§ 38. Азотная кислота

Получение

В основе промышленного получения азотной кислоты лежат реакции последовательного окисления аммиака, которые можно представить схемой:

и отразить уравнениями реакций:

1) каталитическое окисление аммиака:

;

2) самопроизвольное окисление оксида азота(II):

;

3) поглощение оксида азота(IV) водой в присутствии кислорода:

,

а также

.

В лаборатории азотную кислоту можно получить взаимодействием твёрдой соли (селитры — нитрата натрия или калия) с концентрированной серной кислотой:

.

Этот способ предложил ещё в XVII веке немецкий химик и аптекарь Рудольф Глаубер, а полученную кислоту назвал «спиритус нитри» — «дух селитры».

Физические свойства

Азотная кислота в интервале температур от ‒41,6 до +82,6 °С является жидкостью. Запах резкий, удушливый. Плотность — 1,51 г/см³ (меньше, чем у серной, но выше, чем у соляной кислоты). Смешивается с водой в любых соотношениях (неограниченная растворимость). При хранении может быть слегка окрашена в бурый цвет вследствие разложения с образованием бурого газа NO₂:

4HNO₃ = 4NO₂↑ + 2H₂O + O₂↑.

Химические свойства

HNO₃ — сильная одноосновная кислота, проявляет общие свойства кислот, обусловленные ионом водорода, а окислительные свойства — за счёт атома азота в достаточно высокой степени окисления +5.

I. Общие химические свойства. К общим химическим свойствам азотной кислоты относятся её действие на индикаторы и образование солей. Изменение окраски индикаторов происходит за счёт ионов водорода Н⁺, образующихся при диссоциации кислоты:

.

Соли (нитраты) образуются при взаимодействии с основными и амфотерными оксидами (1), гидроксидами металлов (2), другими солями (3):

1
2
3

II. Окислительные свойства азотной кислоты. Эти свойства HNO₃ проявляет в реакциях с металлами, неметаллами, органическими веществами.

Она окисляет металлы, расположенные в ряду активности как до водорода, так и после водорода, кроме золота и платины. Так, при взаимодействии концентрированной азотной кислоты с медью и другими малоактивными металлами (Ag, Hg и др.) продуктом восстановления является оксид азота(IV) — бурый газ:

,

а в разбавленной азотной кислоте — оксид азота(II):

.

Состав образующихся продуктов зависит как от концентрации азотной кислоты, так и от активности металла. При этом чем ниже концентрация азотной кислоты и выше активность металла, тем сильнее восстанавливается азот.

С более активными металлами продуктами восстановления могут быть N₂O, NO, NO₂, N₂, NH₄NO₃. В общем виде взаимодействие азотной кислоты с металлами можно представить схемой:

Как правило, в реакции образуется смесь продуктов восстановления с преобладанием отдельных из них.

Вспомним также (9 кл.), что концентрированная азотная кислота при низких температурах не взаимодействует с железом, хромом, алюминием, кобальтом — пассивирует их. Помимо металлов, азотная кислота окисляет многие неметаллы (C, S, P). Органические вещества в концентрированной кислоте могут воспламеняться (амины, скипидар).

Применение азотной кислоты

Азотную кислоту применяют для получения нитратов, например:

Её широко используют в органическом синтезе.

Нитрованием углеводородов получают нитросоединения (нитробензол — исходное вещество для синтеза анилина и красителей на его основе):

При взаимодействии с органическими веществами, содержащими ОН-группы (глицерин, целлюлоза), получают нитроэфиры:

Нитроглицерин (нитроэфир) используют в медицине и для получения ряда сортов бездымного пороха.

Нитраты

Соли азотной кислоты все без исключения хорошо растворимы в воде. Важнейшим химическим свойством нитратов является их способность разлагаться при нагревании с образованием кислорода. Состав образующихся продуктов зависит от активности металла.

1. Нитраты щелочных и щёлочноземельных металлов образуют нитрит и кислород:

.

