Print bookPrint book

§ 38. Азотная кислота

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 38. Азотная кислота
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 23 May 2024, 9:57 PM
img
Рис. 95. Масштабная модель молекулы азотной кислоты

Азот образует несколько кислот, важнейшей из которых является азотная кислота HNO3. Ей соответствует оксид с атомами азота в степени окисления +5: stack space straight N with plus 5 on top subscript 2 straight O subscript 5.

В молекуле кислоты атом азота образует четыре ковалентные связи: три из них — по обменному механизму, а одну — по донорно-акцепторному (см. с. 86).

В соответствии с этим структурная формула молекулы азотной кислоты имеет вид:

img или img

При этом атом азота имеет валентность IV, а степень окисления +5. Масштабная модель молекулы представлена на рисунке 95.

Получение

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

stack space straight N with negative 3 on top straight H subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 1 on top straight N with plus 2 on top straight O not stretchy rightwards arrow with 2 on top straight N with plus 4 on top straight O subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 3 on top HN with plus 5 on top straight O subscript 3

и отразить уравнениями реакций:

1) каталитическое окисление аммиака:

stack 4 straight N with space minus 3 on top straight H subscript 3 space plus space 5 straight O subscript 2 stack space equals with Pt comma italic space t on top stack space 4 straight N with space plus 2 on top straight О space plus space 6 straight H subscript 2 straight O;

2) самопроизвольное окисление оксида азота(II):

stack 2 straight N with plus 2 on top straight О space plus space straight O subscript 2 space rightwards arrow over leftwards arrow stack space 2 straight N with space plus 4 on top straight О subscript 2;

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

stack 4 straight N with plus 4 on top straight О subscript 2 space plus space straight O subscript 2 space plus space 2 straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space 4 HN with space space plus 5 on top straight O subscript 3,

а также

3 NO subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space equals space 2 HNO subscript 3 space plus space NO not stretchy upwards arrow.

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

NaNO subscript 3 left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript stack space equals space with t on top HNO subscript 3 not stretchy upwards arrow space plus space NaHSO subscript 4.

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:

HNO subscript 3 space rightwards arrow space straight H to the power of plus plus space NO subscript 3 superscript minus.

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

1 stack МgO plus 2 bold H NO subscript 3 with оксид space основный below equals Mg left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 plus straight H subscript 2 straight O MgO plus 2 bold H to the power of bold plus equals Mg to the power of 2 plus end exponent plus straight H subscript 2 straight O
stack ZnO plus 2 bold H NO subscript 3 with оксид space амфотерный below equals Zn left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 plus straight H subscript 2 end subscript straight O ZnO plus 2 bold H to the power of bold plus equals Zn to the power of 2 plus end exponent plus straight H subscript 2 straight O
2 stack KOH plus bold H NO subscript 3 equals space KNO subscript 3 with основание space left parenthesis щёлочь right parenthesis below plus space straight H subscript 2 straight O bold H to the power of bold plus plus OH to the power of – equals straight H subscript 2 straight O
stack Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 plus 3 bold H NO subscript 3 equals with гидроксид space амфотерный below Al left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 3 plus 3 straight H subscript 2 straight O Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 space end subscript plus space 3 bold H to the power of bold plus equals space Al to the power of 3 plus end exponent plus space 3 straight H subscript 2 straight O
3 stack Na subscript 2 CO subscript 3 space with соль below plus space 2 bold H NO subscript 3 space end subscript equals space 2 NaNO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow 2 bold H to the power of bold plus plus space CO subscript 3 superscript 2 minus end superscript equals CO subscript 2 not stretchy upwards arrow plus space straight H subscript 2 straight O

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:

Cu space plus space 4 HN with space space plus 5 on top straight O subscript 3 left parenthesis конц right parenthesis end subscript space equals space Cu left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space plus stack space 2 straight N with space space plus 4 on top straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow plus space 2 straight H subscript 2 straight O,

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

3 Cu space plus space 8 HN with space space plus 5 on top straight O subscript 3 left parenthesis разб right parenthesis end subscript space equals space 3 Cu left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space plus space stack 2 straight N with space space plus 2 on top straight O not stretchy upwards arrow plus space 4 straight H subscript 2 straight O.

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:

stack NН subscript 3 plus HNO subscript 3 equals NН subscript 4 NO subscript 3. number space number space number space number space number space number space number space number space number space number space with нитрат space аммония space long dash space удобрение below

Её широко используют в органическом синтезе.

img

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

begin mathsize 14px style stack straight С subscript 6 straight Н subscript 6 space with бензол below plus space HNO subscript 3 space not stretchy rightwards arrow with straight H subscript 2 SO subscript 4 on top space stack straight С subscript 6 straight Н subscript 5 NO subscript 2 space plus space straight H subscript 2 with нитробензол below straight O. end style

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

img

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 KNO subscript 3 stack stack space equals space with t on top 2 KNO subscript 2 with нитрит space калия below space plus space straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow.

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

2 Zn left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 stack space equals space with t on top 2 ZnO space plus space 4 NO subscript 2 not stretchy upwards arrow space plus space straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow.

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

Нg left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space equals space Нg space plus space 2 NO subscript 2 not stretchy upwards arrow space plus space straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow.

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:

NН subscript 4 NO subscript 3 stack space equals space with t on top 2 straight H subscript 2 straight O space plus space straight N subscript 2 straight О not stretchy upwards arrow.

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:

2 NaNO subscript 3 stack space equals space with t on top 2 NaNO subscript 2 space plus space straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow

(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.

Азотную кислоту в промышленности получают из аммиака. Она окисляет все металлы, за исключением золота и платины. При взаимодействии меди с концентрированной азотной кислотой образуется, кроме соли и воды, оксид азота(IV) NO2, а с разбавленной — оксид азота(II).

Нитраты применяют в качестве азотных удобрений. Использование многих нитратов в пиротехнике основано на их способности разлагаться с выделением кислорода.

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 + HNO3(конц) = H2SO4 + NO2↑ + H2O;
  • Mg + HNO3(конц) = Mg(NO3)2 + N2 + H2O.

9. Запишите уравнения реакций согласно схеме:

  • а) begin mathsize 14px style NO subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 1 on top HNO subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 2 on top NH subscript 4 NO subscript 3 not stretchy rightwards arrow with KOH on top straight Х not stretchy rightwards arrow with straight O subscript 2 divided by Pt on top horizontal ellipsis end style;
  • б) begin mathsize 14px style Cu not stretchy rightwards arrow with 1 on top NO subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 2 on top HNO subscript 3 not stretchy rightwards arrow with CaCO subscript 3 on top straight Х not stretchy rightwards arrow with KOH on top space horizontal ellipsis end style.

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) Вариант <i>а</i>
б) Вариант <i>б</i>
в) Вариант <i>в</i>
г) Вариант <i>г</i>

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.