Какие продукты образуются при взаимодействии азотной кислоты с металлами
Азотная кислота является одной из самых сильных минеральных кислот, в концентрированном виде выделяет пары
желтого цвета с резким запахом. За исключением золота и платины растворяет все металлы.
Применяют азотную кислоту для получения красителей, удобрений, органических нитропродуктов, серной и фосфорной
кислот. В результате ожога азотной кислотой образуется сухой струп желто-зеленого цвета.
Получение
В промышленности азотную кислоту получают в результате окисления аммиака на платино-родиевых катализаторах.
NH3 + O2 → (кат. Pt) NO + H2O
NO + O2 → NO2
NO2 + H2O + O2 → HNO3
Чистая азотная кислота впервые была получена действием на селитру концентрированной серной кислоты:
KNO3 + H2SO4(конц.) → KHSO4 + HNO3↑
Химические свойства
- Кислотные свойства
- Термическое разложение
- Реакции с неметаллами
- Реакции с металлами
Является одноосновной сильной кислотой, вступает в реакции с основными оксидами, основаниями. С солями реагирует при условии
выпадения осадка, выделения газа или образования слабого электролита.
CaO + HNO3 → Ca(NO3)2 + H2O
HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O
Na2CO3 + HNO3 → NaNO3 + H2O + CO2↑
При нагревании азотная кислота распадается. На свету (hv) также происходит подобная реакция, поэтому азотную кислоту следует хранить в
темном месте.
HNO3 → (hv) NO2 + H2O + O2
Азотная кислота способна окислить все неметаллы, при этом, если кислота концентрированная, азот обычно восстанавливается до NO2,
если разбавленная – до NO.
HNO3(конц.) + C → CO2 + H2O + NO2
HNO3(конц.) + S → H2SO4 + NO2 + H2O
HNO3(разб.) + S → H2SO4 + NO + H2O
HNO3(конц.) + P → H3PO4 + NO2 + H2O
В любой концентрации азотная кислота проявляет свойства окислителя, при этом азот восстанавливается до степени окисления от +5 до -3. На какой
именно степени окисления остановится азот, зависит от активности металла и концентрации азотной кислоты.
Для малоактивных металлов (стоящих в ряду напряжений после водорода) реакция с концентрированной азотной кислотой происходит с образованием
нитрата и преимущественно NO2.
Cu + HNO3(конц.) → Cu(NO3)2 + NO2 + H2O
С разбавленной азотной кислотой газообразным продуктом преимущественно является NO.
Cu + HNO3(разб.) → Cu(NO3)2 + NO + H2O
В реакциях с металлами, стоящими левее водорода в ряду напряжений, возможны самые разные газообразные (и не газообразные) продукты: бурый газ NO2,
NO, N2O, атмосферный газ N2, NH4NO3.
Помните о закономерности: чем более разбавлена кислота и активен металл, тем сильнее восстанавливается азот. Ниже представлены реакции цинка
с азотной кислотой в различных концентрациях.
Zn + HNO3(70% – конц.) → Zn(NO3)2 + NO2 + H2O
Zn + HNO3(35% – ср. конц.) → Zn(NO3)2 + NO + H2O
Zn + HNO3(20% – разб.) → Zn(NO3)2 + N2O + H2O
Zn + HNO3(10% – оч. разб.) → Zn(NO3)2 + N2 + H2O
Zn + HNO3(3% – оч. разб.) → Zn(NO3)2 + NH4NO3 + H2O
Посмотрите на таблицу ниже, в которой также отражены изученные нами закономерности.
Концентрированная холодная азотная кислота пассивирует хром, железо, алюминий, никель, свинец и бериллий. Это происходит
за счет оксидной пленки, которой покрыты данные металлы.
Al + HNO3(конц.) ⇸ (реакция не идет)
При нагревании или амальгамировании (покрытие ртутью) перечисленных металлов реакция с азотной кислотой идет, так
как оксидная пленка на поверхности металлов разрушается.
