Какое свойство концентрированной азотной кислоты

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 и физические свойства

Азотная кислота HNO3 – это сильная одноосновная кислота-гидроксид. При обычных условиях бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C ( при нормальном атмосферном давлении). Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. На свету частично разлагается.

Валентность азота в азотной кислоте равна IV, так как валентность V у азота отсутствует. При этом степень окисления атома азота равна +5. Так происходит потому, что атом азота образует 3 обменные связи и одну донорно-акцепторную, является донором электронной пары.

Поэтому строение молекулы азотной кислоты можно описать резонансными структурами:

Обозначим дополнительные связи между азотом и кислородом пунктиром. Этот пунктир по сути обозначает делокализованные электроны. Получается формула:

Способы получения

В лаборатории азотную кислоту можно получить разными способами:

1. Азотная кислота  образуется при действии концентрированной серной кислоты на твердые нитраты металлов. При этом менее летучая серная кислота вытесняет более летучую азотную.

Например, концентрированная серная кислота вытесняет азотную из кристаллического нитрата калия:

KNO3    +    H2SO4(конц)    →    KHSO4    +    HNO3

2. В промышленности азотную кислоту получают из аммиака. Процесс осуществляется постадийно.

1 стадия. Каталитическое окисление аммиака.

4NH3    +   5O2    →    4NO  +   6H2O

2 стадия. Окисление оксида азота (II)  до оксида азота (IV) кислородом воздуха.

2NO   +    O2   →    2NO2

3 стадия. Поглощение оксида азота (IV) водой в присутствии избытка кислорода.

4NO2   +   2H2O   +  O2   →  4HNO3

Химические свойства

Азотная кислота – это сильная кислота. За счет азота со степенью окисления +5 азотная кислота проявляет сильные окислительные свойства.

1. Азотная кислота практически полностью диссоциирует в водном растворе.

 HNO3 → H+ + NO3–

2. Азотная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами. 

Например, азотная кислота взаимодействует с оксидом меди (II):

CuO   +   2HNO3   →   Cu(NO3)2   +   H2O

Еще пример: азотная кислота реагирует с гидроксидом натрия:

HNO3   +   NaOH   →   NaNO3   +   H2O

3. Азотная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов, сульфитов). 

Например, азотная кислота взаимодействует с карбонатом натрия:

2HNO3   +   Na2CO3   →  2NaNO3   +   H2O   +   CO2

4. Азотная кислота частично разлагается при кипении или под действием света:

4HNO3  →   4NO2   +   O2   +   2H2O

5. Азотная кислота активно взаимодействует с металлами. При этом  никогда не выделяется водород! При взаимодействии азотной кислоты с металлами окислителем всегда выступает азот +5. Азот в степени окисления +5 может восстанавливаться до степеней окисления -3, 0, +1, +2 или +4 в зависимости от концентрации кислоты и активности металла.

металл + HNO3 → нитрат металла + вода + газ (или соль аммония)

С алюминием, хромом и железом на холоду концентрированная HNO3  не реагирует – кислота «пассивирует» металлы, т.к. на их поверхности образуется пленка оксидов, непроницаемая для концентрированной азотной кислоты. При нагревании реакция идет. При этом азот восстанавливается до степени окисления +4:

Fe    +   6HNO3(конц.)  →   Fe(NO3)3   +   3NO2  +   3H2O

 Al   +   6HNO3(конц.)   →  Al(NO3)3   +   3NO2  +   3H2O

Золото и платина не реагируют с азотной кислотой, но растворяются в «царской водке» – смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 :  3 (по объему):

HNO3      +   3HCl   +   Au   →   AuCl3   +   NO   +   2H2O

Концентрированная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (IV), азот восстанавливается минимально:

4HNO3(конц.)    +    Cu   →    Cu(NO3)2    +    2NO2   +   2H2O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными) концентрированная азотная кислота реагирует с образованием оксида азота (I):

10HNO3       +  4Ca   →    4Ca(NO3)2    +    2N2O   +   5H2O

Разбавленная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (II).