2. Нитраты металлов, расположенных в ряду активности от магния до меди, разлагаются с образованием оксида металла, оксида азота(IV) и кислорода:

.

3. Нитраты металлов, расположенных в ряду активности после меди, при разложении образуют металл, оксид азота(IV) и кислород:

.

Термическое разложение нитратов можно представить схемой:

Выделение кислорода при разложении позволяет обнаружить нитрат по «вспышке твёрдой соли на раскалённом угольке» (Приложение 3).

Следует отметить, что нитрат аммония, разлагаясь при температуре не выше 200 °С, кислорода не образует:

.

Применение нитратов. Нитраты натрия, калия, кальция, аммония (NaNO₃, КNO₃, Са(NO₃)₂, NH₄NO₃) называют селитрами и используют в качестве удобрений. Ещё одно важное направление использования нитратов — пиротехника: нитраты разлагаются при нагревании с выделением кислорода, который является сильным окислителем, особенно в момент выделения. Кислород при этом служит окислителем других компонентов пороха.

Разложение нитрата натрия можно использовать в лаборатории для получения кислорода:

(продукты — кислород и нитрит натрия — соль слабой азотистой кислоты).

Нитрат серебра(I) — составную часть ляписа — используют в медицинских целях. В пищевой промышленности используют нитрат и нитрит натрия как консерванты (Е251, Е250) для сыров и колбасных изделий. Мясным изделиям эти соли придают яркий розово-красный цвет. Этими солями пользовались ещё древние греки и египтяне.

Вопросы, задания, задачи

1. Выпишите из текста параграфа восемь формул нитратов.

2. Перечислите важнейшие физические свойства азотной кислоты.

3. Укажите окраску раствора азотной кислоты при добавлении:

• а) лакмуса;
• б) метилоранжа.

4. Составьте формулы нитратов магния, лития, железа(III), бария.

5. Проанализируйте возможность протекания реакций в растворе между азотной кислотой и солями: хлорид калия, карбонат калия, сульфид натрия, сульфат натрия.

6. Составьте уравнения реакций в молекулярной и ионной формах между азотной кислотой и веществами, формулы которых: Fe₂O₃, Са(ОН)₂, МgСО₃.

7. Рассчитайте массу соли, которую можно получить в результате взаимодействия меди и раствора массой 50 г с массовой долей азотной кислоты 60 % (кислота концентрированная).

8. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнениях реакций с участием азотной кислоты:

• S + HNO_3(конц) = H₂SO₄ + NO₂↑ + H₂O;
• Mg + HNO_3(конц) = Mg(NO₃)₂ + N₂ + H₂O.

9. Запишите уравнения реакций согласно схеме:

• а) ;
• б) .

10. Какой минимальный объём раствора азотной кислоты с массовой долей 80 % и плотностью 1,45 г/см³ необходим для растворения серебра массой 4,32 г? Реакция протекает по схеме:

Ag + HNO₃ → AgNO₃ + NO₂↑ + H₂O.

*Самоконтроль

1. Структурные формулы азотной кислоты:

а) 

б) 

в) 

г) 

2. Правильными относительно азотной кислоты являются утверждения:

• а) двухосновная;
• б) валентность азота — IV;
• в) степень окисления атома азота +4;
• г) сильный окислитель.

3. Продуктами взаимодействия разбавленной азотной кислоты с медью являются:

• а) NO;
• б) H₂O;
• в) NO₂;
• г) Cu(NO₃)₂.

4. Азотная кислота вступает в реакции обмена с:

• а) Сu;
• б) CаO;
• в) Ca(OH)₂;
• г) NH₃.

5. Селитрами называют обе соли в ряду:

• а) NH₄NO₃ и NH₄Cl;
• б) NаNO₃ и NH₄НSO₄;
• в) Cu(NO₃)₂ и AgNO₃;
• г) NаNO₃ и NH₄NO₃.