Al + HNO3 → (t) Al2O3 + NO2 + H2O
Соли азотной кислоты – нитраты NO3-
Получение
Получают нитраты в ходе реакции азотной кислоты с металлами, их оксидами и основаниями.
Fe + HNO3(разб.) → Fe(NO3)2 + NH4NO3 + H2O
В реакциях с оксидами и основаниями газообразный продукт обычно не выделяется.
MgO + HNO3 → Mg(NO3)2 + H2O
Cr(OH)3 + HNO3 → Cr(NO3)3 + H2O
Нитрат аммония получают реакция аммиака с азотной кислотой.
NH3 + HNO3 → NH4NO3
Обратите внимание на следующую закономерность: концентрированная азотная кислота, как правило, окисляет железо и хром до +3. Разбавленная
кислота – до +2.
Fe + HNO3(разб.) → Fe(NO3)2 + NH4NO3 + H2O
Fe + HNO3(конц.) → Fe(NO3)3 + NO + H2O
Химические свойства
- Реакции с металлами, основаниями и кислотами
- Разложение нитратов
Как и для всех солей, из нитратов можно вытеснить металл другим более активным. Соли реагируют с основаниями и кислотами, если в результате
реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (вода).
Hg(NO3)2 + Mg → Mg(NO3)2 + Hg
Pb(NO3)2 + LiOH → Pb(OH)2 + LiNO3
AgNO3 + KCl → AgCl↓ + KNO3
Ba(NO3)2 + Na2SO4 → BaSO4 + NaNO3
Нитраты разлагаются в зависимости от активности металла, входящего в их состав.
Pb(NO3)2 → (t) PbO + NO2 + O2
NaNO3 → (t) NaNO2 + O2
Cu(NO3)2 → (t) CuO + NO2 + O2
PtNO3 → (t) Pt + NO2 + O2
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Азотная
кислота – сильный окислитель
N+5
→ N+4→ N+2→ N+1→ No →N-3
N+5
+ 8e–→N-3
окислитель, восстанавливается
1.
Разлагается на свету и при нагревании
4HNO3 t˚C→ 2H2O + 4NO2
+ O2
Образуется бурый газ
2.
Окрашивает белки в оранжево-желтый цвет (при попадании на кожу рук –
“ксантопротеиновая реакция”)
3.
Реагирует с металлами.
В зависимости от концентрации кислоты и
положения металла в электрохимическом ряду напряжений Н. Бекетова могут
образовываться разные азотсодержащие продукты.
При взаимодействии с металлами никогда
не выделяется водород
HNO3 + Me = соль + H2O + Х
Щелочные и щелочноземельные | Fe, Cr, Al, | Металлы до водорода | Металлы после водорода (Cu и др) | Благородные Au, Pt, Os, Ir, Ta | |
HNO3 | N2O | пассивация (при обычных условиях); NO2 (при нагревании) | NO2 | NO2 | Нет реакции |
HNO3 | NH3, | Основной NO, но в зависимости от | NO | ||
Таблица. Продукты реакции взаимодействия азотной
кислоты с металлами
Взаимодействие меди с азотной
кислотой
Упрощенная
схема
«Продукты реакции взаимодействия азотной
кислоты с металлами»
Царская водка: V(HNO3)
: V(HCl) = 1 : 3 растворяет
благородные металлы.
HNO3 + 4HCl + Au
= H[AuCl4]
+ NO + 2H2O
4HNO3 + 18HCl + 3Pt = 3H2[PtCl6] + 4NO
+ 8H2O
4.
Реагирует с неметаллами.
Азотная кислота превращается в NO (или в
NO2); неметаллы окисляются до соответствующих кислот:
Видео “Взаимодействие азотной кислоты с углем”
S0 + 6HNO3(конц) → H2S+6O4 + 6NO2 + 2H2O
B0 + 3HNO3 → H3B+3O3
+ 3NO2
3P0 + 5HNO3 + 2H2O → 5NO + 3H3P+5O4
HNO3 (конц.)
