Разбавленная азотная кислота строение и свойства. Азотная кислота химические и физические свойства азотная кислота химический справочник
Азотная кислота (HNO 3), -- сильная одноосновная кислота. Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации с моноклинной 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).
Азот в азотной кислоте четырёхвалентен, степень окисления +5. Азотная кислота -- бесцветная газ, не имеет запаха, 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, в = 90°, Z = 16;
- · ромбическая
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/смі, с -- массовая доля кислоты. Данная формула плохо описывает поведение плотности при концентрации более 97 %.
Под действием света азотная кислота частично разлагается с выделением NО 2 и за cчет этого приобретает светло-бурый цвет:
N 2 + O 2 грозовые эл.разряды > 2NO
- 2NO + O 2 > 2NO 2
- 4НNО 3 свет > 4NО 2 ^(бурый газ) + 2Н 2 О + О 2
Азотная кислота высокой концентрации выделяет на воздухе газы, которые в закрытой бутылке обнаруживаются в виде коричневых паров (оксиды азота). Эти газы очень ядовиты, так что нужно остерегаться их вдыхания. Азотная кислота окисляет многие органические вещества. Бумага и ткани разрушаются вследствие окисления образующих эти материалы веществ. Концентрированная азотная кислота вызывает сильные ожоги при длительном контакте и пожелтение кожи на несколько дней при кратком контакте. Пожелтение кожи свидетельствует о разрушении белка и выделении серы (качественная реакция на концентрированную азотную кислоту - жёлтое окрашивание из-за выделения элементной серы при действии кислоты на белок - ксантопротеиновая реакция). То есть - это ожог кожи. Чтобы предотвратить ожог, следует работать с концентрированной азотной кислотой в резиновых перчатках.
Опытным путём доказано, что в молекуле азотной кислоты между двумя атомами кислорода и атомом азота две химические связи абсолютно одинаковые – полуторные связи. Степень окисления азота +5, а валентность равна IV .
Физические свойства
Азотная кислота HNO 3 в чистом виде - бесцветная жидкость с резким удушливым запахом, неограниченно растворимая в воде; t°пл.= -41°C; t°кип.= 82,6°С, r = 1,52 г/см 3 . В небольших количествах она образуется при грозовых разрядах и присутствует в дождевой воде.
Под действием света азотная кислота частично разлагается с выделением N О 2 и за c чет этого приобретает светло-бурый цвет:
N 2 + O 2 грозовые эл . разряды → 2NO
2NO + O 2 → 2NO 2
4Н N О 3 свет → 4 N О 2 (бурый газ) + 2Н 2 О + О 2
Азотная кислота высокой концентрации выделяет на воздухе газы, которые в закрытой бутылке обнаруживаются в виде коричневых паров (оксиды азота). Эти газы очень ядовиты, так что нужно остерегаться их вдыхания. Азотная кислота окисляет многие органические вещества. Бумага и ткани разрушаются вследствие окисления образующих эти материалы веществ. Концентрированная азотная кислота вызывает сильные ожоги при длительном контакте и пожелтение кожи на несколько дней при кратком контакте. Пожелтение кожи свидетельствует о разрушении белка и выделении серы (качественная реакция на концентрированную азотную кислоту – жёлтое окрашивание из-за выделения элементной серы при действии кислоты на белок – ксантопротеиновая реакция). То есть – это ожог кожи. Чтобы предотвратить ожог, следует работать с концентрированной азотной кислотой в резиновых перчатках.
Получение
1. Лабораторный способ
KNO 3 + H 2 SO 4 (конц) → KHSO 4 + HNO 3 (при нагревании)
2. Промышленный способ
Осуществляется в три этапа :
a) Окисление аммиака на платиновом катализаторе до NO
4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O (Условия: катализатор – Pt , t = 500˚С)
б) Окисление кислородом воздуха NO до NO 2
2NO + O 2 → 2NO 2
в) Поглощение NO 2 водой в присутствии избытка кислорода
4NO 2 + О 2 + 2H 2 O ↔ 4HNO 3
или3 NO 2 + H 2 O ↔ 2 HNO 3 + NO (без избытка кислорода)
Тренажёр "Получение азотной кислоты"
Применение
- в производстве минеральных удобрений;
- в военной промышленности;
- в фотографии - подкисление некоторых тонирующих растворов;
- в станковой графике - для травления печатных форм (офортных досок, цинкографических типографских форм и магниевых клише).
