Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 45. Нітратна кислота

Фізичні властивості

Нітратна кислота HNO₃:

• летка безбарвна рідина, із часом набуває жовтуватого забарвлення;

• t_кип. = 83 °С, t_пл. = -42 °С;

• густина 1,52 г/см³;

• необмежено розчинна у воді;

• гігроскопічна, енергійно поглинає вологу з повітря;

• має різкий їдкий запах;

• дуже небезпечна, отруйна; навіть розбавлена кислота спричиняє хімічні опіки шкіри, залишає на ній характерні жовті плями.

Поводитися з нітратною кислотою потрібно вкрай обережно!

Чисту (безводну) нітратну кислоту називають «димлячою» через те, що над відкритою посудиною виникає туман. У лабораторній практиці частіше використовують 68%-й розчин нітратної кислоти, зазвичай саме за такої концентрації її випускають у промисловості.

Хімічні властивості нітратної кислоти

• Електролітична дисоціація. Нітратна кислота — сильний електроліт. Вона змінює забарвлення індикаторів, у розбавлених розчинах повністю дисоціює на йони:

HNO₃⇄H⁺+ NO₃^-

• Реакції обміну. Нітратна кислота виявляє всі загальні властивості кислот — взаємодіє:

• з основними оксидами:

2HNO₃ + MgO = Mg(NO₃)₂+ Н₂О

• амфотерними оксидами та гідроксидами:

2HNO₃ + Zn(OH)₂= Zn(NO₃)₂+ 2Н₂О

• основами:

HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O

• солями слабких кислот:

2HNO + ВаСО = Ba(NO₃)₂+ СО₂↑ + Н₂О

• Взаємодія з металами. Як і сульфатна, нітратна кислота є сильним окисником: по-перше, через наявність у розчинах йонів Гідрогену Н⁺, по-друге, через сильніший окисник нітрат-іон ΝΟ₃^-. Це зумовлює особливості її взаємодії з металами.

Нітратна кислота взаємодіє майже з усіма металами за винятком золота, платини й деяких інших. У більшості випадків окрім солей металічних елементів утворюються різні продукти відновлення нітрат-іонів (NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄⁺). Це залежить від концентрації кислоти та активності металу: чим активніший метал і менша концентрація кислоти, тим сильніше відбувається відновлення.

Метали можуть витісняти водень із розчинів нітратної кислоти, але часто він утворюється разом з іншими продуктами відновлення Нітрогену.

У реакції міді з концентрованою нітратною кислотою залежно від концентрації кислоти утворюється нітроген(ІV) оксид або нітроген(ІІ) оксид (мал. 45.1):

В обох випадках окисником є нітрат-іон, що відновлюється до оксидів Нітрогену NO і NO₂.

Мал. 45.1. Під час взаємодія міді з концентрованою нітратною кислотою утворюється бурий газ — нітроген(ІV) оксид

Активніші метали можуть відновити нітратну кислоту до нітроген(І) оксиду, азоту N₂ або навіть до амоніаку:

3Zn + 8HNO₃ (30 %) = 3Ζn(ΝΟ₃)₂ + 2ΝΟ↑ + 4Н₂О

4Zn + 10HNO₃ (20 %) = 4Ζn(ΝΟ₃)₂ + Ν₂O↑ + 5Н₂О

5Mg + 12HNO₃ (10 %) = 5Mg(NO₃)₂ + N₂↑ + 6H₂O

4Mg + 10HNO₃ (3 %) = 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Залізо, хром і алюміній на холоді з концентрованою нітратною кислотою не взаємодіють унаслідок утворення на їхній поверхні тонкого шару хімічно стійкого оксиду. Говорять, що нітратна кислота пасивує ці метали. Завдяки такій особливості концентровану нітратну кислоту можна перевозити у сталевих цистернах.

Іван Євграфович Ададуров (1879-1938)

Український хімік, академік. Удосконалив технологію виробництва сульфатної та нітратної кислот, а також технології приготування каталізаторів для процесів окиснення сульфур(ІV) оксиду та амоніаку

Для визначення переважних продуктів реакції різних металів з нітратною кислотою можна скористатися схемою:

Цікавий факт

Дуже сильні окисні властивості нітратна кислота виявляє у складі «царської води» — суміші одного об'єму концентрованої нітратної кислоти й трьох об'ємів концентрованої хлоридної кислоти. На відміну від нітратної кислоти, ця суміш взаємодіє навіть із благородними металами — золотом і платиною:

Au + 3HNO₃+ 4НСl = HAuCl₄ + 3NO₂↑ + 3H₂O

Слід зауважити, що в цій схемі наведено лише найхарактерніші випадки. Іноді точно визначити продукти реакції нітратної кислоти з металами досить складно. Наприклад, у газовій суміші, що утворюється під час реакції цинку з нітратною кислотою, за 60 % кислоти переважає NO₂, за 30 % — NO, за 20 % — N₂O, за 10 % — N₂, за 3 % — NH₃. Хоча в більшості випадків можна користуватися наведеною схемою.