+ неметалл = окисление неметалла до кислоты в высшей степени окисления + NO2 +
вода
HNO3(разбав.) + неметалл +
вода = окисление неметалла до кислоты в высшей степени окисления + NO
ВИДЕО – ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Видео – Эксперимент ” Индикаторы в
азотной кислоте”
Видео – Эксперимент “Действие
азотной кислоты на белки”
Видео – Эксперимент “Действие
азотной кислоты на бумагу и солому”
Видео – Эксперимент “Взаимодействие
меди с азотной кислотой”
Видео – Эксперимент “Свойства
азотной кислоты”
Видео – Эксперимент “Взаимодействие
азотной кислоты с металлами”
Видео – Эксперимент “Взаимодействие
безводной азотной кислоты с белым фосфором”
Видео – Эксперимент “Взаимодействие
безводной азотной кислоты с углем”
Видео – Эксперимент “Взаимодействие
безводной азотной кислоты со скипидаром”
Видео – Эксперимент “Окислительные
свойства азотной кислоты”
Тренажёр “Взаимодействие азотной
кислоты с металлами”
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
№1. Осуществите
превращения по схеме, назовите вещества, для УХР со * составить ОВ баланс, а
для** разбор РИО:
NH4Cl**→ NH3* → N2 → NO → NO2
→ HNO3 → NO2
№2. Осуществить превращения по схеме
(внимательно посмотрите, куда направлены стрелки):
Соль аммония←Аммиак←Нитрид Лития ←Азот →
Оксид азота (II)←Азотная кислота
Для ОВР составить е-баланс, для РИО
полные, ионные уравнения.
№3. Напишите уравнения реакций взаимодействия
азотной кислоты со следующими веществами в молекулярном и ионном виде:
a) Al2O3
б) Ba(OH)2
в) Na2S
№4. Запишите уравнения, составьте
электронный баланс, укажите процессы окисления и восстановления, окислитель и
восстановитель:
А) Сa + HNO3 (конц.)
Б) Сa + HNO3 (paзбавл.)
№5. Осуществите переход по ссылке,
изучите информацию на странице и посмотрите видео , нажмите “посмотреть
опыт”.
Напишите в молекулярном и ионном виде уравнения реакций, с помощью которых
можно различить азотную, серную и соляную кислоту.
Это интересно:
“Фотохимический смог”
Источник
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−34NO3, N2, N2O, NO, НNО2, NO2. Свободный аммиак не выделяется, так как он взаимодействует с азотной ки-слотой, образуя нитрат аммония:
NH3 + HNO3 = NH4NO3
При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой (30–60 % HNO3) продуктом восстановления HNO3 является преимущественно оксид азота (IV), независимо от природы металла, например:
Mg + 4HNO3(конц.) = Mg(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Zn + 4HNO3(конц.) = Zn(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Hg + 4HNO3(конц.) = Hg(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
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 + 4HNO3(конц.) = H2SnO3 + 4NO2↑ + H2O
2Sb + 10HNO3(конц.) = Sb2O5 + 10NO2↑ + 5H2O
Мо + 6HNO3(конц.) = H2МоO4 + 6NO2↑ + 2H2O
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 NH4NO3, например:
8K + 10HNO3(разб.) = 8КNO3 + NН4NO3 + 3H2O
Металлы средней активности при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуют соль, воду и азот или N2O. Чем левее металл в этом интервале (чем ближе к алюминию), тем вероятнее образование азота, например:
5Мn + 12HNO3(разб.) = 5Mn(NO3)2 + N2↑ + 6H2O
4Cd + 10HNO3(разб.) = 4Cd(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O
Малоактивные металлы при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуют соль, воду и оксид азота (II), например:
3Сu + 8HNO3(разб.) = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O
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 + HNO3 + 4HCl = H[AuCl4] + NO↑ + 2H2O
3Pt + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[PtCl6] + 4NO↑ + 8H2O
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 + 2HNO3 + 8HF = H2[WF8] + 2NO↑ + 4H2O
