Азотная кислота

9 заданий

Получение и свойства

В промышленности азотную кислоту получают из аммиака по способу Оствальда. Превращение проходит в три стадии:

Сначала аммиак окисляется в присутствии платинородиевого катализатора: \(\ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt-Rh] 4NO + 6H2O}\).
Затем образовавшийся оксид азота(II) окисляется кислородом: \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\).
Наконец, оксид азота(IV) взаимодействует с кислородом и водой: \(\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}\).

Суммарное уравнение процесса имеет вид \(\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}\). Следовательно, из моля аммиака получают моль азотной кислоты.

При таком получении образуется кислота с концентрацией 55–68 %. Смесь с содержанием кислоты 68 % представляет собой азеотроп с температурой кипения 121 °C. Более концентрированную кислоту получают перегонкой с серной кислотой или прямым синтезом под давлением.

history_eduГлаубер и «крепкая водка»

Алхимики получали азотную кислоту, которую называли «крепкой водкой» (aqua fortis), перегонкой селитры с купоросом. В XVII веке Иоганн Глаубер предложил перегонять селитру с серной кислотой: \(\ce{NaNO3 + H2SO4 ->[t] NaHSO4 + HNO3 ^}\). Этим способом кислоту получали до конца XIX века.

Азотная кислота проявляет свойства сильной кислоты в реакциях со щелочами и карбонатами. Кроме того, она разлагается под действием света и вызывает характерное пожелтение белков при действии концентрированной кислоты.

scienceСвойства азотной кислоты

\(\ce{4HNO3 ->[h\nu] 4NO2 + O2 + 2H2O}\) — под действием света азотная кислота разлагается и желтеет из-за растворённого \(\ce{NO2}\); поэтому её хранят в тёмных склянках.
\(\ce{HNO3 + NaOH -> NaNO3 + H2O}\) — как сильная кислота, азотная кислота реагирует со щёлочью с образованием соли и воды.
\(\ce{CaCO3 + 2HNO3 -> Ca(NO3)2 + CO2 + H2O}\) — при реакции с карбонатом кальция образуются соль, углекислый газ и вода.
При действии концентрированной азотной кислоты белки желтеют. Это ксантопротеиновая реакция, связанная с нитрованием ароматических колец; ею объясняются жёлтые пятна на коже.

Азотная кислота и неметаллы

В реакциях с неметаллами азотная кислота выступает окислителем. Углерод при этом окисляется до оксида, а сера, фосфор и иод — до кислородных кислот. В приведённых ниже реакциях концентрированная азотная кислота восстанавливается до \(\ce{NO2}\), а разбавленная — до \(\ce{NO}\). Азотная кислота также окисляет сероводород: в зависимости от концентрации кислоты продуктом окисления серы становится свободная сера или серная кислота.

scienceОкисление неметаллов

\(\ce{C + 4HNO3 (конц) ->[t] CO2 + 4NO2 + 2H2O}\) — раскалённый уголь горит в парах азотной кислоты.
\(\ce{S + 6HNO3 (конц) ->[t] H2SO4 + 6NO2 + 2H2O}\) — при реакции серы с концентрированной азотной кислотой образуется серная кислота.
\(\ce{P + 5HNO3 (конц) -> H3PO4 + 5NO2 + H2O}\) — концентрированная азотная кислота окисляет фосфор до фосфорной кислоты.
\(\ce{3P + 5HNO3 (разб) + 2H2O -> 3H3PO4 + 5NO}\) — разбавленная азотная кислота также окисляет фосфор до фосфорной кислоты, но сама восстанавливается до оксида азота(II).
\(\ce{I2 + 10HNO3 (конц) -> 2HIO3 + 10NO2 + 4H2O}\) — при реакции иода с концентрированной азотной кислотой образуется иодноватая кислота.
\(\ce{3H2S + 2HNO3 (разб) -> 3S + 2NO + 4H2O}\) — разбавленная азотная кислота окисляет сероводород до серы, а концентрированная окисляет его до серной кислоты.

