Азотная кислота. Свойства, добыча, применение и цена азотной кислоты

Окислительные свойства азотной кислоты.

ОВР в статье специально выделены цветом . Обратите на них особое внимание. Эти уравнения могут попасться в ЕГЭ.

– в любом виде (и разбавленная, и концентрированная) является сильным окислителем.

Причем, разбавленная восстанавливается глубже, чем концентрированная.

Окислительные свойства обеспечиваются азотом в высшей степени окисления +5

Какая валентность у азота в этом соединении? Вопрос очень хитрый, многие отвечают на него корректно. У азота в азотной кислоте валентность IV .

Атом азота не может образовать больше ковалентных связей, посмотрите на электронную диаграмму:

Три связи с каждым атомом кислорода, и четвертая как бы распределяется, образуется полуторная связь. Таким образом, валентность азота IV, а степень окисления +5

Первое самое интересное свойство: взаимодействие с металлами.

Водород при взаимодействии с металлами никогда не выделяется

Схема реакции азотной кислоты (и разбавленной, и концентрированной) с металлами:

HNO 3 + Ме → нитрат + H 2 O + продукт восстановленного азота

Два нюанса:

1. , и с концентрированной азотной кислотой в нормальных условиях не реагируют, из-за пассивации. Нужно нагреть.

2. С платиной и золотом концентрированная азотная кислота не реагирует вообще.

Чтобы понять до чего вообще может восстанавливаться азот, посмотрим на диаграмму его степеней окисления:

Азот +5 – окислитель, будет восстанавливаться, то есть понижать степень окисления.

Все возможные продукты восстановления азотной на диаграмме обведены красным.

(Не все конечно, такие реакции вообще что угодно дать могут, но в ЕГЭ образуются только эти).

Определить какой именно продукт будет образовываться можно чисто логически:

до таких низких степеней окисления как -3 или +1, с образованием продуктов NH 4 NO 3 или N 2 O соответственно, азот восстанавливают только достаточно сильные, активные металлы: щелочные — 1-я группа главная подгруппа, щелочноземельные, а так же Al и Zn . Как ранее уже было сказано, разбавленная кислота восстанавливается глубже, поэтому при взаимодействии активных металлов с конц. азотной кислотой образуется N 2 O , а при взаимодействии с разб. азотной кислотой NH 4 NO 3 .

4Ba + 10HNO 3( конц .) → 4Ba(NO 3 ) 2 + 5H 2 O + N 2 O

4Ba + 10HNO 3( разб .) → 4Ba(NO 3 ) 2 + 3H 2 O + NH 4 NO 3

8Li + 10HNO 3( конц .) → 8LiNO 3 + 5H 2 O + N 2 O

8Li + 10HNO 3( разб .) → 8LiNO 3 + 3H 2 O + NH 4 NO 3

8Al + 30HNO 3( конц .) (t)→ 8Al(NO 3 ) 3 + 15H 2 O + 3N 2 O

8Al + 30HNO 3( разб .) → 8Al(NO 3 ) 3 + 9H 2 O + 3NH 4 NO 3

Остальные металлы восстанавливают азотную кислоту до +2 или +4, с образованием продуктов соответственно: NO или O 2 .

Разбавленная кислота восстанавливается глубже

при взаимодействии с ней металлов, не отличающихся особой активностью, будет образовываться NO . Ну а с конц. азотной NO 2:

Cu + 4HNO 3( конц .) → Cu(NO 3 ) 2 + 2H 2 O + 2NO 2

3Cu + 8HNO 3( разб .) → 3Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O + 2NO

Fe + 6HNO 3( конц .) (t)→ Fe(NO 3 ) 3 + 3H 2 O + 3NO 2

Fe + 4HNO 3( разб .) → Fe(NO 3 ) 3 + 2H 2 O + NO

(обратите внимание, что железо окисляется до высшей степени окисления)

Ag + 2HNO 3( конц .) → AgNO 3 + H 2 O + NO 2

3Ag + 4HNO 3( разб .) → 3AgNO 3 + 2H 2 O + NO

Если тяжело сразу понять всю логичность выбора, вот таблица:

А зотная кислота окисляет неметаллы до высших оксидов .