8HNO3 (разб.)     +    3Cu   →    3Cu(NO3)2    +    2NO   +   4H2O

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными), а также оловом и железом разбавленная азотная кислота реагирует с образованием молекулярного азота:

12HNO3(разб)     +  10Na   →    10NaNO3    +    N2   +   6H2O

При взаимодействии кальция и магния с азотной кислотой любой концентрации (кроме очень разбавленной) образуется оксид азота (I):

10HNO3       +  4Ca    →   4Ca(NO3)2    +    2N2O   +   5H2O

Очень разбавленная азотная кислота реагирует с металлами с образованием нитрата аммония:

10HNO3         +  4Zn   →    4Zn(NO3)2    +    NH4NO3   +   3H2O

Таблица. Взаимодействие азотной кислоты с металлами.

6. Азотная кислота окисляет и неметаллы (кроме кислорода, водорода, хлора, фтора и некоторых других). При взаимодействии с неметаллами HNO3  обычно восстанавливается до NO  или NO2, неметаллы окисляются до соответствующих кислот, либо оксидов (если кислота неустойчива).

Например, азотная кислота окисляет серу, фосфор, углерод, йод:

6HNO3       +   S     →   H2SO4   +   6NO2    +    2H2O

Безводная азотная кислота – сильный окислитель. Поэтому она легко взаимодействует с красным и белым фосфором. Реакция с белым фосфором протекает очень бурно. Иногда она сопровождается взрывом.

5HNO3      +    P   →    H3PO4     +   5NO2    +    H2O

5HNO3      +    3P     +    2H2O   →    3H3PO4     +   5NO

Видеоопыт взаимодействия фосфора с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

4HNO3     +    C   →   CO2    +    4NO2    +    2H2O

Видеоопыт взаимодействия угля с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

10HNO3   +   I2  →   2HIO3   +   10NO2   +   4H2O

7. Концентрированная азотная кислота окисляет сложные вещества (в которых есть элементы в отрицательной, либо промежуточной степени окисления): сульфиды металлов, сероводород, фосфиды, йодиды, соединения железа (II) и др. При этом азот восстанавливается до NO2, неметаллы окисляются до соответствующих кислот (или оксидов), а металлы окисляются до устойчивых степеней окисления.

Например, азотная кислота окисляет оксид серы (IV):

2HNO3     +   SO2  →   H2SO4     +   2NO2

Еще пример: азотная кислота окисляет иодоводород:

6HNO3   +   HI   →  HIO3   +   6NO2   +   3H2O

Азотная кислота окисляет углерод до углекислого газа, т.к. угольная кислота неустойчива.

3С    +    4HNO3   →    3СО2    +    4NO    +   2H2O

Сера в степени окисления -2 окисляется без нагревания до простого вещества, при нагревании до серной кислоты. 

Например, сероводород окисляется азотной кислотой без нагревания до молекулярной серы:

2HNO3     +   H2S     →  S    +    2NO2   +   2H2O

При нагревании до серной кислоты:

2HNO3     +   H2S     →  H2SO4    +    2NO2   +   2H2O

8HNO3     +    CuS   →   CuSO4    +   8NO2    +   4H2O

Соединения железа (II) азотная кислота окисляет до соединений железа (III):

4HNO3     +    FeS   →   Fe(NO3)3  +   NO    +   S    +   2H2O

8. Азотная кислота окрашивает белки в оранжево-желтый цвет («ксантопротеиновая реакция«).

Ксантопротеиновую реакцию проводят для обнаружения белков, содержащих в своем составе ароматические аминокислоты. К раствору белка прибавляем концентрированную азотную кислоту. Белок свертывается. При нагревании белок желтеет. При добавлении избытка аммиака окраска переходит в оранжевую.

Видеоопыт обнаружения белков с помощью азотной кислоты можно посмотреть здесь.

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»