Азотная кислота в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

Выгрузка

История возникновения

Возможно, что арабские алхимики производили азотную кислоту еще до средневековья. Производство царской водки из азотной кислоты и хлорида аммония предположительно практиковалось арабскими алхимиками в 7 или 8 веках.

В IX веке арабский алхимик Гебер извлек азотную кислоту путем сухого нагревания селитры.

В 13 веке Альберт Великий использовал азотную кислоту в качестве «разделяющей воды» для производства золота.

Азотная кислота в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

Производство серной кислоты и нитрата калия, до сих пор широко используемых в лаборатории, восходит к Иоганну Рудольфу Глауберу (1604–1670), который получил чистый нитрит путем перегонки селитры с серной кислотой .

Глаубер также был первым, кто разработал процесс приготовления царской водки.

Описание и свойства

Азотная кислота (HNO3) — сильная кислота, обладающая едкими, растворяющими и окисляющими свойствами.

70% азотная кислота — прозрачная или почти бесцветная жидкость с резким запахом.

Концентрированная азотная кислота легко разлагается (особенно при воздействии света и тепла) и часто имеет желтоватый или красноватый оттенок из-за растворенного в ней диоксида азота (NO2).

Чистая азотная кислота, содержащая свободную двуокись азота, называется дымящей азотной кислотой, обладает сильным окислительным действием и может воспламенять некоторые легковоспламеняющиеся вещества, например солому или опилки.

100% красная (дымящая) азотная кислота в чистом виде бесцветна при хранении в холодильнике, исключая воздух. При контакте с воздухом дымящаяся азотная кислота быстро разлагается с образованием высокотоксичного диоксида азота.

Азотная кислота, окрашенная в желтый цвет растворенным диоксидом азота, может быть обесцвечена небольшим количеством мочевины или нитрата мочевины.

Соли азотной кислоты называются нитратами (селитры). На рынке в основном представлены соли калия и натрия, азотнокислый калий и азотнокислый натрий.

Азотная кислота выпускается производителями в различных концентрациях:

  • дымная азотная кислота (чистая, холодная) — от 85% до 100%
  • концентрированная азотная кислота: средняя — 69% (от 68% до 70%)
  • азотная кислота (обычная, возможно без указания процента) — 65%
  • разбавленная азотная кислота — 25%

Растворение металлов

Азотная кислота растворяет большинство металлов, за исключением драгоценных металлов: золота, платины и иридия.

Некоторые металлы (алюминий, титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал и вольфрам) сопротивляются действию азотной кислоты, образуя на металле непроницаемый оксидный слой.

Поскольку таким образом можно было разделить золото и серебро, азотную кислоту раньше называли «разделительной водой».

При смешивании с соляной кислотой образуется так называемая «царская водка», которая способна растворить любой драгоценный металл.

Структура

Азотная кислота в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

hno3 имеет один атом азота (синий), один атом водорода (белый) и три атома кислорода (красный) Атом азота связан с тремя атомами кислорода и несет заряд +1, атом кислорода несет заряд -1, один связан с водородом, а другой образует двойную связь с азотом.

Поскольку кислород имеет большую склонность притягивать к себе общие электроны, чем азот, он несет отрицательный заряд, а атом азота несет положительный заряд.

Структура Льюиса

Азотная кислота в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

Чтобы нарисовать структуру азотной кислоты по Льюису, нам нужно посчитать общее количество валентных электронов в молекуле HNO3.

  • валентный электрон в атоме азота = 5
  • валентный электрон в атоме водорода = 1
  • валентный электрон в трех атомах кислорода = 18 (6*3)

Это дает нам общее число валентных электронов (5 + 1 + 18) в молекуле hno3. Поскольку азот имеет больше валентных электронов, чем кислород, мы можем поместить атом азота в центр структуры.

Следующим шагом является образование связи и маркировка одной пары атомов, затем идет заряд каждого атома: атом азота получит заряд +2, а два атома кислорода получат заряд -1.

Наконец, нам нужно минимизировать заряды атомов, чтобы структура была стабильной. Это можно сделать, превратив неподеленную пару атома кислорода в связь. Окончательная структура состоит из двух одинарных связей между атомом азота и двумя атомами кислорода, и двойная связь между атомом азота и оставшимся атомом кислорода.

Азотная кислота в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

Существует два правильных способа нарисовать структуру hno3 lewis, следовательно, он имеет две основные резонансные формы. Двойная стрелка на изображении выше указывает на то, что существует более одного способа нарисовать структуру азотной кислоты.