Так как неметаллы – не такие сильные восстановители, как активные металлы, азот может восстановиться только до +4, образовав NO 2 или NO соответственно.

При окислении неметаллов концентрированной азотной кислотой образуется бурый газ (NO 2), а если кислота разбавленная, то образуется NO . Схемы реакций следующие:

неметалл + HNO 3 (разб.) → + NO

неметалл + HNO 3 (конц.) → соединение неметалла в высшей степени окисления + NO 2

4 HNO 3(конц.) → CO 2 + 2 H 2 O + 4 NO 2

3C + 4HNO 3( разб .) → 3CO 2 + 2H 2 O + 4NO

(угольная кислота не образуется, так как она не стабильна)

5HNO 3( конц .) → H 3 PO 4 + H 2 O + 5 NO 2

3P + 5HNO 3( разб .) + 2H 2 O → 3H 3 PO 4 + 5NO

+ 3 HNO 3( конц .) → H 3 BO 3 + 3NO 2

B + HNO 3( разб .) + H 2 O → H 3 BO 3 + NO

6HNO 3( конц .) → H 2 SO 4 + 2H 2 O + 6NO 2

S + 2HNO 3( разб .) → H 2 SO 4 + 2 NO

концентрированная азотная кислота окисляет сероводород. Окисление идет глубже при нагревании:

2HNO 3( конц .) + H 2 S → S↓ + 2NO 2 + 2H 2 O

H 2 S + 8HNO 3(конц.) → H 2 SO 4 + 8 NO 2 + 4 H 2 O

концентрированная азотная кислота окисляет сульфиды до сульфатов:

CuS + 8HNO 3(конц.) → CuSO 4 + 4 H 2 O + 8 NO 2

азотная кислота настолько сурова, что может окислить даже . Только один – иод. Разбавленная восстанавливается глубже: до +2, концентрированная до +4. А вот иод окисляется не до высшей степени окисления +7 (слишком круто), а до +5, образуя иодноватую кислоту HIO 3:

10 HNO 3(конц.) + I 2 (t)→ 2HIO 3 + 10NO 2 + 4H 2 O

10 HNO 3(разб.) + 3 I 2 (t) → 6HIO 3 + 10NO + 2H 2 O

концентрированная азотная кислота реагирует с хлоридами и фторидами. Только следует понимать, что с фторидами и хлоридами протекает обычная реакция ионного обмена с вытеснением галогеноводорода и образованием нитрата:

NaCl (тв.) + HNO 3(конц.) → HCl + NaNO 3

NaF (тв.) + HNO 3(конц.) → HF + NaNO 3

А вот с бромидами и иодидами (и с бромоводородами, и с иодоводородами) протекает ОВР. В обоих случаях образуется свободный галоген, а азот восстанавливается до NO 2:

8HNO 3( конц .) + 6KBr ( тв .) → 3Br 2 + 4H 2 O + 6KNO 3 + 2NO 2

4HNO 3( конц .) + 2NaI ( тв .) → 2NaNO 3 + 2NO 2 + 2H 2 O + I 2 ↓

7HNO 3( конц .) + NaI → NaNO 3 + 6NO 2 + 3H 2 O + HIO 3

То же самое происходит при взаимодействии с иодо- и бромоводородами:

2HNO 3( конц .) + 2HBr → Br 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

6HNO 3( конц .) + HI → HIO 3 + 6NO 2 + 3H 2 O

Реакции с золотом, магнием, медью и серебром

Азотная кислота (HNO 3) - одна из сильных одноосновных кислот с резким удушливым запахом, чувствительна к свету и при ярком освещении разлагается на один из оксидов азота (ещё называемый бурым газом - NO 2) и воду. Поэтому её желательно хранить в тёмных ёмкостях. В концентрированном состоянии она не растворяет алюминий и железо, поэтому можно хранить в соответствующих металлических ёмкостях.

