия азотной кислоты. Вообще же
необходимо заметить, что все реакции окисления, идущие с уча-стием азотной кислоты, протекают очень сложно вследствие одновременного образования различных продуктов восстановления и до сих пор не могут считаться вполне выясненными.
Смесь, состоящая из 1 объема азотной и 3 объемов соляной кислоты, называется царской водкой. Царская водка растворяет некоторые металлы, не растворяющиеся в азотной кислоте, в том числе и «царя металлов» - . Действие ее объясняется тем, что азотная кислота окисляет соляную кислоту с выделением свободного хлора и образованием хлористого ни-трозила NOCl:
HNO 3 + 3HCl = Сl 2 + 2Н 2 O + NOCl
Хлористый нитрозил является промежуточным продуктом реакции и разлагается на окись азота и :
2NOCl = 2NO + Сl 2
Выделяющийся соединяется с металлами, образуя металлов, поэтому при растворении металлов в царской водке получаются соли соляной, а не азотной кислоты:
Au + 3HCl+ HNO 3 = AuCl 3 +NO + 2H 2 O
На многие органические азотная кислота действует таким образом, что один или несколько атомов водорода в молекуле органического соединения замещаются нитрогруппами - NO 2 . Этот процесс, получивший название нитрования, играет чрезвычайно важную роль в органической химии.
При действии на азотную кислоту фосфорного ангидрида последний отнимает от азотной кислоты элементы воды и в результате образуются азотный ангидрид и метафосфорная кислота.
2HNO 3 + P 2 O 5 = N 2 O 5 + 2HPO 3
Азотная кислота является самым важным соединением азота благодаря разнообразному применению, которое она находит в народном хозяйстве.
В больших количествах азотная кислота расходуется в производстве азотных удобрений и органических красителей. Она применяется как окислитель во многих химических процессах, используется в производстве серной кислоты по нитрозному способу, служит для растворения металлов, для получения нитратов, применяется для изготовления целлюлозных лаков, кинопленки и в ряде других химических производств. Азотная кислота идет также на изготовление бездымного пороха и взрывчатых веществ, необходимых для обороны страны и широко используемых в горнорудном деле и при различных земляных работах (строительство каналов, плотин и т. п.).
