Какими свойствами обладает азотная кислота

Определение и формула

Азотная кислота

Неорганическая сильная одноосновная кислота.

Формула

HNO3HNO_3HNO3​

Свойства азотной кислоты

Физические свойства

Представляет собой бесцветную жидкость, дымящую на воздухе. С водой смешивается в любых соотношениях. Концентрированной азотной кислотой называют растворы с концентрацией HNO3, равной 60-70%, «дымящей азотной кислотой» 95-98%-ные растворы азотной кислоты.

Химические свойства

В химических реакциях азотная кислота может выступать в роли сильной одноосновной кислоты, либо окислителя. Азотная кислота высокой концентрации обычно окрашена в бурый цвет за счет присутствия в ней оксида азота (IV), образующегося по уравнению:

4HNO3⟶4NO2↑+2H2O+O24HNO_3 longrightarrow 4NO_2↑+ 2H_2O + O_24HNO3​⟶4NO2​↑+2H2​O+O2​↑

Такое же превращение азотная кислота претерпевает при нагревании.

Кислотные свойства

1. Диссоциация в воде

HNO3⟷H++NO3−HNO3 longleftrightarrow H^+ + NO_3^-HNO3⟷H++NO3−​

2. Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами

MgO+2HNO3⟶Mg(NO3)2+H2OMgO + 2HNO_3 longrightarrow Mg(NO_3)_2 + H_2OMgO+2HNO3​⟶Mg(NO3​)2​+H2​O

ZnO+2HNO3⟶Zn(NO3)2+H2OZnO + 2HNO_3 longrightarrow Zn(NO_3)_2 + H_2OZnO+2HNO3​⟶Zn(NO3​)2​+H2​O

3. Взаимодействие с основаниями и амфотерными гидроксидами

NaOH+HNO3⟶NaNO3+H2ONaOH + HNO_3 longrightarrow NaNO_3 + H_2ONaOH+HNO3​⟶NaNO3​+H2​O

Zn(OH)2+2HNO3⟶Zn(NO3)2+2H2OZn(OH)_2 + 2HNO_3 longrightarrow Zn(NO_3)_2 + 2H_2OZn(OH)2​+2HNO3​⟶Zn(NO3​)2​+2H2​O

4. Взаимодействие с солями слабых кислот (карбонатами, силикатами)

BaCO3+2HNO3⟶Ba(NO3)2+CO2↑+H2OBaCO_3 + 2HNO_3 longrightarrow Ba(NO_3)_2 + CO_2↑ + H_2OBaCO3​+2HNO3​⟶Ba(NO3​)2​+CO2​↑+H2​O

Окислительные свойства

В азотной кислоте атом азота находится в высшей степени окисления +5, благодаря чему азотная кислота любой концентрации может выступать в роли окислителя. Азот может восстанавливаться до степеней окисления от +4 до -3. Возможные продукты восстановления азотной кислоты при взаимодействии с металлами представлены в таблице 1.

Таблица 1. Типичные продукты восстановления азотной кислоты

Закономерность

Увеличение активности металла и разбавление кислоты способствуют более полному восстановлению азотной кислоты.

1. Взаимодействие с металлами

Железо (Fe), алюминий (Al), хром (Cr) пассивируются холодной концентрированной азотной кислотой.

Азотная кислота не взаимодействует с золотом, металлами платиновой группы и танталом. В остальных случаях продукты (табл. 2) зависят от концентрации HNO3:

Таблица 2. Зависимость продуктов реакции взаимодействия азотной кислоты с металлами от концентрации кислоты и активности металла

2. Взаимодействие с неметаллами

При взаимодействии с неметаллами азотная кислота восстанавливается до NONONO или NO2NO_2NO2​:

S+6HNO3S + 6HNO_3S+6HNO3​(конц.) ⟶H2SO4+6NO2↑+2H2Olongrightarrow H_2SO_4 + 6NO_2↑ + 2H_2O⟶H2​SO4​+6NO2​↑+2H2​O