- в производстве взрывчатых и отравляющих веществ
Вопросы для контроля:
№1. Степень окисления атома азота в молекуле азотной кислоты
a. +4
b. +3
c. +5
d. +2
№2. Атом азота в молекуле азотной кислоты имеет валентность равную -
a. II
b. V
c. IV
d. III
№3. Какими физическими свойствами характеризуют чистую азотную кислоту?
a. без цвета
b. не имеет запаха
c. имеет резкий раздражающий запах
d. дымящая жидкость
e. окрашена в жёлтый цвет
№4. Установите соответствие между исходными веществами и продуктами реакции:
|
a) NH 3 + O 2 |
1) NO 2 |
|
b) KNO 3 + H 2 SO 4 |
2) NO 2 + О 2 + H 2 O |
|
c) HNO 3 |
3) NO + H 2 O |
|
d) NO + O 2 |
4)KHSO 4 + HNO 3 |
№5. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, покажите переход электронов, укажите процессы окисления (восстановления; окислитель (восстановитель):
NO 2 + О 2 + H 2 O ↔ HNO 3
Азотная кислота – сильная кислота. Представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом. В небольших количествах образуется при грозовых разрядах и присутствует в дождевой воде.
Под действием света она частично разлагается:
4 HNO 3 = 4 NO 2 + 2 H 2 O + O 2
Азотную кислоту в промышленности получают в три стадии. На первой стадии происходит контактное окисление аммиака до оксида азота (П):
4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O
На второй стадии происходит окисление оксида азота (П) до оксида азота (IV) кислородом воздуха:
2NO + O 2 = 2NO 2
На третьей стадии оксид азота (IV) поглощается водой в присутствии O 2:
4NO 2 + 2H 2 O + O 2 = 4HNO 3
В результате получается 60-62% -ная азотная кислота. В лаборатории её получают действием концентрированной азотной кислоты на нитраты при слабом нагревании:
NaNO 3 + H2SO 4 = NaHSO 4 + HNO 3
Молекула азотной кислоты имеет плоское строение. В ней имеется четыре связи с атомом азота:
Однако два атома кислорода равноценны, так как между ними четвёртая связь атома азота делится поровну, а перешедший от него электрон принадлежит им в равной степени. Таким образом, формулу азотной кислоты можно представить в виде:
Азотная кислота является одноосновной кислотой, образует только средние соли – нитраты. Азотная кислота проявляет все свойства кислот: реагирует с оксидами металлов, гидроксидами, солями:
2HNO 3 + CuO = Cu(NO 3) 2 + H 2 O
2HNO 3 + Ba(OH) 2 = Ba(NO 3) 2 + 2H 2 O
2HNO 3 + CaCO 3 = Ca(NO 3) 2 + CO 2 + H 2 O
Концентрированная азотная кислота реагирует со всеми металлами (кроме золота, платины, палладия) с образованием нитратов, оксида азота (+4). воды:
Zn + 4HNO 3 = Zn(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Формально концентрированная азотная кислота не реагирует с железом, алюминием, свинцом, оловом, но на их поверхности она образует оксидную плёнку, предохраняющую растворение общей массы металла:
2Al + 6HNO 3 = Al 2 O 3 + 6NO 2 + 3H 2 O
В зависимости от степени разбавленности, азотная кислота образует следующие продукты реакции:
3Mg + 8HNO 3 (30%) = 3Zn(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
4Mg + 10HNO 3 (20%) = 4Zn(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O
Сильно разбавленная азотная кислота с активными металлами образует соединения азота (-3), по сути: аммиак, но вследствие избытка азотной кислоты он образует нитрат аммония:
4Ca + 10HNO 3 = 4Ca(NO 3) 2 + NH4NO 3 + 3H 2 O
Активные металлы с сильно 
разбавленной кислотой на холоде могут образовывать азот:
5Zn + 12HNO 3 = 5Zn(NO 3) 2 + N 2 + 6H 2 O
Металлы: золото, платина, палладий реагируют с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной соляной кислоты:
Au + 3HCl + HNO 3 = AuCl3 + NO + 2H 2 O
Азотная кислота, как сильный окислитель, окисляет простые вещества – неметаллы:
6HNO 3 + S = H 2 SO 4 + 6NO 2 + 2H 2 O
