Азотная кислота _теоретические материалы_

Лекционный материал по азотной кислоте для профильных классов. Звягин А.С. ГБОУ СОШ № 323 г. Москва
Азотная кислота
I. Строение молекулы азотной кислоты1
Рассмотрим строение молекулы азотной кислоты с помощью метода валентных связей.
1s
Электронные формулы атомов химических элементов, входящих
в состав молекулы азотной кислоты:
O
1
H
Н
1s
1
2 2
3
H
O
N
1s 2s 2p
7N
1s22s22p4
8O
В соответствии со структурной формулой азотной O
2p
2s
кислоты, рассмотрим механизм образования ковалентных
связей. Все атомы химических элементов находятся в
O
основном (невозбуждённом) состоянии, кроме одного атома
кислорода. По обменному механизму образуется большинство
химических связей (обозначены волнистой линией). Одна
связь образуется по донорно-акцепторному механизму.
2p
2s
Как видно из схемы образования молекулы азот имеет
валентность IV, а V (как это следует из упрощённой
структурной формулы HNO3). Следовательно, структурную N
формулу азотной кислоты следует изображать следующим
образом:
O
O
2s
H
O
H
N
O
O
2p
2s
N
O
O*
2p
O
Так как реально становится невозможным зафиксировать какой именно кислород образует связь с
азотом по донорно-акцепторному механизму, а какой – по обменному, то изображают две
предельные структуры (указаны выше). Электронная плотность между азотом и кислородами
распределена равномерно, поэтому кратность связи равна 1,5. Что
O
отражается на структурной формуле азотной кислоты. Пунктир
H
O
N
означает, что между атомами образована как бы «половинка»
связи, т.е. два электрона распределены между тремя атомами.
O
Полноценных связей между азотом и кислородами по одной.
Суммируя, получим, что между азотом и концевыми кислородами образуется полуторная связь.
II. Физические свойства азотной кислоты
Азотная кислота представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом, легко
испаряется (концентрированная кислота «дымит» на воздухе) и кипит при температуре 86 0С. При
хранении азотная кислота приобретает бурый цвет, что объясняется её разложением на свету или
при нагревании. Уравнение протекающего процесса:
4HNO3 → 4NO2↑ + 2H2O + O2↑
Выделяющийся при этом оксид азота (IV) окрашивает кислоту в бурый цвет. Исходя из этого,
азотную кислоту требуется хранить в тёмном прохладном месте. Концентрированная азотная
кислота при попадании на кожу вызывает сильные ожоги (появляются характерные жёлтые
пятна). В случае химического ожога следует незамедлительно промыть поражённые участки
кожных покровов обильным количеством воды, а затем нейтрализовать2 содой NaHCO3.
III. Химические свойства азотной кислоты.
Для азотной кислоты характерны все общие свойства кислот, а также специфические, т.е.
те, которые проявляются только у неё.
1
2
Строение молекулы азотной кислоты рассматривают с позиций электронного резонанса (изучается в высшей школе).
Кислота нейтрализуется содой по уравнению HNO3 + NaHCO3 → NaNO3 + H2O + CO2↑
Лекционный материал по азотной кислоте для профильных классов. Звягин А.С. ГБОУ СОШ № 323 г. Москва
Кислотно-основные свойства
1. Диссоциация:
HNO3
H+ + NO32. Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами:
BaO + 2HNO3 → Ba(NO3)2 + H2O
BaO + 2H+ → Ba2+ + H2O
3. Взаимодействие с основаниями:
Ba(OН)2 + 2HNO3 → Ba(NO3)2 + 2H2O
ОН- + H+ → H2O
4. Взаимодействие с солями:
BaCO3 + 2HNO3 → Ba(NO3)2 + CO2↑ + H2O
BaCO3 + 2H+ → Ba2+ + CO2↑ + H2O
Окислительно-восстановительные свойства
+1 +5 -2 В состав молекулы азотной кислоты входят атомы химических элементов+1 водорода
и азота, причём в своей максимальной степени окисления Н
и N+5.
они обеспечивают окислительные свойства азотной кислоты.
3 Следовательно,
Однако необходимо отметить, что катионы водорода являются более слабыми
окислителями, чем нитрат-анион NO3-.
