"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Азотная кислота HNO₃ — сильная кислота и важное сырьё для получения нитратов, в том числе минеральных удобрений. Её молекула содержит азот со степенью окисления +5, поэтому кислота проявляет выраженные окислительные свойства. При взаимодействии с металлами обычно не выделяется водород: азот восстанавливается до разных веществ в зависимости от условий. Концентрированная кислота может пассивировать некоторые металлы, а сама требует осторожного обращения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азотная кислота HNO₃ — сильная одноосновная кислота. В каждой её молекуле один атом водорода, один атом азота и три атома кислорода; в воде кислота практически полностью распадается на H⁺ и NO₃⁻. Это объясняет её общие кислотные свойства и помогает правильно записывать уравнения реакций.
Нитрат — соль азотной кислоты, содержащая нитрат-ион NO₃⁻. Например, NaNO₃ — нитрат натрия, а Cu(NO₃)₂ — нитрат меди(II). Узнавая нитрат-ион в формуле, можно определить, что соль образована азотной кислотой.
Окислительные свойства азотной кислоты — её способность принимать электроны за счёт атома азота со степенью окисления +5. При этом азот переходит в соединения с меньшей степенью окисления. Это понятие нужно, чтобы понимать, почему при реакции кислоты с металлами обычно не выделяется водород.
Пассивация — образование на поверхности металла плотного защитного слоя, который затрудняет дальнейшее взаимодействие с кислотой. Такой слой возникает, например, на железе, алюминии и хроме при действии концентрированной HNO₃. Пассивация объясняет, почему металл может оставаться внешне неизменным, хотя кислота обладает сильными химическими свойствами.
В молекуле HNO₃ атом азота связан с атомами кислорода, а водород входит в состав кислотной группы. Если принять степень окисления водорода равной +1, кислорода −2, то из равенства (+1) + x + 3 · (−2) = 0 получаем для азота x = +5. Это наивысшая характерная степень окисления азота, поэтому ему выгодно принимать электроны и переходить в более низкие степени окисления. Этим объясняются сильные окислительные свойства кислоты.
В воде связь в кислоте приводит к образованию ионов H⁺ и NO₃⁻, причём процесс идёт почти полностью. Именно ионы H⁺ обусловливают типичные свойства кислот: изменение окраски индикаторов и реакции с основаниями. Нитрат-ион остаётся в растворе и входит в состав образующихся солей. Поэтому при записи уравнений удобно отдельно учитывать кислотный остаток NO₃⁻.
Азотная кислота — едкая жидкость, пары которой опасны для дыхательных путей, а попадание на кожу вызывает химические ожоги. Она может быть летучей, а её пары на воздухе способны давать едкий туман. Поэтому с кислотой работают в защитных очках и перчатках, избегая вдыхания паров и контакта с кожей. Осторожность нужна не только из-за коррозионного действия, но и из-за способности кислоты окислять вещества.
При реакции с металлом кислота принимает электроны, а металл их отдаёт и превращается в положительно заряженный ион. Поэтому восстанавливается обычно азот в нитрат-ионе, а не водород из H⁺, и газообразный H₂, как при реакции металла с некоторыми другими кислотами, обычно не образуется. Продукт восстановления азота зависит от активности металла и концентрации кислоты: могут появляться, например, NO или NO₂. Следовательно, для составления уравнения нужно учитывать условия, а затем уравнять его как окислительно-восстановительную реакцию.
С основаниями и основными оксидами азотная кислота образует нитраты, а при нейтрализации основания — также воду. Здесь проявляются обычные кислотные свойства: кислотный водород соединяется с гидроксид-ионами, а остаток NO₃⁻ входит в состав соли. Концентрированная кислота пассивирует железо, алюминий и хром, поскольку на поверхности образуется плотная защитная плёнка. Она затрудняет доступ кислоты к металлу, но не означает, что металл вообще не способен реагировать при иных условиях.