2HNO 3 + S = H 2 SO 4 + 2NO
5HNO 3 + P = H 3 PO 4 + 5NO 2 + H 2 O
Кремний окисляется азотной кислотой до оксида:
4HNO 3 + 3Si = 3SiO 2 + 4NO + 2H 2 O
В присутствии фтористоводородной кислоты азотная кислота растворяет кремний:
4HNO 3 + 12HF + 3Si = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O
Азотная кислота способна окислять сильные кислоты:
HNO 3 + 3HCl = Cl 2 + NOCl + 2H 2 O
Азотная кислота способна окислять как слабые кислоты, так и сложные вещества:
6HNO 3 + HJ = HJO 3 + NO 2 + 3H 2 O
FeS + 10HNO 3 = Fe(NO 3) 2 + SO 2 + 7NO 2 + 5H 2 O
Соли азотной кислоты – нитраты хорошо растворимы в воде. Соли щелочных металлов и аммония называются селитрами . Нитраты обладают менее сильной окислительной активностью, однако в присутствии кислот могут растворять даже неактивные металлы:
3Cu + 2KNO 3 + 4H 2 SO 4 = 3CuSO 4 + K 2 SO 4 + 2NO + 4H 2 O
Нитраты в кислой среде окисляют соли металлов с меньшей валентностью до их солей с высшей валентностью:
3FeCl 2 + KNO 3 + 4HCl = 3FeCl 3 + KCl + NO + 2H 2 O
Характерной особенностью нитратов является образование кислорода при их разложении. При этом продукты реакции могут быть различны и зависеть от положения металла в ряду активности. Нитраты первой группы (от лития до алюминия) разлагаются с образованием нитритов и кислорода:
2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2
Нитраты второй группы (от алюминия до меди) разлагаются с образованием оксида металла, кислорода и оксида азота (IV):
2Zn(NO 3)2 = 2ZnO + 4NO2 + O 2
Нитраты третьей группы (после меди) разлагаются на металл, кислород и оксид азота (IV):
Hg(NO 3) 2 = Hg + 2NO 2 + O 2
Нитрат аммония при разложении не образует кислород:
NH 4 NO 3 = N 2 O+ 2H 2 O
Сама же азотная кислота разлагается по механизму нитратов второй группы:
4HNO 3 = 4NO 2 + 2H 2 O + O 2
Если у Вас есть вопросы, приглашаю Вас на свои уроки химии. Записывайтесь в расписании на сайте .
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Одноосновная сильная кислота, представляющая собой в стандартных условиях бесцветную жидкость, которая при хранении желтеет, может находиться в твердом состоянии, характеризующемся двумя кристаллическими модификациями (моноклинная или ромбическая решетки), при температурах ниже минус 41,6 оС. Это вещество с химической формулой — HNO3 — называется азотная кислота. Имеет молярную массу 63,0 г/моль, а ее плотность соответствует 1,51 г/см³. Температура кипения кислоты равняется 82,6 оС, процесс сопровождается разложением (частичным): 4HNO3 → 2H2O + 4NO2 + O2. Раствор кислоты с массовой долей основного вещества, равной 68 % кипит при температуре 121 оС. чистого вещества соответствует 1,397. Кислота способна смешиваться с водой в любых соотношениях и, являясь сильным электролитом, почти полностью распадаться на ионы H+ и NO3-. Твердые формы — тригидрат и моногидрат имеют формулы: HNO3 . 3H2O и HNO3 . H2O соответственно.
Азотная кислота — коррозионно активное, токсическое вещество и сильный окислитель. Со средних веков известно такое название, как «сильная вода» (Aqua fortis). Алхимики, открывшие кислоту в 13 веке, дали такое название, убедившись в ее необычайных свойствах (разъедала все металлы, кроме золота), превосходящих в миллион раз силу уксусной кислоты, которую в те времена считали самой активной. Но еще через три столетия было установлено, что разъедать, даже золото, может смесь таких кислот, как азотная и соляная в объемном соотношении 1:3, которую по этой причине и назвали «царская водка». Появление желтого оттенка при хранении объясняется накоплением в ней окислов азота. В продаже кислота чаще бывает с концентрацией 68 %, а при содержании основного вещества более 89 % ее называют «дымящей».