Физические и химические свойства

Водные растворы hno3:

  • «кислота азотная дымящая» имеет массовую долю 0,95-0,98;
  • концентрированная азотная кислота характеризуется массовой долей 0,6 — 0,7.

В водной среде в процессе кристаллизации азотной кислоты из водных растворов образуется азеотропная смесь, образуются кристаллогидраты:

  • моногидрат hno3·h2o с температурой плавления −37,62 °C;
  • тригидрат hno3·3h2o с температурой плавления −18,47 °C.

Азотная кислота в твердом агрегатном состоянии способна образовывать следующие кристаллические модификации:

  • моноклинная симгония;
  • ромбический.

формула

Водные растворы азотной кислоты имеют определенную плотность, которая зависит от ее концентрации и определяется уравнением:

d(c)=0,9952+0,564c+0,3005c2-0,359c3, d(c)=0,9952+0,564c+0,3005c2-0,359c3,

где d — плотность в г/см3, c — массовая доля кислоты.

В том случае, если требуется описать изменение плотности при концентрации азотной кислоты более 97 %, точность расчетов по этой формуле значительно снижается.

Характеристики

Физические свойства азотной кислоты:

  • жидкое агрегатное состояние при нормальных условиях;
  • масса краски 63,012 г/моль;
  • плотность 1,513 г/см3;
  • температура плавления -41,59°С;
  • температура кипения 82,6°С.

Высококонцентрированная HNO3 в большинстве случаев имеет коричневый цвет, обусловленный процессом разложения, протекающим на свету:

4хно3⟶4но2 ↑+2х2о+о2 ↑

В процессе повышения температуры вещество разлагается аналогично написанному уравнению. Разложения при перегонке азотной кислоты можно избежать, если создать среду с пониженным давлением. Частичное разложение азотной кислоты происходит в процессе кипячения или под действием света.

hno3, являясь сильной одноосновной кислотой, вступает в химические реакции с основными и амфотерными оксидами:

cuo+2hno3⟶cu(no3)2+h2o

zn+2hno3⟶zn(no3)2+h2o

азотная кислота реагирует с основаниями:

кох+hno3⟶kno3+h2o

азотная кислота способна вытеснять слабые кислоты из их солей:

caco3+2hno3⟶ca(no3)2+h2o+co2 ↑

Азотная кислота при любой концентрации играет роль окислителя в процессе, азот восстанавливается до степени окисления от +5 до -3, глубина восстановления во многом определяется природой восстановителя и концентрацией азотной кислота.

Золото, некоторые металлы платиновой группы и тантал инертны к азотной кислоте, другие металлы вступают с азотной кислотой в химические реакции, ход которых зависит от концентрации кислоты. При взаимодействии металлов с азотной кислотой водород не выделяется.

Являясь кислотой-окислителем, hno3 вступает в химические реакции с металлами, находящимися в ряду напряжений справа от водорода, в случае концентрированной азотной кислоты уравнение реакции примет вид:

cu+4hno3(60%)⟶cu(no3)2+2no2 ↑+2h2o

В том случае, если в этой реакции участвует разбавленная кислота, процесс будет осуществляться по следующей схеме:

3cu+8hno3(30%)⟶3cu(no3)2+2no ↑+4h2o

азотная кислота взаимодействует с металлами в ряду напряжений слева от водорода:

зн+4хно3(60%)⟶зн(но3)2+2но2 ↑+2ч2о

3зн+8нн3(30%)⟶3зн(н3)2+2нн ↑+4ч2н

4зн+10хно3(20%)⟶4зн(но3)2+н2о ↑+5ч2о

5зн+12чно3(10%)⟶5зн(но3)2+н2 ↑+6ч2о

4зн+10зн3(3%)⟶4зн(н3)2+нч4но3+3ч2о

Написанные уравнения основаны исключительно на доминирующем продукте реакции. это объясняется тем, что в созданных условиях продуктов этой реакции больше, чем продуктов других реакций. В качестве примера можно привести процесс химического взаимодействия цинка и азотной кислоты: при массовой доле в растворе 30 % продукты такой реакции содержат наибольшее количество no, no2, n2o, n2, а nh4no3 будет содержаться в меньших количествах.

Общая закономерность, которую можно наблюдать в процессе взаимодействия азотной кислоты с металлами, формулируется следующим образом: чем разбавленнее кислота и активнее металл, тем глубже восстанавливается азот:

Увеличение концентрации кислоты⇐no2,no,n2o,n2,nh4no3⇒ ⇐no2,no,n2o,n2,nh4no3⇒ увеличение активности металлов

Некоторые металлы, в том числе железо, хром, алюминий, кобальт, никель, марганец, бериллий, вступают в химические реакции с разбавленной азотной кислотой, пассивируются с концентрированной азотной кислотой и остаются устойчивыми при воздействии на нее. Азотная кислота любой концентрации не вступает в химическое взаимодействие с такими металлами, как золото и платина, железо, алюминий и хром пассивируются холодной концентрированной азотной кислотой.