Азотная кислота - является сильными электролитом как многие кислоты) и очень сильный окислитель. Её часто используют при реакциях с органическими веществами.

Безводная азотная кислота - бесцветная летучая жидкость (t кип=83 °С; из-за летучести безводную азотную кислоту называют «дымящей») с резким запахом.

Азотная кислота как и озон может образовываться в атмосфере при вспышках молнии. Азот, который составляет 78% состава атмосферного воздуха, реагирует с атмосферным кислородом, образуя оксид азота NO. При дальнейшем окислении на воздухе этот оксид переходит в диоксид азота (бурый газ NO2), который реагирует с атмосферной влагой (облаками и туманом), образуя азотную кислоту. Но такое малое количество совершенно безвредно для экологии земли и живых организмов.

Один объем азотной и три объема соляной кислоты образуют соединение, называемое "царской водкой" . Она способна растворять металлы (платину и золото), нерастворимые в обычных кислотах. При внесении в эту смесь бумаги, соломы, хлопка, произойдёт энергичное окисление, даже воспламенение.

При кипячении она раскладывается на составляющие компоненты (химическая реакция разложения):

HNO 3 = 2NO 2 +O 2 + 2H 2 O - выделяется бурый газ (NO 2), кислород и вода.

Азотная кислота
(при нагревании выделяется бурый газ)

Cвойства азотной кислоты

Cвойства азотной кислоты могут быть разнообразными даже при реакциях с одним тем же веществом. Они напрямую зависят от концентрации азотной кислоты . Рассмотрим варианты химических реакций.

- азотная кислота концентрированная :

С металлами железом (Fe), хромом (Cr), алюминием (Al), золотом (Au), платиной (Pt), иридием (Ir), натрием (Na) - не взаимодействует по причине образования на их поверхности защитной плёнки, которая не позволяет дальше окисляться металлу.

Со всеми остальными металлами при химической реакции выделяется бурый газ (NO 2). Например, при химической реакции с медью (Cu):
4HNO 3 конц. + Cu = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + H 2 O
С неметаллами , например с фосфором :
5HNO 3 конц. + P = H 3 PO 4 + 5NO 2 + H 2 O

- разложения солей азотной кислоты

В зависимости от растворённого металла разложение соли при температуре происходит следующими образом:
Любой металл (обозначен как Me) до магния (Mg):
MeNO 3 = MeNO 2 + O 2
Любой металл от магния (Mg) до меди (Cu):
MeNO 3 = MeO + NO 2 + O 2
Любой металл после меди (Cu):
MeNO 3 = Me + NO 2 + O 2

- азотная кислота разбавленная :

При взаимодействии с щелочно-земельными металлами, а также цинком (Zn), железом (Fe), она окисляется до аммиака (NH 3) или же до аммиачной селитры (NH 4 NO 3). Например при реакции с магнием (Mg):
10HNO 3 разбавл. + 4Zn = 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
Но может также и образовываться закись азота (N 2 O), например, при реакции с магнием (Mg):
10HNO 3 разбавл. + 4Mg = 4Mg(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O
С остальными металлами реагирует с образованием оксида азота (NO), например, растворяет серебро (Ag):
2HNO 3 разбавл. + Ag = AgNO 3 + NO + H 2 O
Аналогично реагирует с неметаллами, например с серой :
2HNO 3 разбавл. + S = H 2 SO 4 + 2NO - окисление серы до образования серной кислоты и выделения газа оксида азота.

Химическая реакция с оксидами металлов, например, оксид кальция:

2HNO 3 + CaO = Ca(NO 3) 2 + H 2 O - образуется соль (нитрат кальция) и вода

Химическая реакция с гидроксидами (или основаниями), например, с гашеной известью

2HNO 3 + Ca(OH) 2 = Ca(NO 3) 2 + H 2 O - образуется соль (нитрат кальция) и вода - реакция нейтрализации

Химическая реакция с солями, например с мелом:

2HNO 3 + CaCO 3 = Ca(NO 3) 2 + H 2 O + CO 2 - образуется соль (нитрат кальция) и другая кислота (в данном случае образуется угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ).

