§ 27. Азотная кислота

Определения и обозначения

Азотная кислота — вещество состава HNO₃, молекула которого включает один атом водорода, один атом азота и три атома кислорода. Это сильная одноосновная кислота: в воде она практически полностью отдаёт один ион H⁺ на одну молекулу. Формула нужна, чтобы правильно записывать реакции и рассчитывать количество кислоты, а слово «одноосновная» указывает число кислотных атомов водорода.

Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие нитрат-ион NO₃⁻. Их общий вид можно записать как M(NO₃)n, где M — металл, а n показывает, сколько нитрат-ионов нужно для уравновешивания заряда металла. Например, формула нитрата кальция — Ca(NO₃)₂, потому что ион кальция имеет заряд 2+, а каждый нитрат-ион — 1−. Это обозначение помогает составлять формулы солей и распознавать их в уравнениях.

Разбавленная и концентрированная азотная кислота отличаются долей HNO₃ и воды в растворе. В разбавленном растворе воды относительно больше, а в концентрированном — больше самой кислоты; единого состава, соответствующего всем возможным растворам, нет. Различие важно не только для описания раствора: при реакциях с металлами концентрация влияет на то, до какого соединения восстановится азот.

Пассивирование — образование на поверхности металла плотной защитной плёнки, которая мешает дальнейшему взаимодействию с веществами. Концентрированная азотная кислота способна пассивировать железо и алюминий при обычных условиях. Это понятие объясняет, почему металл может казаться нереагирующим, хотя кислота обладает сильными окислительными свойствами. Оно также помогает понять правила обращения с такими металлами и кислотой.

Как это устроено

Молекула HNO₃ состоит из атомов водорода, азота и кислорода, связанных между собой; её состав отражает формула кислоты. Кислотные свойства в водном растворе связаны с тем, что атом водорода может отделиться в виде H⁺. В воде свободный протон фактически взаимодействует с молекулами воды, но в школьных уравнениях его обычно записывают как H⁺. Поэтому раствор азотной кислоты изменяет свойства индикаторов и вступает в характерные реакции кислот.

Диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде. Для азотной кислоты её записывают так: HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻. Поскольку кислота сильная, процесс в водном растворе идёт практически полностью, и в растворе много подвижных ионов. Ионы H⁺ определяют кислотные свойства, а NO₃⁻ сохраняется в растворе и входит в состав образующихся нитратов.

Окислительные свойства связаны с тем, что азот в HNO₃ способен принимать электроны и переходить в соединения с более низкой степенью окисления. Поэтому при реакции металл отдаёт электроны, а азот кислоты их принимает. У неокисляющей кислоты активный металл обычно вытесняет водород и образует соль, но для HNO₃ такой типичный исход не подходит. Вместо водорода появляются продукты восстановления азота, а сами металлы переходят в нитраты.

Концентрация влияет на глубину восстановления азота, поэтому продукты реакции одного и того же металла могут быть разными. Например, медь с разбавленной кислотой обычно образует NO, который на воздухе может окисляться до NO₂. С концентрированной кислотой чаще сразу выделяется NO₂. При взаимодействии с более активными металлами и при других условиях возможны также другие азотсодержащие продукты, поэтому для уравнения нужно учитывать условия, указанные в задаче.

Железо и алюминий концентрированная HNO₃ при обычных условиях пассивирует: на поверхности возникает защитная плёнка, которая отделяет металл от раствора. Это не означает, что азотная кислота вообще не способна окислять эти металлы: защитный слой мешает продолжению реакции. При нагревании условия могут измениться. Кроме того, свет ускоряет разложение кислоты: 4HNO₃ → 4NO₂ + O₂ + 2H₂O, поэтому её хранят в тёмной посуде.

Свойства и характерные реакции азотной кислоты

Таблица помогает быстро выбрать тип реакции по исходному веществу и условию, а затем проверить ожидаемые продукты. Для реакций с металлами особенно важно смотреть на концентрацию кислоты: она влияет на продукт восстановления азота. Коэффициенты следует проверять подсчётом атомов каждого элемента с обеих сторон уравнения.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнения диссоциации HNO₃ и реакций азотной кислоты с CuO и Na₂CO₃. Здесь нужно узнать знакомые типы кислотных реакций: распад на ионы, взаимодействие с основным оксидом и реакцию с карбонатом. В последней реакции обязательно учитывают образование углекислого газа и воды.

1. Диссоциация: HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻. На одну частицу кислоты приходятся один ион водорода и один нитрат-ион.
2. Для CuO записываем соль меди и воду, затем уравниваем: CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O.
3. Для Na₂CO₃ образуются нитрат натрия, вода и углекислый газ: Na₂CO₃ + 2HNO₃ → 2NaNO₃ + H₂O + CO₂↑.