Разбавленная азотная кислота реагирует с железом, в результате чего образуются продукты восстановления азота и окисления железа:

fe+4hno3(25%)⟶fe(no3)3+нет ↑+2h2o

4fe+10hno3(2%)⟶4fe(no3)2+nh4no3+3h2o

Азотная кислота может окислять неметаллы, в результате азот в большинстве случаев восстанавливается до no или no2:

s+6hno3(60%)⟶h2so4+6no2 ↑+2h2o

s+2hno3(40%)⟶h2so4+2no ↑

p+5hno3(60%)⟶h3po4+5no2 ↑+h2o

3р+5хн3(30%)+2ч2о⟶3ч3по4+5нн ↑

азотная кислота обладает способностью окислять сложные вещества:

fes+4hno3(30%)⟶fe(no3)3+s+no ↑+2h2o

Некоторые органические соединения, такие как амины и скипидар, могут самовозгораться при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой.

Смесь, в состав которой входят азотная и серная кислоты, называется «меланж». Азотная кислота активно используется в производстве нитросоединений.

Реакция

В том случае, если смешать три объема соляной кислоты и один объем азотной кислоты, получится смесь, называемая царской водкой. Этот продукт способен растворять большинство металлов, в том числе золото и платину. Свойства столь сильного окислителя объясняются образование атомарного хлора и нитрозилхлорида:

3hcl+hno3 →150oc nocl+cl2 ↑+2h2o

Химические реакции концентрированных азотной и соляной кислот с благородными металлами:

au+hno3+4hcl⟶haucl4+нет ↑+2h2o

3pt+4hno3+18hcl⟶3h2ptcl6+4no ↑+8h2o

Азотная кислота не вступает в химические реакции со стеклом и фторопластом-4.

Получение

Азотная кислота была впервые получена алхимиками из селитры и железного купороса в термической реакции:

4кно3 + 2фесо4 ∙ 7х2о → фе2о3 + 2к2со4 + 2хно3↑ + 2но2↑ + 6х2о.

В современной химии существуют промышленные и лабораторные способы получения азотной кислоты в лабораториях, кислоту получают нагреванием смеси нитратов и концентрированной серной кислоты:

kno3 + h2so4 → khso4 + hno3.

В промышленности азотную кислоту получают окислением аммиака. Способ осуществляется в три этапа.

Сначала аммиак окисляется на платиновых катализаторах до оксида азота(ii):

4nh3 + 5o2 → 4nh3 + 6h2o.

Эта реакция необратима.

Оксид азота (ii) или монооксид окисляется до диоксида или оксида азота (iv):

2не + о2 ↔ 2не2.

Заключительный этап – поглощение диоксида азота водой при избытке кислорода:

4no2 + o2 + 2h2o ↔ 4hno3.

Все реакции протекают с выделением тепла, т. е. являются экзотермическими, последние две реакции обратимы, поэтому конечная концентрация чистой азотной кислоты невелика (45-58 %).

завод по производству азотной кислоты в промышленных масштабах
Для увеличения концентрации при реакции оксида азота (iv) с водой равновесие смещается, при повышении давления можно также смешать разбавленную азотную кислоту с серной кислотой и нагреть ее, при этом азотная кислота испаряется и конденсируется.

Лабораторный метод получения азотной кислоты был открыт немецким алхимиком Иоганном Рудольфом Глаубером в 17 веке.

иоганн Рудольф Глаубер

Производство слабой азотной кислоты

Большая часть азотной кислоты образуется в результате каталитического окисления аммиака при высокой температуре. Это называется процессом Оствальда. Он состоит из трех стадий:

1) окисление аммиака

4 ч 3 + 5 ч 2 → 4 нет + 6 ч 2 ч

Смесь аммиака и воздуха (1:9) окисляется при высокой температуре (750-800℃) при прохождении через каталитический нейтрализатор катализатор обычно состоит из 90% платины и 10% родия эта реакция (экзотермическая) дает оксид азота и вода в виде пара.