Таблица показывает типичные направления реакций и то, какие вещества нужно ожидать среди продуктов. У металлов набор продуктов зависит от условий, поэтому приведённый пример не следует считать единственно возможным. При составлении уравнения проверьте, что формула соли содержит нитрат-ион NO₃⁻.
| С чем взаимодействует | Что образуется | Пример реакции |
|---|---|---|
| Металл | Нитрат металла, продукт восстановления азота и вода | 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O |
| Основный оксид | Нитрат и вода | CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O |
| Основание | Нитрат и вода | NaOH + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O |
| Соль более слабой кислоты | Нитрат и более слабая кислота | Na₂CO₃ + 2HNO₃ → 2NaNO₃ + H₂O + CO₂↑ |
Задача 1. Запишите уравнение реакции азотной кислоты с гидроксидом натрия. Это реакция кислоты с основанием, поэтому ожидаются соль и вода. Кислотный остаток NO₃⁻ соединяется с Na⁺, образуя нитрат натрия.
Ответ: NaOH + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O.
Задача 2. Составьте уравнение реакции меди с разбавленной азотной кислотой, если продукт восстановления азота — NO. Медь окисляется до Cu²⁺, а азот в нитрат-ионе восстанавливается от +5 до +2. Электронный баланс позволяет определить соотношение между атомами меди и азота.
Ответ: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.
Задача 3. Найдите объём NO, который получится из заданной массы меди m при реакции с разбавленной азотной кислотой. Поскольку числовое значение массы не указано, выразим ответ через m; для вычисления используем уравнение предыдущей реакции и молярный объём газа при нормальных условиях.
Ответ: V(NO) ≈ 0,233m л при нормальных условиях; подставьте заданную массу меди в граммах.
Ошибка — записывать выделение водорода при реакции металла с азотной кислотой. Её допускают, перенося правило для других кислот на HNO₃, но здесь кислота сама является окислителем и обычно восстанавливается азот. Проверьте продукты: в уравнении должен быть указан продукт восстановления азота, соответствующий условиям реакции.
Неверно считать, что любой металл с азотной кислотой даёт один и тот же продукт восстановления. Ученик может запомнить одно уравнение и применять его без учёта концентрации и металла. Перед уравниванием проверьте, какой продукт задан или ожидается: NO, NO₂ и другие варианты требуют разных коэффициентов.
Нитрат NO₃⁻ иногда путают с нитритом NO₂⁻. Оба иона содержат азот и кислород, поэтому ошибка возникает при невнимательном подсчёте атомов. Проверяйте формулу и название: в нитрате три атома кислорода, в нитрите — два.
Пассивацию ошибочно принимают за полное отсутствие способности кислоты реагировать с металлом. Так думают, если видимая реакция быстро прекращается, но её затрудняет защитная плёнка на поверхности. Чтобы проверить вывод, учитывайте условия: пассивирующий слой действует при определённых обстоятельствах, а не отменяет химические свойства металла и кислоты.
Для изучения азотной кислоты пригодятся знания об общих свойствах кислот, формулах солей и составлении уравнений реакций. При объяснении реакции с металлами нужны степени окисления и электронный баланс — способы проследить передачу электронов. Нитраты связаны с темой минеральных удобрений: многие из них используют для снабжения растений азотом. Сравнение HNO₃ с другими кислотами помогает увидеть, какие свойства общие, а какие определяются её окислительной способностью.
Почему азотная кислота считается сильной кислотой?
В воде HNO₃ практически полностью распадается на ионы H⁺ и NO₃⁻. Поэтому раствор содержит много ионов водорода, которые отвечают за общие свойства кислот.
Как называются соли азотной кислоты?
Соли азотной кислоты называются нитратами. В их составе есть нитрат-ион NO₃⁻.
Почему при реакции азотной кислоты с металлом обычно не выделяется водород?
Азотная кислота выступает не только как источник ионов H⁺, но и как окислитель. Электроны обычно принимает азот со степенью окисления +5, поэтому вместо выделения водорода образуются продукты восстановления азота.
От чего зависит продукт восстановления азота при реакции с металлом?
Он зависит от активности металла, концентрации кислоты и условий реакции. Азот может восстанавливаться до разных веществ, например NO, NO₂ или других продуктов.
Почему концентрированную азотную кислоту нельзя хранить в алюминиевой посуде?
На алюминии концентрированная кислота образует плотный защитный слой, который мешает дальнейшему взаимодействию. Это явление называется пассивацией, но при повреждении слоя или изменении условий металл может начать реагировать.
§ 30. Азотная кислота