3Nb + 5HNO3 + 21HF = 3H2[NbF7] + 5NO↑ + 10H2O
3Ta + 5HNO3 + 24HF = 3H3[TaF8] + 5NO↑ + 10H2O
В некоторых учебных пособиях встречается другое объяснение взаимодействия благородных металлов с «царской водкой». Считают, что в этой смеси между HNO3 и HCl происходит катализируемая благо-родными металлами реакция, в которой азотная кислота окисляет соляную по уравнению:
HNO3 + 3HCl = NOCl + 2H2O
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 + HNO3 + 3HCl = AuCl3 + NO↑ + 2H2O
3Pt + 4HNO3 + 12HCl = 3PtCl4 + 4NO↑ + 8H2O,
а комплексные соединения образуются при последующих реакциях:
HCl + AuCl3 = H[AuCl4]; 2HCl + PtCl4 = H2[PtCl6]
Источник
Концентрированная серная кислота
В концентрированном растворе серной кислоты (выше 68%) большинство молекул находятся в недиссоциированном состоянии, поэтому функцию окислителя выполняет сера, находящаяся в высшей степени окисления (S+6). Концентрированная H2SO4 окисляет все металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше потенциала окислителя – сульфат-иона SO42- (0,36 В). В связи с этим, сконцентрированной серной кислотой реагируют и некоторые малоактивные металлы.
Процесс взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой в большинстве случаев протекает по схеме:
Me + H2SO4 (конц.) соль + вода + продукт восстановления H2SO4
Продуктами восстановления серной кислоты могут быть следующие соединения серы:
Практика показала, что при взаимодействии металла с концентрированной серной кислотой выделяется смесь продуктов восстановления, состоящая из H2S, S и SO2. Однако, один из этих продуктов образуется в преобладающем количестве. Природа основного продукта определяется активностью металла: чем выше активность, тем глубже процесс восстановления серы в серной кислоте.
Взаимодействие металлов различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить схемой:
Алюминий (Al) и железо (Fe) не реагируют с холодной концентрированной H2SO4, покрываясь плотными оксидными пленками, однако при нагревании реакция протекает.
Ag, Au, Ru, Os, Rh, Ir, Pt не реагируют с серной кислотой.
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем, поэтому при взаимодействии с ней металлов, обладающих переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления, чем в случае с разбавленным раствором кислоты:
Fe0 → Fe3+,
Cr0 → Cr3+,
Mn0 → Mn4+,
Sn0 → Sn4+
Свинец (Pb) окисляется до двухвалентного состояния с образованием растворимого гидросульфата свинца Pb(HSO4)2.
Примеры:
Активный металл
8 A1 + 15 H2SO4(конц.)→4A12(SO4)3 + 12H2O + 3H2S
4│2Al0 – 6e– → 2Al3+ – окисление
3│ S6+ + 8e → S2-– восстановление
Металл средней активности
2Cr + 4 H2SO4(конц.)→ Cr2(SO4)3 + 4 H2O + S
1│ 2Cr0 – 6e →2Cr3+- окисление
1│ S6+ + 6e → S0 – восстановление
Металл малоактивный
2Bi + 6H2SO4(конц.)→ Bi2(SO4)3 + 6H2O + 3SO2
1│ 2Bi0 – 6e → 2Bi3+ – окисление
3│ S6+ + 2e →S4+ – восстановление
Азотная кислота (HNO3)
Особенностью азотной кислоты является то, что азот, входящий в состав NO3- имеет высшую степень окисления +5 и поэтому обладает сильными окислительными свойствами. Максимальное значение электродного потенциала для нитрат-иона равно 0,96 В, поэтому азотная кислота – более сильный окислитель, чем серная. Роль окислителя в реакциях взаимодействия металлов с азотной кислотой выполняет N5+. Следовательно, водород H2 никогда не выделяется при взаимодействии металлов с азотной кислотой (независимо от концентрации). Процесс протекает по схеме:
Me + HNO3 соль + вода + продукт восстановления HNO3
Продукты восстановления HNO3:
Обычно при взаимодействии азотной кислоты с металлом образуется смесь продуктов восстановления, но как правило, один из них является преобладающим. Какой из продуктов будет основным, зависит от концентрации кислоты и активности металла.
