"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Азотная кислота HNO₃ — сильная одноосновная кислота и мощный окислитель, а её соли называются нитратами. Она реагирует с основаниями и основными оксидами, но при взаимодействии с металлами обычно не выделяет водород: продукты зависят от активности металла и концентрации кислоты. Концентрированная HNO₃ может пассивировать некоторые металлы. Знание свойств кислоты и нитратов помогает составлять уравнения реакций и предсказывать продукты разложения солей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азотная кислота HNO₃ — одноосновная сильная кислота, в которой азот имеет степень окисления +5. Одноосновной её называют потому, что одна молекула может отдать один ион H⁺. Это обозначение помогает понять состав кислоты и правильно составлять формулы её солей.
Нитрат-ион NO₃⁻ — кислотный остаток азотной кислоты, входящий в состав нитратов. Его заряд равен −1, а три атома кислорода входят в состав одного иона вместе с атомом азота. Зная заряд нитрат-иона, можно подобрать индексы в формуле соли так, чтобы общий заряд соединения был нулевым.
Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие ионы NO₃⁻. Например, NaNO₃ называется нитратом натрия, KNO₃ — нитратом калия, а Ca(NO₃)₂ — нитратом кальция; все эти соли растворимы в воде. Название и формулу важно различать: нитрат-ион один и тот же, а катион металла определяет, какая именно соль образовалась.
Пассивирование металлов — образование на поверхности металла защитной плёнки, мешающей его дальнейшему взаимодействию с концентрированной азотной кислотой. Такое поведение наблюдается, например, у железа, алюминия и хрома при обычных условиях. Пассивирование объясняет, почему некоторые металлы при контакте с кислотой не растворяются так, как можно было бы ожидать.
В формуле HNO₃ только один атом водорода связан с кислотным остатком, поэтому кислота одноосновная. При диссоциации этот атом переходит в раствор как H⁺, а оставшаяся часть становится нитрат-ионом: HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻. Именно соотношение один к одному помогает составлять формулы солей и уравнения нейтрализации.
Азотная кислота считается сильной, потому что в водном растворе значительная часть её молекул распадается на ионы. Ионы H⁺ реагируют с OH⁻ оснований с образованием воды, а нитрат-ионы соединяются с катионами металла; поэтому нейтрализация даёт нитрат и воду. С основными оксидами тоже образуются соль и вода, а с солями реакция идёт, если среди продуктов появляется осадок, газ или слабый электролит.
Азот в HNO₃ имеет высокую степень окисления +5 и может принимать электроны, то есть восстанавливаться. Поэтому кислота окисляет многие металлы, а сама превращается в соединения азота с меньшей степенью окисления. Водород металлами обычно не вытесняется: кислота расходуется как окислитель, и вместо H₂ возникают, например, оксиды азота.
Концентрация кислоты влияет на глубину восстановления азота, поэтому меняется газообразный продукт реакции. Например, медь с концентрированной HNO₃ даёт бурый газ NO₂: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. С разбавленной кислотой обычно образуется бесцветный NO: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O; активность металла и другие условия также могут изменить продукты.
При нагревании нитраты разлагаются, но состав продуктов зависит от активности металла. Нитраты щелочных металлов, кроме нитрата лития, превращаются в нитриты и кислород: 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂. Нитраты металлов средней активности дают оксид металла, NO₂ и O₂, а нитраты малоактивных металлов могут образовать металл, NO₂ и O₂; поэтому одного слова «нитрат» недостаточно, чтобы предсказать разложение.
| Объект или реакция | Условия | Основные продукты | Пример уравнения |
|---|---|---|---|
| Диссоциация азотной кислоты | В водном растворе | Ионы H⁺ и NO₃⁻ | HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻ |
| Нейтрализация HNO₃ основанием | Кислота и растворимое основание | Нитрат и вода | HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O |
| Взаимодействие HNO₃ с металлом: концентрированная кислота | Например, Cu и концентрированная HNO₃ | Нитрат металла, NO₂ и вода | Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O |
| Взаимодействие HNO₃ с металлом: разбавленная кислота | Например, Cu и разбавленная HNO₃ | Нитрат металла, NO и вода | 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O |
| Разложение нитратов щелочных металлов при нагревании | Кроме нитрата лития | Нитрит и кислород | 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂ |
| Разложение нитратов металлов средней активности при нагревании | Например, нитрат меди(II) | Оксид металла, NO₂ и кислород | 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂ |
Сначала определите, какая кислота или соль участвует в реакции, затем обратите внимание на концентрацию HNO₃ и активность металла. Эти условия помогают выбрать продукты, а коэффициенты после этого проверяют по числу атомов каждого элемента. Для разложения нитратов прежде всего выясните, к какой группе активности относится металл.