Коэффициенты перед продуктами восстановления кислоты можно проверить по числу электронов, отданных неметаллом.

boltПодсчёт молекул оксида азота(IV)

При образовании каждой молекулы \(\ce{NO2}\) атом азота принимает один электрон. Поэтому число молекул \(\ce{NO2}\) равно числу электронов, отданных окисляющимся неметаллом. Атом C при изменении степени окисления от 0 до +4 отдаёт 4 электрона; атом S при переходе от 0 до +6 отдаёт 6 электронов, а атом P при переходе от 0 до +5 отдаёт 5 электронов.

Сильное окислительное действие дымящей азотной кислоты проявляется и в реакциях с органическими веществами.

auto_awesomeСкипидар в азотной кислоте

Некоторые органические вещества, в том числе скипидар и опилки, воспламеняются при контакте с дымящей азотной кислотой. Азотную кислоту использовали в первых ракетных топливах вместе с анилином или керосином; пара азотной кислоты и анилина самовоспламеняется.

Царская водка и особые случаи

Царская водка — смесь концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 : 3. Азотная кислота окисляет хлорид-ионы соляной кислоты; при этом образуются хлор и хлорид нитрозила:

\[\ce{HNO3 + 3HCl -> NOCl + Cl2 + 2H2O}\]

Образовавшиеся вещества участвуют в окислении даже золота и платины. Одновременно хлорид-ионы связывают ионы этих металлов в прочные комплексы, благодаря чему металлы переходят в раствор: \(\ce{Au + HNO3 + 4HCl -> H[AuCl4] + NO + 2H2O}\); \(\ce{3Pt + 4HNO3 + 18HCl -> 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O}\).

infoПочему кислоты действуют только вместе

Потенциал пары \(\ce{Au^3+/Au}\) (1,50 В) выше, чем у азотной кислоты, поэтому сама по себе она не окисляет золото. Образование комплекса \(\ce{[AuCl4]-}\) снижает потенциал пары \(\ce{[AuCl4]-/Au}\) до 1,00 В; при этих условиях окисление становится возможным. Соляная кислота сама по себе золото также не окисляет.

При решении задач следует учитывать и другие особенности действия азотной кислоты на металлы.

scienceОсобые случаи

Железо \(\ce{Fe}\), алюминий \(\ce{Al}\) и хром \(\ce{Cr}\) пассивируются при действии концентрированной азотной кислоты (урок 83).
\(\ce{Sn + 4HNO3 (конц) -> SnO2 v + 4NO2 + 2H2O}\) — при реакции олова образуется нерастворимый осадок; его состав в уравнении записан упрощённо, поскольку метаоловянная кислота представляет собой гидратированный оксид олова(IV).
\(\ce{3Ag + 4HNO3 (разб) -> 3AgNO3 + NO + 2H2O}\) — при «кислотной пробе» серебро растворяется в разбавленной азотной кислоте, а золото остаётся; так эти металлы отделяют друг от друга.
Ниобий, тантал, иридий и родий не растворяются даже в царской водке.

push_pinГлавное

Азотную кислоту получают окислением аммиака по способу Оствальда: \(\ce{NH3 -> NO -> NO2 -> HNO3}\). Концентрированная кислота содержит около 68 % кислоты и представляет собой азеотроп, а дымящая содержит более 90 %. На свету азотная кислота разлагается (\(\ce{4HNO3 -> 4NO2 + O2 + 2H2O}\)), поэтому желтеет. В окислительно-восстановительных реакциях окислителем служит нитрат-ион: при взаимодействии с металлами в зависимости от условий образуются \(\ce{NO2}\), \(\ce{NO}\), \(\ce{N2O}\), \(\ce{N2}\) или \(\ce{NH4+}\) (урок 83). Неметаллы окисляются до кислот или оксидов: \(\ce{S -> H2SO4}\), \(\ce{P -> H3PO4}\), \(\ce{C -> CO2}\), \(\ce{I2 -> HIO3}\). Царская водка (\(\ce{HNO3 : HCl = 1 : 3}\)) растворяет золото и платину благодаря окислению металлов и образованию их хлоридных комплексов.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.