Концентрированная азотная кислота
Концентрированным считают раствор кислоты плотностью ρ > 1,25 кг/м3, что соответствует
концентрации > 40%. Независимо от активности металла реакция взаимодействия с HNO3 (конц.) протекает по схеме:
Me + HNO3(конц.) → соль + вода + NO2
С концентрированной азотной кислотой не взаимодействуют благородные металлы (Au, Ru, Os, Rh, Ir, Pt), а ряд металлов (Al, Ti, Cr,Fe, Co, Ni) при низкой температуре пассивируются концентрированной азотной кислотой. Реакция возможна при повышении температуры, она протекает по схеме, представленной выше.
Примеры
Активный металл
Al + 6HNO3(конц.) → Al(NO3)3 + 3H2O + 3NO2↑
1│ Al0 – 3e → Al3+ – окисление
3│ N5+ + e → N4+ – восстановление
Металл средней активности
Fe + 6HNO3(конц.) → Fe(NO3)3 + 3H2O + 3NO↑
1│ Fe0 – 3e → Fe3+ – окисление
3│ N5+ + e → N4+ – восстановление
Металл малоактивный
Ag + 2HNO3(конц.) → AgNO3 + H2O + NO2↑
1│ Ag0 – e →Ag+ – окисление
1│ N5+ + e → N4+ – восстановление
Разбавленная азотная кислота
Продукт восстановления азотной кислоты в разбавленном растворе зависит от активности металла, участвующего в реакции:
Примеры:
Активный металл
8Al + 30HNO3(разб.) → 8Al(NO3)3 + 9H2O + 3NH4NO3
8│ Al0 – 3e → Al3+ – окисление
3│ N5+ + 8e → N3- – восстановление
Выделяющийся в процессе восстановления азотной кислоты аммиак сразу взаимодействует с избытком азотной кислоты, образуя соль – нитрат аммония NH4NO3:
NH3 + HNO3 → NH4NO3.
Металл средней активности
10Cr + 36HNO3(разб.) → 10Cr(NO3)3 + 18H2O + 3N2
10│ Cr0 – 3e → Cr3+ – окисление
3│ 2N5+ + 10e → N20 – восстановление
Кроме молекулярного азота (N2) при взаимодействии металлов средней активности с разбавленной азотной кислотой образуется в равном количестве оксид азота (I) – N2O. В уравнении реакции нужно писать одно из этих веществ.
Металл малоактивный
3Ag + 4HNO3(разб.) → 3AgNO3 + 2H2O + NO
3│ Ag0 – e →Ag+ – окисление
1│ N5+ + 3e → N2+ – восстановление
«Царская водка»
«Царская водка» (ранее кислоты называли водками) представляет собой смесь одного объема азотной кислоты и трех-четырех объемов концентрированной соляной кислоты, обладающую очень высокой окислительной активностью. Такая смесь способна растворять некоторые малоактивные металлы, не взаимодействующие с азотной кислотой. Среди них и «царь металлов» – золото. Такое действие «царской водки» объясняется тем, что азотная кислота окисляет соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида азота (III), или хлорида нитрозила – NOCl:
HNO3 + 3 HCl → Cl2 + 2 H2O + NOCl
Хлорид нитрозила далее разлагается по схеме:
2 NOCl → 2 NO + Cl2
Хлор в момент выделения состоит из атомов. Атомарный хлор является сильнейшим окислителем, что и позволяет «царской водке» воздействовать даже на самые инертные «благородные металлы».
Реакции окисления золота и платины протекают согласно следующим уравнениям:
Au + HNO3 + 4 HCl → H[AuCl4] + NO + 2H2O
3Pt + 4HNO3 + 18HCl → 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O
На Ru, Os, Rh и Ir «царская водка» не действует.
Источник