Химические свойства азотной кислоты отличают ее от разбавленной серной или соляной кислот тем, что HNO3 более сильный окислитель, поэтому никогда не выделяется водород в реакциях с металлами. Благодаря окислительным свойствам она реагирует также с многими неметаллами. И в том, и другом случае всегда образуется диоксид азота NO2. В окислительно-восстановительных реакциях восстановление азота происходит до различной степени: HNO3, NO2, N2O3, NO, N2O, N2, NH3, что определяется концентрацией кислоты и активностью металла. В молекулах образующихся соединений содержится азот со степенью окисления: +5, +4, +3, +2, +1, 0, +3 соответственно. Например, медь окисляется концентрированной кислотой до нитрата меди (II): Cu + 4HNO3 → 2NO2 + Cu(NO3)2 + 2H2O, а фосфор — до метафосфорной кислоты: P + 5HNO3 → 5NO2 + HPO3 + 2H2O.
Иначе взаимодействует разбавленная азотная кислота с неметаллами. На примере реакции с фосфором: 3P + 5HNO3 +2H2O → 3H3PO4 + 5NO видно, что азот восстанавливается до двухвалентного состояния. В результате образуется монооксид азота, а фосфор окисляется до Концентрированная азотная кислота в смеси с соляной кислотой растворяет золото: Au + 4HCl + HNO3 → NO + H + 2H2O и платину: 3Pt + 18HCl + 4HNO3 → 4NO +3H2 + 8H2O. В этих реакциях на начальном этапе соляная кислота окисляется азотной с выделением хлора, а затем металлы образуют комплексные хлориды.
Азотная кислота в промышленных масштабах получается тремя основными способами:
- Первый — взаимодействием солей с серной кислотой: H2SO4 + NaNO3 → HNO3 + NaHSO4. Раньше это способ был единственным, но, с появлением других технологий, в настоящее время его используют в лабораторных условиях для получения дымящей кислоты.
- Второй — это дуговой способ. При продувании воздуха через с температурой от 3000 до 3500 оС, часть азота воздуха реагирует с кислородом, при этом образуется монооксид азота: N2 + O2 → 2NO, который после охлаждения окисляется до диоксида азота (при высокой температуре монооксид с кислородом не взаимодействует): O2 + 2NO → 2NO2. Затем, практически, весь диоксид азота, при избытке кислорода, растворяется в воде: 2H2O +4NO2 + O2 → 4HNO3.
- Третий — это аммиачный способ. Аммиак окисляется на платиновом катализаторе до монооксида азота: 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O. Образовавшиеся нитрозные газы охлаждаются, и образуется диоксид азота, который поглощается водой. Этим способом получают кислоту с концентрацией от 60 до 62 %.
Азотная кислота в промышленности широко применяется для получения лекарств, красителей, азотных удобрений и солей азотной кислоты. Кроме того, она используется для растворения металлов (например, медь, свинец, серебро), которые не реагируют с другими кислотами. В ювелирном деле используется для определения золота в сплаве (это способ является основным).
Независимо от концентрации окислителем в азотной кислоте являются нитратионы NO, содержащие азот в степени окисления +5. Поэтому при взаимодействии металлов с азотной кислотой водород не выделяется. Азотная кислота окисляет все металлы за исключением самых неактивных (благородных). При этом образуются соль, вода и продукты восстановления азота (+5): NH−3 4 NO 3 , N 2 , N 2 O, NO, НNО 2 , NO 2 . Свободный аммиак не выделяется, так как он взаимодействует с азотной ки-слотой, образуя нитрат аммония:
NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3
При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой (30–60 % HNO 3) продуктом восстановления HNO 3 является преимущественно оксид азота (IV), независимо от природы металла, например:
Mg + 4HNO 3 (конц.) = Mg(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Zn + 4HNO 3 (конц.) = Zn(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Hg + 4HNO 3 (конц.) = Hg(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Металлы переменной валентности при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой окисляются до высшей степени окисления. При этом те металлы, которые окисляются до степени окисления +4 и выше, образуют кислоты или оксиды. Например:
Sn + 4HNO 3 (конц.) = H 2 SnO 3 + 4NO 2 + H 2 O
2Sb + 10HNO 3 (конц.) = Sb 2 O 5 + 10NO 2 + 5H 2 O
Мо + 6HNO 3 (конц.) = H 2 МоO 4 + 6NO 2 + 2H 2 O
В концентрированной азотной кислоте пассивируются алюминий, хром, железо, никель, кобальт, титан и некоторые другие металлы. После обработки азотной кислотой эти металлы не взаимодействуют и с другими кислотами.