Структурная формула

Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: HNO 3

Химический состав Азотной кислоты

Молекулярная масса: 63,012

Азо́тная кислота́ (HNO 3 ) - сильная одноосновная кислота. Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации с моноклинной и ромбической решётками.

Азотная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. В водных растворах она практически полностью диссоциирует на ионы. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 68,4 % и t кип 120 °C при нормальном атмосферном давлении. Известны два твёрдых гидрата: моногидрат (HNO 3 ·H 2 O) и тригидрат (HNO 3 ·3H 2 O).

Азот в азотной кислоте четырёхвалентен, степень окисления +5. Азотная кислота - бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C (при нормальном атмосферном давлении) с частичным разложением. Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. Водные растворы HNO 3 с массовой долей 0,95-0,98 называют «дымящей азотной кислотой», с массовой долей 0,6-0,7 - концентрированной азотной кислотой. С водой образует азеотропную смесь (массовая доля 68,4 %, d20 = 1,41 г/см, T кип = 120,7 °C)

Высококонцентрированная HNO 3 имеет обычно бурую окраску вследствие происходящего на свету процесса разложения. ри нагревании азотная кислота распадается по той же реакции. Азотную кислоту можно перегонять без разложения только при пониженном давлении (указанная температура кипения при атмосферном давлении найдена экстраполяцией).

Золото, некоторые металлы платиновой группы и тантал инертны к азотной кислоте во всём диапазоне концентраций, остальные металлы реагируют с ней, ход реакции при этом определяется её концентрацией.

Азотная кислота в любой концентрации проявляет свойства кислоты-окислителя, при этом азот восстанавливается до степени окисления от +5 до −3. Глубина восстановления зависит в первую очередь от природы восстановителя и от концентрации азотной кислоты.

Смесь азотной и серной кислот носит название «меланж».

Азотная кислота широко используется для получения нитросоединений.

Смесь трех объёмов соляной кислоты и одного объёма азотной называется «царской водкой». Царская водка растворяет большинство металлов, в том числе золото и платину. Её сильные окислительные способности обусловлены образующимся атомарным хлором и хлоридом нитрозила.

Азотная кислота является сильной кислотой. Её соли - нитраты - получают действием HNO 3 на металлы, оксиды, гидроксиды или карбонаты. Все нитраты хорошо растворимы в воде. Нитрат-ион в воде не гидролизуется. Нитраты - широко используются как удобрения. При этом практически все нитраты хорошо растворимы в воде, поэтому в виде минералов их в природе чрезвычайно мало; исключение составляют чилийская (натриевая) селитра и индийская селитра (нитрат калия). Большинство нитратов получают искусственно.

Азотная кислота по степени воздействия на организм относится к веществам 3-го класса опасности. Её пары очень вредны: пары вызывают раздражение дыхательных путей, а сама кислота оставляет на коже долгозаживающие язвы. При действии на кожу возникает характерное жёлтое окрашивание кожи, обусловленное ксантопротеиновой реакцией. При нагреве или под действием света кислота разлагается с образованием высокотоксичного диоксида азота NO 2 (газа бурого цвета). ПДК для азотной кислоты в воздухе рабочей зоны по NO 2 2 мг/м 3 .

Одноосновная сильная кислота, представляющая собой в стандартных условиях бесцветную жидкость, которая при хранении желтеет, может находиться в твердом состоянии, характеризующемся двумя кристаллическими модификациями (моноклинная или ромбическая решетки), при температурах ниже минус 41,6 оС. Это вещество с химической формулой — HNO3 — называется азотная кислота. Имеет молярную массу 63,0 г/моль, а ее плотность соответствует 1,51 г/см³. Температура кипения кислоты равняется 82,6 оС, процесс сопровождается разложением (частичным): 4HNO3 → 2H2O + 4NO2 + O2. Раствор кислоты с массовой долей основного вещества, равной 68 % кипит при температуре 121 оС. чистого вещества соответствует 1,397. Кислота способна смешиваться с водой в любых соотношениях и, являясь сильным электролитом, почти полностью распадаться на ионы H+ и NO3-. Твердые формы — тригидрат и моногидрат имеют формулы: HNO3 . 3H2O и HNO3 . H2O соответственно.