S+2HNO3S + 2HNO_3S+2HNO3​(разб.) ⟶H2SO4+2NO↑longrightarrow H_2SO_4 + 2NO↑⟶H2​SO4​+2NO↑

3. Взаимодействие со сложными веществами-восстановителями

FeS+4HNO3FeS + 4HNO_3FeS+4HNO3​(разб.) ⟶Fe(NO3)3+S+NO↑+2H2Olongrightarrow Fe(NO_3)_3 +S + NO↑ + 2H_2O⟶Fe(NO3​)3​+S+NO↑+2H2​O

Взаимодействие с органическими соединениями

Взаимодействие углеводородов с азотной кислотой используется для введения в молекулу органического вещества нитрогруппы –NO2NO_2NO2​. В результате нитрования углеводородов образуются нитросоединения.

1. Реакция Коновалова (взаимодействие разбавленной азотной кислоты с алканами):

CH4+HNO3⟶CH3NO2+H2OCH_4 + HNO_3 longrightarrow CH_3NO_2 + H_2OCH4​+HNO3​⟶CH3​NO2​+H2​O

2. Нитрование аренов

C6H6+HNO3⟶C6H5NO2+H2OC_6H_6 + HNO_3 longrightarrow C_6H_5NO_2 + H_2OC6​H6​+HNO3​⟶C6​H5​NO2​+H2​O

Источники получения

В природе не встречается.

Способом производства является каталитическое окисление синтетического аммиака на платиновом катализаторе до смеси оксидов азота с дальнейшим поглощением их водой:

4NH3+5O2⟶4NO+6H2O4NH_3 + 5O_2 longrightarrow 4NO + 6H_2O4NH3​+5O2​⟶4NO+6H2​O

2NO+O2⟶2NO22NO + O_2 longrightarrow 2NO_22NO+O2​⟶2NO2​

4NO2+O2+2H2O⟶4HNO34NO_2 + O_2 + 2H_2O longrightarrow 4HNO_34NO2​+O2​+2H2​O⟶4HNO3​

Применение

1. Производство минеральных удобрений (нитратов);
2. органический синтез (получение нитроалканов, анилиза, нитроцеллюлоз, тринитротолуола);
3. производство лекарственных средств (нитроглицерин);
4. военная промышленность (производство взрывчатых веществ, в качестве окислителя ракетного топлива, синтез отравляющих веществ);
5. травление печатных форм в станковой графике;
6. ювелирное дело (определение золота в сплаве).

Тест по теме «Азотная кислота»

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

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↑



• Термическое разложение

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

• Реакции с неметаллами

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



• Реакции с металлами

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) Al(NO3)3 + 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

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

• Разложение нитратов

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.

Строение молекулы азотной кислоты:

Связь N+-O- образуются по донорно-акцепторному механизму: атом азота отдает электрон, играя роль донора и приобретая положительный заряд, атом кислорода присоединяет электрон, выступая в роли акцептора и приобретая отрицательный заряд. Атомы азота проявляют степень окисления +5 (валентность 4).

Физические свойства азотной кислоты:

• бесцветная маслянистая жидкость с резким запахом;
• температура кипения 83°C
• плотность 1,4 г/см3 (63% HNO3);
• с водой смешивается в любых пропорциях, проявляя в водных растворах свойства сильной кислоты;
• легко разлагается на свету при длительном хранении, приобретая при этом желтый оттенок, в который ее окрашивает газ NO2, выделяющийся при разложении:
  4HNO3 ↔ 2H2O+4NO2↑+O2↑

Химические свойства азотной кислоты

HNO3 является одной из самых сильных кислот – в водных растворах полностью диссоциирует на катионы водорода и нитрат-ионы:
HNO3 ↔ H++NO3-

Азотная кислота вступает в реакции:

• с оксидами металлов:
  MgO+2H+NO3 = Mg2+(NO3)2+H2O
• с основаниями:
  Mg(OH)2+2H+NO3 = Mg2+(NO3)2+2H2O
• с солями более слабых кислот:
  Na2CO32-+2H+NO3 = 2NaNO3+CO2↑+H2O

Следует обратить внимание, что азотная кислота в обменных реакциях может взаимодействовать далеко не со всеми солями, а лишь только с теми, при реагировании с которыми образуются нерастворимые, слабодиссоциирующие и газообразные вещества, которые, по мере их образования, более не участвуют в реакции обмена. В обменных реакциях солями, при взаимодействии с которыми образуются растворимые в воде соли азотной кислоты, азотная кислота не участвует.

В окислительно-восстановительных реакциях азотная кислота выступает в роли сильного окислителя. Высокие окислительные свойства HNO3 объясняются тем, что в молекуле азотной кислоты атом азота в составе кислотного остатка NO3- имеет максимально возможную степень окисления +5. По этой причине окислительные свойства NO3- значительно превосходят “возможности” катионов водорода H+, из-за чего азотная кислота реагирует практически со всеми металлами за исключением золота,платины, родия, рутения, иридия и тантала, стоящими в конце ряда напряжений.

Характерной особенностью взаимодействия азотной кислоты с металлами является отсутствие выделения водорода, поскольку окислителями являются не катионы водорода, а нитрат-ионы NO3-, которые, при взаимодействии азотной кислоты с металлами восстанавливается тем полнее, чем более активным является металл и чем более разбавленной является HNO3.

По этой причине образование тех или иных продуктов реакции азотной кислоты и металла зависит от концентрации кислоты и активности металла.

Атом азота в молекуле азотной кислоты имеет степень окисления +5, и может принимать 1, 2, 3, 4, 5 или 8 электронов:

HN+5O3+1e- → N+4O2
HN+5O3+2e- → HN+3O2
HN+5O3+3e- → N+2O
HN+5O3+4e- → N2+1O
HN+5O3+5e- → N20
HN+5O3+8e- → N-3H3
HN+5O3+8e- → N-3H4NO3

Чем более концентрированной является азотная кислота, тем меньшей окислительной способностью по отношению к металлам она обладает.

С другой стороны, чем более активным является металл, тем в большей степени он восстанавливает азотную кислоту.

Примеры реакций азотной кислоты:

• концентрированная HN+5O3 с активными металлами (до алюминия в ряду напряжений) восстанавливается до N2O
  10HN+5O3+4Ca0 = 4Ca+2(NO3)2+N2+1O↑+5H2O
• концентрированная HN+5O3 с неактивными металлами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO2
  4HN+5O3+Ni0 = Ni+2(NO3)2+2N+4O2↑+2H2O
• концентрированная HN+5O3 с неметаллами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO2
  4HN+5O3+P0 = HP+5O3+5N+4O2↑+2H2O
• разбавленная HN+5O3 с активными металлами (до алюминия в ряду напряжений) образует аммиак или нитрат аммония
  10HN+5O3+4Mg0 = 4Mg+2(NO3)2+N-3H4N+5O3+3H2O
• разбавленная HN+5O3 с неактивными металлами образует оксид азота (II)
  8HN+5O3+3Cu0 = 3Cu+2(NO3)2+2N+2O↑+4H2O
• разбавленная HN+5O3 с неметаллами образует оксид азота (II)
  2HN+5O3+S0 = H2S+6O4+2N+2O↑

Уравнения окислительно-восстановительных реакций азотной кислоты…

Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, железо и хром, образуя на их поверхности очень прочную нерастворимую оксидную пленку:
2Al+6HNO3 = Al2O3+6NO2+3H2O

“Царская водка” (смесь концентрированной азотной кислоты с соляной в соотношении 1:3) окисляет золото и платину:
Au+3HNO3+3HCl = AuCl3+3NO2+3H2O

Получение и применение азотной кислоты

Промышленный способ получения азотной кислоты:

• окислением аммиака на платиновом катализаторе до оксида азота (II):
  4N-3H3+5O20 = 4N+2O-2+6H2O
• окислением оксида азота (II) до оксида азота (IV):
  2N+2O-2+O20 = 2N+4O2-2
• растворением оксида азота (IV) в воде в присутствии кислорода (автор способа И.И.Андреев, 1916 г.):
  4N+4O2+2H2O+O20 = 4HN+5O3-2

Лабораторный способ получения азотной кислоты:

• взаимодействием безводных нитратов с концентрированной серной кислотой:
  NaNO3+H2SO4 = NaHSO4+HNO3

Применение азотной кислоты:

• производство азотных удобрений;
• в фармакологии для производства лекарственных препаратов;
• в производстве взрывчатых веществ.

Соли азотной кислоты

О солях азотной кислоты, наверняка, слышали многие, ведь в последнее время так много говорят о вреде нитратов в овощах и фруктах.

Нитраты калия, натрия, аммония и кальция называются селитрами (калийная селитра, натриевая селитра, аммонийная селитра, известковая селитра). Селитры нашли широкое применение в сельском хозяйстве в качестве минеральных азотных удобрений, что вполне логично, ибо азот является одним из основных элементов растений.

Нитраты хорошо растворяются в воде, при этом такие растворы не обладают окислительными свойствами, а вот расплавы нитратов являются хорошими окислителями.

Те нитраты, которые были образованы слабыми основаниями, гидролизуются, их водные растворы являются кислыми:
Cu2+(NO3)2+H2O ↔ CuOH+NO3+H+NO3

Соли азотной кислоты являются сильными окислителями.

Все нитраты, за исключением нитрата аммония разлагаются с выделением кислорода, при этом образующиеся продукты разложения зависят от электроотрицательности металла (см. таблицу выше):

• соли металлов, расположенных в ряду напряжений левее магния, при разложении образуют кроме кислорода еще и нитриты:
  MeN+5O3 → MeN+3O2+O20↑
  2KNO3 = 2KNO2+O2
• соли металлов, расположенных от магния до меди – образуют оксиды металла и азота (IV):
  MeN+5O3 → MeO+N+4O2↑+O20↑
  2Pb(NO3)2 = 2PbO+4NO2+O2
• соли металлов, расположенных правее меди – образуют свободный металл и оксид азота (IV):
  MeN+5O3 → Me+N+4O2↑+O20↑
  2AgNO3 = 2Ag+2NO2+O2
• нитрат аммония разлагается с образованием оксида азота (I) и воды:
  NH4NO3 = N2O+2H2O

Нитраты вступают в реакции, типичные для всех солей:

• с металлами:
  Hg(NO3)2+Zn = Zn(NO3)2+Hg
• с щелочами:
  Pb(NO3)2+2NaOH = Pb(OH)2↓+2NaNO3
• с кислотами:
  Ba(NO3)2+H2SO4 = BaSO4↓+2HNO3
• с другими солями:
  AgNO3+NaCl = AgCl↓+NaNO3

Получение и применение нитратов

Нитраты получают реакцией азотной кислоты:

• на металлы:
  10HNO3(разб)+4Zn = 4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O
• на оксиды металлов:
  2HNO3+CuO = Cu(NO3)2+H2O
• на основания:
  3HNO3+Al(OH)3 = Al(NO3)3+3H2O

Применение нитратов:

• Селитры используются в качестве минеральных удобрений:
  • KNO3 – калийная или индийская селитра;
  • NaNO3 – натриевая или чилийская селитра;
  • NH4NO3 – аммонийная селитра;
  • Ca(NO3)2 – известковая или норвежская селитра.
• Калийная селитра используется для изготовления “черного пороха”.
• Аммонийная селитра используют для изготовления взрывчатого вещества – аммонала.

Другие соединения азота:

• Аммиак
• Оксиды азота