2) окисление оксида азота

2 не + о2 → 2 не2

Оксид азота, образующийся в указанной выше реакции, окисляется: он некаталитически реагирует с остаточным кислородом с образованием диоксида азота, это медленная и гомогенная реакция, сильно зависящая от давления и температуры, при высоком давлении и низких температурах эта реакция дает максимальное количество диоксида азота за очень короткое время.

3) всасывание

3 не2 + н2о → 2 нно3 + не

В конечной реакции оксид азота поглощается водой, что дает желаемый продукт (азотную кислоту в разбавленном виде) вместе с оксидом азота. Концентрация hno 3 зависит от давления, температуры, количества ступеней абсорбции, а также концентрации оксидов азота, поступающих в абсорбер.

Производство сильной азотной кислоты

HNO 3 высокой концентрации получают концентрированием слабой HNO 3 методом экстрактивной перегонки в присутствии дегидратирующего агента, например 60%-ной серной кислоты.

Азотная кислота в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

Процесс протекает следующим образом: Сильная серная кислота и слабая азотная кислота поступают в насадочную колонну дегидратации при атмосферном давлении. Концентрированная HNO 3 выходит из верха колонны в виде 99% паров. Также состоит из небольшого количества кислорода и оксида азота от диссоциации азотной кислоты кислота.

Кислота проходит через щелочь и поступает в конденсаторную систему, которая отделяет ее от оксида азота и кислорода. Абсорбционная колонна собирает эти побочные продукты и объединяет оксид азота со вспомогательным воздухом для получения диоксида азота. Этот газообразный диоксид азота затем извлекается, так как слабая HNO 3 и небольшие непрореагировавшие инертные газы выбрасываются в атмосферу.

Применение

Химические и физические свойства азотной кислоты делают ее ценным веществом, которое имеет несколько различных применений в различных областях, особенно в химической и фармацевтической промышленности.

Удобрения: почти 80% производимой азотной кислоты используется для производства удобрений, точнее, для производства аммиачной селитры (nh 4–3) и известково-аммиачной селитры, которые используются в качестве удобрений.

nh 3 + nh 3 → nh 4, а не 3

Взрывчатые вещества: нитрат аммония также используется в качестве взрывчатого вещества в горнодобывающей промышленности, гражданском строительстве, разработке карьеров и др. примеры взрывчатых веществ, содержащих нитрат аммония, включают анфо, аматол и dbx.

Красители и пластмассы: известково-аммиачная селитра используется в некоторых упаковках для льда/геля в качестве альтернативы нитрату аммония, а также для производства химикатов и растворов, используемых при производстве красителей и пластмасс.

Ракетное топливо: красная и белая дымящаяся азотная кислота используется в жидкостных ракетах в качестве окислителя. Во время Второй мировой войны немецкие военные использовали дымящуюся красную азотную кислоту в различных ракетах.

Деревообработка: очень слабый hno3 (концентрация 10%) используется для искусственного состаривания древесины сосны и клена, придает древесине винтажный вид с промасленной отделкой.

Другое применение: слегка концентрированный раствор под названием нитал используется для травления металла, чтобы выявить его структуру на микроуровне. Азотная кислота с обратным холодильником используется в процессе очистки углеродных нанотрубок в электрохимии, hno3 используется в качестве химического легирующего агента для органических полупроводников.

Действие на организм

Азотная кислота ядовита. По степени воздействия на организм она относится к веществам 3-го класса опасности, её пары очень вредны: пары вызывают раздражение дыхательных путей, а сама кислота при воздействии на кожу оставляет долго не заживающие язвы. Характерная желтая окраска кожи возникает вследствие реакции ксантопротеина при нагревании или воздействии света, кислота разлагается с образованием высокотоксичного диоксида азота NO2 (бурый газ).

Примеры решения задач

пример 1

упражнение рассчитайте рН 6,3·10-5 м раствора азотной кислоты.
решение известно, что водородный индекс рассчитывается по формуле

ф = -lgч+.

при расчетах используем таблицы четырехзначных логарифмов:

рН = -lg(6,3×10-5) = 5 — 0,7993 = 4,2007.

нестепенной член логарифмического числа содержит две значащие цифры, поэтому округляем мантиссу до двух цифр: pH = 4,20.

ответ pH раствора азотной кислоты равен 4,20.

пример 2

упражнение напишите уравнение электронейтральности для водного раствора нитрата калия.
ответ в водном растворе нитрата калия (kno3 — калиевая соль азотной кислоты) присутствуют ионы k+, no3- и ионы h3o+ и oh-, образующиеся при диссоциации воды. Следовательно, уравнение электронейтральности должно быть записано следующим образом:

k+ + h3o+ = [no3—] + [oh—].

Оцените статью
Adblock
detector