Азотная кислота — коррозионно активное, токсическое вещество и сильный окислитель. Со средних веков известно такое название, как «сильная вода» (Aqua fortis). Алхимики, открывшие кислоту в 13 веке, дали такое название, убедившись в ее необычайных свойствах (разъедала все металлы, кроме золота), превосходящих в миллион раз силу уксусной кислоты, которую в те времена считали самой активной. Но еще через три столетия было установлено, что разъедать, даже золото, может смесь таких кислот, как азотная и соляная в объемном соотношении 1:3, которую по этой причине и назвали «царская водка». Появление желтого оттенка при хранении объясняется накоплением в ней окислов азота. В продаже кислота чаще бывает с концентрацией 68 %, а при содержании основного вещества более 89 % ее называют «дымящей».

Химические свойства азотной кислоты отличают ее от разбавленной серной или соляной кислот тем, что HNO3 более сильный окислитель, поэтому никогда не выделяется водород в реакциях с металлами. Благодаря окислительным свойствам она реагирует также с многими неметаллами. И в том, и другом случае всегда образуется диоксид азота NO2. В окислительно-восстановительных реакциях восстановление азота происходит до различной степени: HNO3, NO2, N2O3, NO, N2O, N2, NH3, что определяется концентрацией кислоты и активностью металла. В молекулах образующихся соединений содержится азот со степенью окисления: +5, +4, +3, +2, +1, 0, +3 соответственно. Например, медь окисляется концентрированной кислотой до нитрата меди (II): Cu + 4HNO3 → 2NO2 + Cu(NO3)2 + 2H2O, а фосфор — до метафосфорной кислоты: P + 5HNO3 → 5NO2 + HPO3 + 2H2O.

Иначе взаимодействует разбавленная азотная кислота с неметаллами. На примере реакции с фосфором: 3P + 5HNO3 +2H2O → 3H3PO4 + 5NO видно, что азот восстанавливается до двухвалентного состояния. В результате образуется монооксид азота, а фосфор окисляется до Концентрированная азотная кислота в смеси с соляной кислотой растворяет золото: Au + 4HCl + HNO3 → NO + H + 2H2O и платину: 3Pt + 18HCl + 4HNO3 → 4NO +3H2 + 8H2O. В этих реакциях на начальном этапе соляная кислота окисляется азотной с выделением хлора, а затем металлы образуют комплексные хлориды.

Азотная кислота в промышленных масштабах получается тремя основными способами:

Первый — взаимодействием солей с серной кислотой: H2SO4 + NaNO3 → HNO3 + NaHSO4. Раньше это способ был единственным, но, с появлением других технологий, в настоящее время его используют в лабораторных условиях для получения дымящей кислоты.
Второй — это дуговой способ. При продувании воздуха через с температурой от 3000 до 3500 оС, часть азота воздуха реагирует с кислородом, при этом образуется монооксид азота: N2 + O2 → 2NO, который после охлаждения окисляется до диоксида азота (при высокой температуре монооксид с кислородом не взаимодействует): O2 + 2NO → 2NO2. Затем, практически, весь диоксид азота, при избытке кислорода, растворяется в воде: 2H2O +4NO2 + O2 → 4HNO3.
Третий — это аммиачный способ. Аммиак окисляется на платиновом катализаторе до монооксида азота: 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O. Образовавшиеся нитрозные газы охлаждаются, и образуется диоксид азота, который поглощается водой. Этим способом получают кислоту с концентрацией от 60 до 62 %.

Азотная кислота в промышленности широко применяется для получения лекарств, красителей, азотных удобрений и солей азотной кислоты. Кроме того, она используется для растворения металлов (например, медь, свинец, серебро), которые не реагируют с другими кислотами. В ювелирном деле используется для определения золота в сплаве (это способ является основным).