Следовательно, катионы водорода не смогут проявить свои окислительные свойства в
присутствии более сильного окислителя.
HNO
► Взаимодействие с металлами.
При взаимодействии азотной кислоты с металлами необходимо помнить, что разбавленная и
концентрированная HNO3 никогда не даёт водорода. В зависимости от концентрации кислоты и
активности металла продуктами реакции могут быть следующие вещества.
-3
левее Zn
Me(NO3)x + NH4NO3 + H2O
HNO3
HNO3
(razb)
+ Me
+ Me
от Zn до (Н)
0
Me(NO3)x + N2
Сu и далее
+2
Me(NO3)x + NO + H2O
левее Zn
0
Me(NO3)x + N2
от Zn до (Н)
+2
Me(NO3)x + NO + H2O
Cu и далее
+4
Me(NO3)x + NO2 + H2O
(konc)
+ H2O
+ H2O
Исходя из этой схемы, можно сделать вывод, что чем активнее металл и чем более разбавлена
кислота, тем более глубоко происходит восстановление азота N+5.
Следует отметить, что азотная кислота любой концентрации не реагирует с золотом и
платиной. Концентрированная HNO3 пассивирует такие металлы, как железо, алюминий и хром.
Сущность пассивирования заключается в образовании на поверхности металла тонкой, но очень
плотной оксидной плёнки, которая предохраняет металл от дальнейшего взаимодействия с
кислотой. Например, пассивация алюминия:
3Al + 12HNO3(конц) → Al(NO3)3 + Al2O3 + 9NO2↑ + 6H2O
Лекционный материал по азотной кислоте для профильных классов. Звягин А.С. ГБОУ СОШ № 323 г. Москва
► Взаимодействие с неметаллами.
+5
0
+6
+2
2HNO3(разб) + S → H2SO4 + 2NO↑
0
+5
+4
+5
P + 5HNO3(конц) → 5NO2↑ + H3PO4 + H2O
► Взаимодействие со сложными веществами.
Например, азотная кислота способна окислять двухвалентные соединения железа и хрома в
трёхвалентные:
+2
+5
+3
+4
FeO + 4HNO3(конц) → Fe(NO3)3 + NO2↑ + 2H2O
► Разложение концентрированной азотной кислоты при нагревании или на свету.
+5 -2
+4
0
4HNO3 → 4NO2↑ + 2H2O + O2↑
►Качественная реакция на нитрат-анион NO3Для определения нитрат-анионов необходимо использовать концентрированную серную кислоту и
медь. Протекающий процесс:
H2SO4(konc)
Cu + 4HNO3(konc)
Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
t
Происходит выделение бурого газа NO2 и раствор становится сине-зелёного цвета (происходит
наложение цветов: NO2 – бурый, а Сu2+ - голубая). По истечении некоторого времени раствор
становится голубого цвета. Концентрированная серная кислота используется в качестве
водоотнимающего средства (H2SO4(конц) обладает гигроскопичностью) для повышения
концентрации азотной кислоты, что способствует протеканию реакции.
IV. Получение азотной кислоты.
► В лаборатории.
Лабораторный способ получения азотной кислоты заключается во взаимодействии нитратов с
концентрированной серной кислотой при нагревании.
t
NaNO3(k) + H2SO4(konc)
NaHSO4 + HNO3
Летучую азотную кислоту конденсируют с помощью холодильника. Принцип реакции основан на
том, что серная кислота вытесняет азотную из её солей вследствие того, что HNO3 является
летучей.
► В промышленности.
Сырьё: аммиак NH3 и кислород.
♦ Первая стадия – каталитическое окисление аммиака.
Pt
4NO + 6H2O
4NH3 + 5O2
t
♦ Вторая стадия – окисление NO в NO2.
2NO + O2 → 2NO2
♦ Третья стадия – растворение оксида азота (IV) в воде с избытком кислорода.
4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3
Этот способ был разработан в 1916 г русским инженером-химиком И.И. Андреевым.
V. Применение азотной кислоты.
1. Производство азотных удобрений.
2. Нитрующий реагент в различных синтезах.
3. Производство взрывчатых веществ и лекарственных препаратов.