Условие: составьте уравнение реакции азотной кислоты с гидроксидом кальция и назовите образующуюся соль. При нейтрализации ионы H⁺ кислоты соединяются с OH⁻ основания с образованием воды. В Ca(OH)₂ содержатся две гидроксид-группы, значит, для их нейтрализации нужны две молекулы HNO₃.
Ответ: 2HNO₃ + Ca(OH)₂ → Ca(NO₃)₂ + 2H₂O. Образуется нитрат кальция. Проверка показывает, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.
Условие: запишите уравнение взаимодействия меди с концентрированной HNO₃. Концентрированная кислота окисляет медь до Cu²⁺, а азот со степенью окисления +5 восстанавливается до +4 в NO₂. Поэтому среди продуктов будут нитрат меди(II), диоксид азота и вода, а не водород.
Ответ: Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Бурый газ — диоксид азота. Указание концентрации важно: с разбавленной кислотой медь обычно образует NO, а не NO₂.
Условие: при нагревании разложили 17,0 г Cu(NO₃)₂. Найдите массу твёрдого остатка. Нитрат меди(II) относится к нитратам металлов средней активности и даёт CuO, NO₂ и O₂. Твёрдый остаток — оксид меди(II), а газы покидают реакционную смесь.
Ответ: масса твёрдого остатка составляет примерно 7,2 г. При вычислении округлили результат до двух значащих цифр. Массу газов в остаток не включают, поскольку они выделяются при нагревании.
Одна ошибка — считать HNO₃ обычной неокисляющей кислотой и записывать выделение H₂ при реакции с металлом. Такое ожидание переносят с реакций металлов с другими кислотами, но здесь кислота сама принимает электроны. Проверьте себя: если среди продуктов написан водород, выясните, не забыли ли вы об окислительных свойствах HNO₃.
Другая ошибка — использовать одинаковые продукты для концентрированной и разбавленной кислоты. Это происходит, если в уравнении не учитывают условия реакции, хотя от них зависит степень восстановления азота. Перед составлением уравнения подпишите концентрацию и проверьте, какой продукт ожидается: например, для Cu это NO₂ с концентрированной и NO с разбавленной кислотой.
Нитрат-ион NO₃⁻ иногда путают с нитрит-ионом NO₂⁻. Названия похожи, но в нитрате три атома кислорода, а в нитрите — два, поэтому путаница меняет формулу соли и уравнение реакции. Сверяйте индекс кислородного атома с названием: нитрат содержит NO₃⁻.
Неверно считать, что все нитраты при нагревании дают одинаковые продукты. Обычно это происходит, когда ученик запоминает только один пример и не учитывает активность металла. Проверьте, к какой группе относится металл: у нитратов щелочных металлов, металлов средней активности и малоактивных металлов схемы разложения различаются.
Для изучения свойств HNO₃ нужны знания о составе кислот и солей, диссоциации, степенях окисления и составлении формул по зарядам ионов. При уравнивании реакций с металлами пригодится метод электронного баланса: он помогает проследить передачу электронов. Знания о нитратах и азотной кислоте используются дальше при изучении окислительно-восстановительных реакций, свойств металлов и соединений азота. Они также нужны для решения расчётных задач по уравнениям реакций.
Почему азотная кислота не выделяет водород при реакции с металлами?
Азотная кислота — окислитель: она окисляет металл, а сама восстанавливается, поэтому водород из кислоты обычно не выделяется. Вместо него образуются продукты восстановления азота, например NO₂ или NO.
Почему продукты реакции меди с азотной кислотой зависят от её концентрации?
Концентрация влияет на то, до какой степени восстанавливается азот со степенью окисления +5. С концентрированной кислотой обычно образуется NO₂, а с разбавленной — NO.
Как определить формулу нитрата по зарядам ионов?
Запишите катион металла и нитрат-ион NO₃⁻, затем подберите индексы так, чтобы суммарный заряд был равен нулю. Например, для Ca²⁺ нужны два нитрат-иона, поэтому формула соли — Ca(NO₃)₂.
Почему концентрированная азотная кислота не реагирует с некоторыми металлами при обычных условиях?
На поверхности некоторых металлов, например железа, алюминия и хрома, образуется плотная защитная плёнка. Она мешает кислоте соприкасаться с металлом и останавливает дальнейшую реакцию; это явление называют пассивированием.
Как предсказать продукты разложения нитрата при нагревании?
Определите положение металла в ряду активности. Нитраты щелочных металлов, кроме лития, дают нитрит и кислород; нитраты металлов средней активности — оксид, NO₂ и O₂. Нитраты малоактивных металлов могут разлагаться до металла, NO₂ и O₂.
§ 25. Азотная кислота и ее соли