Під час взаємодії деяких металів (магнію, мангану) із нітратною кислотою певної концентрації в газовій суміші переважає водень. А під час взаємодії заліза з 20%-ю нітратною кислотою газова суміш на 50 % складається з водню.

• Окиснення деяких неметалів. Гаряча нітратна кислота окиснює вуглець, сірку, фосфор і деякі інші неметали, відновлюючись при цьому до NO₂:

Р + 5НNО₃(конц.) = Н₃РО₄ + 5ΝΟ₂↑ + Н₂О

S + 6ΗΝΟ₃(κοнц.) = H₂SO₄ + 6ΝΟ₂↑ + 2Н₂О

Димляча нітратна кислота за окисними властивостями перевершує концентровану. Тліюча скіпка або шматочок вугілля у разі контакту з нею загоряється яскравим полум’ям:

С + 4HNO₃(конц.) = СО₂ + 4ΝΟ₂ + 2Н₂О

• Розкладання. Під час зберігання на світлі концентрована нітратна кислота розкладається з утворенням нітроген(ІV) оксиду, набуваючи жовтуватого кольору:

• Дія на органічні сполуки. Більшість органічних сполук є горючими. У разі контакту із сильним окисником, зокрема з димлячою нітратною кислотою, вони займаються. Через це роботи з димлячою нітратною кислотою потребують суворих заходів безпеки.

Багато органічних сполук із нітратною кислотою вступають у реакцію нітрування, про що ви дізналися в курсі органічної хімії.

Методи добування нітратної кислоти

• У лабораторіях димлячу нітратну кислоту добувають дією концентрованої сульфатної кислоти на тверді солі — нітрати Натрію або Калію — з одночасним випарюванням:

ΚΝΟ₃(тв.) + Н₂SО₄(конц.) = KHSO₄ + ΗΝΟ₃↑

За нагрівання нітратна кислота випаровується з реакційного середовища, завдяки чому ця реакція стає необоротною.

• Загальну схему промислового виробництва нітратної кислоти можна представити у вигляді ланцюга перетворень:

N₂ → NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

Початковою сировиною є азот повітря, який перетворюють на амоніак. Під час окиснення амоніаку на платино-родієвому каталізаторі утворюється нітроген(II) оксид, що окиснюється до NO₂ киснем повітря за звичайних умов. Нітратну кислоту добувають взаємодією водяної пари із сумішшю нітроген(ІV) оксиду й кисню:

4NO₂ + О₂ + 2Н₂О = 4HNO₃

Застосування нітратної кислоти

Нітратна кислота — один із найважливіших продуктів хімічної промисловості. Обсяги її виробництва та використання можна порівняти лише із сульфатною кислотою.

• Найважливіше застосування нітратної кислоти — виробництво азотних та комбінованих мінеральних добрив.

• У суміші з концентрованою сульфатною кислотою (нітруюча суміш) нітратну кислоту використовують для добування вибухових речовин — тринітротолуену, тринітрогліцеролу, піроксиліну, гексогену тощо.

• Нітратну кислоту використовують у виробництві ортофосфатної кислоти з фосфору.

• Так звану червону димлячу нітратну кислоту застосовують як окисник ракетного палива в деяких моделях рідинних реактивних двигунів. А в металургії — для травлення і розчинення металів, травлення печатних форм (цинкографічні друкарські форми і магнієві кліше), а також для розділення суміші золота й срібла.

• Більшість яскравих барвників для тканин, пластмас, паперу — це складні нітрогеновмісні органічні сполуки. Їхній синтез неможливий без використання нітратної кислоти як нітруючого реагенту. Крім того, її застосовують у виробництві ліків, пластмас і волокон.

Ключова ідея

Особливості електронної будови атомів та високий ступінь окиснення Нітрогену зумовлюють дуже сильні окисні властивості концентрованої нітратної кислоти.

Запитання та завдання

265. Схарактеризуйте фізичні властивості та застосування нітратної кислоти.

266. Порівняйте хімічні властивості нітратної та сульфатної кислот.

267. Як залежать продукти взаємодії нітратної кислоти з металами від активності металів та концентрації кислоти?

268. Ртуть взаємодіє з концентрованою й розбавленою нітратною кислотою аналогічно міді. Запишіть рівняння реакцій.

269. Запишіть рівняння реакцій нітратної кислоти з купрум(IІ) гідроксидом, магній оксидом і натрій карбонатом у молекулярній і йонно-молекулярній формах.

270. З якими речовинами, наведеними в переліку, нітратна кислота взаємодіє як окисник, а з якими — як сильна кислота?

Мідь, купрум(ІІ) оксид, ферум(ІІІ) гідроксид, вуглець, кальцій карбонат.

271. Складіть рівняння реакцій для здійснення перетворень:

a) N₂→ NH₃→ NO → NO₂→ HNO₃→ NH₄NO₃

б) KNO₃→ HNO₃→ NO → NO₂→ NaNO₂ + NaNO₃

в) Cu(NO₃)₂ → NO₂ → HNO₃→ Ba(NO₃)₂ → KNO₃→ KNO₂