Ответ: записаны три уравнения. Коэффициент 2 перед HNO₃ нужен, чтобы обеспечить два нитрат-иона для Cu(NO₃)₂ и два атома натрия в NaNO₃. В уравнении с карбонатом он также обеспечивает образование двух формульных единиц NaNO₃.

Задача 2. Составьте уравнения реакций меди с разбавленной и концентрированной HNO₃. При работе с разбавленной кислотой примем типичный продукт восстановления NO, а с концентрированной — NO₂. Медь окисляется до Cu²⁺, поэтому в обоих уравнениях образуется нитрат меди(II).

1. Для разбавленной кислоты составляем схему: Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O. После подбора коэффициентов получаем: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.
2. Для концентрированной кислоты используем продукт NO₂: Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O. Уравнение: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.
3. Проверяем число атомов каждого элемента слева и справа. В обоих случаях водород образует воду, а не выделяется как H₂.

Ответ: с разбавленной HNO₃ образуется NO, с концентрированной — NO₂. Это типичные уравнения для меди: для других металлов и условий продукты восстановления могут отличаться. Перед использованием уравнения в расчётах нужно убедиться, что концентрация соответствует условию задачи.

Задача 3. При взаимодействии меди с избытком разбавленной HNO₃ получено 0,20 моль NO. Найдите массу прореагировавшей меди и объём израсходованной кислоты, если её концентрация равна 2,0 моль/л. Используем уравнение 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O. Коэффициенты дают соотношения веществ, необходимые для расчёта.

1. Из уравнения следует, что на 2 моль NO расходуется 3 моль Cu и 8 моль HNO₃. Поэтому n(Cu) = 0,20 × 3/2 = 0,30 моль.
2. Масса меди равна произведению количества вещества на молярную массу: m(Cu) = 0,30 × 64 = 19,2 г. Для кислоты n(HNO₃) = 0,20 × 8/2 = 0,80 моль.
3. По формуле c = n/V находим объём раствора: V = 0,80/2,0 = 0,40 л. Проверяем, что найден объём именно раствора, а не чистой HNO₃.

Ответ: масса меди — 19,2 г, объём израсходованного раствора кислоты — 0,40 л. При решении важно брать коэффициенты из уравнения именно для разбавленной кислоты и не округлять промежуточные значения без необходимости. Если концентрация раствора не задана, вычислить его объём нельзя.

Типичные ошибки

Первая ошибка — записать реакцию металла с HNO₃ по схеме обычной кислоты, выделив H₂. Так поступают, когда переносят знакомое правило без учёта окислительных свойств азотной кислоты. Проверьте себя: в продуктах должны быть нитрат металла и продукт восстановления азота, например NO или NO₂, а не водород.

Вторая ошибка — использовать одно и то же уравнение для разбавленной и концентрированной кислоты. Причина в том, что концентрацию воспринимают как несущественную деталь, хотя она влияет на продукты восстановления. Перед уравниванием выпишите условия и выберите соответствующий продукт азота; для меди типичны NO в разбавленной и NO₂ в концентрированной кислоте.

Третья ошибка — считать, что концентрированная HNO₃ всегда активно реагирует с железом и алюминием. При обычных условиях возникает защитная плёнка, поэтому металл пассивируется; это не следует путать с отсутствием окислительной способности кислоты. Проверяйте, указано ли в задаче пассивирование, нагревание или иные условия.

Четвёртая ошибка — расставлять коэффициенты в окислительно-восстановительном уравнении на глаз и не проверять результат. Так можно нарушить баланс азота, кислорода или электронов, даже если формулы веществ выглядят правдоподобно. Сверьте число атомов каждого элемента с обеих сторон и отдельно проверьте, что суммарный заряд одинаков.

Связь с другими темами

Для изучения азотной кислоты нужно знать свойства кислот, их диссоциацию, ряд активности металлов и правила составления уравнений обмена. Это помогает предсказывать реакции с оксидами, основаниями и карбонатами. Понятия окислителя, восстановителя и степеней окисления объясняют, почему при реакции с металлами вместо H₂ образуются соединения азота.

Нитраты связывают тему с солями и минеральными удобрениями: некоторые из них применяют как источники питательных элементов для растений. Окислительные свойства HNO₃ пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, а сама кислота важна для промышленного получения веществ. Поэтому понимание её свойств помогает разбирать и химические превращения, и практическое использование соединений азота.

Что запомнить

• Формула азотной кислоты — HNO₃.
• Азотная кислота — сильная одноосновная кислота и сильный окислитель.
• При диссоциации HNO₃ образуются H⁺ и NO₃⁻.
• С металлами азотная кислота обычно не выделяет водород.
• Продукты восстановления азота зависят от концентрации кислоты и активности металла.
• Концентрированная HNO₃ пассивирует железо и алюминий.
• Нитраты — соли азотной кислоты.