При взаимодействии металлов с разбавленной азотной кислотой продукт её восстановления зависит от восстановительных свойств металла: чем активнее металл, тем в большей степени восстанавливается азотная кислота.
Активные металлы восстанавливают разбавленную азотную кислоту максимально, т.е. образуются соль, вода и NH 4 NO 3 , например:
8K + 10HNO 3 (разб.) = 8КNO 3 + NН 4 NO 3 + 3H 2 O
Металлы средней активности при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуют соль, воду и азот или N 2 O. Чем левее металл в этом интервале (чем ближе к алюминию), тем вероятнее образование азота, например:
5Мn + 12HNO 3 (разб.) = 5Mn(NO 3) 2 + N 2 + 6H 2 O
4Cd + 10HNO 3 (разб.) = 4Cd(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O
Малоактивные металлы при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуют соль, воду и оксид азота (II), например:
3Сu + 8HNO 3 (разб.) = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
Но уравнения реакций в данных примерах условны, так как в действительности получается смесь соединений азота, причем, чем выше активность металла и ниже концентрация кислоты, тем ниже степень окисления азота в том продукте, которого образуется больше других.
6. Взаимодействие металлов с «царской водкой»
«Царской водкой» называется смесь концентрированных азотной и соляной кислот. Она применяется для окисления и перевода в растворимое состояние золота, платины и других благородных металлов.
Соляная кислота в царской водке затрачивается на образование комплексного соединения окисленного металла. Из сравнения полуракций 29 и 30 с полуреакциями 31–32 (табл. 1) видно, что при образовании комплексных соединений золота и платины окислительно-восстановительный потенциал уменьшается, что делает возможным их окисление азотной кислотой. Уравнения реакций золота и платины с «царской водкой» записываются так:
Au + HNO 3 + 4HCl = H + NO + 2H 2 O
3Pt + 4HNO 3 + 18HCl = 3H 2 + 4NO + 8H 2 O
С «царской водкой» не взаимодействуют три металла: вольфрам, ниобий и тантал. Их окисляют смесью концентрированной азотной кислоты с фтороводородной, так как фтороводородная кислота образует более прочные комплексные соединения, чем соляная. Уравнения реакций при этом таковы:
W + 2HNO 3 + 8HF = H 2 + 2NO + 4H 2 O
3Nb + 5HNO 3 + 21HF = 3H 2 + 5NO + 10H 2 O
3Ta + 5HNO 3 + 24HF = 3H 3 + 5NO + 10H 2 O
В некоторых учебных пособиях встречается другое объяснение взаимодействия благородных металлов с «царской водкой». Считают, что в этой смеси между HNO 3 и HCl происходит катализируемая благо-родными металлами реакция, в которой азотная кислота окисляет соляную по уравнению:
HNO 3 + 3HCl = NOCl + 2H 2 O
Хлорид нитрозила NOCl непрочен и разлагается по уравнению:
NOCl = NO + Cl(атомарный)
Таким образом, окислителем металла является атомарный (т.е. очень активный) хлор в момент выделения. Поэтому продуктами взаимодействия царской водки с металлами являются соль (хлорид), вода и оксид азота (II):
Au + HNO 3 + 3HCl = AuCl 3 + NO + 2H 2 O
3Pt + 4HNO 3 + 12HCl = 3PtCl 4 + 4NO + 8H 2 O,
а комплексные соединения образуются при последующих реакциях:
HCl + AuCl 3 = H; 2HCl + PtCl 4 = H 2
