§ 43. Особые свойства серной и азотной кислот

Определения и обозначения

Концентрированная серная кислота — раствор H₂SO₄ с малым содержанием воды по сравнению с разбавленным раствором. В отличие от разбавленной кислоты, она проявляет сильные окислительные свойства и может отнимать воду у некоторых веществ. Это различие нужно учитывать, когда предсказывают продукты реакции: их нельзя определять только по общим правилам для кислот.

Концентрированная азотная кислота — раствор HNO₃ с высокой долей кислоты и небольшим количеством воды. Её свойства не сводятся к обычному действию кислот, потому что она является окислителем и при реакции с металлами обычно не выделяет водород. Это помогает понять, почему она реагирует даже с металлами, которые не вытесняют водород из обычных разбавленных кислот.

Окислительные свойства кислот — способность принимать электроны от другого вещества и тем самым окислять его. При этом сама кислота восстанавливается: атомы в её составе переходят к более низкой степени окисления. Понятия окисления и восстановления помогают определить, какие вещества вступают в реакцию и какие продукты могут образоваться.

Пассивация — образование на поверхности металла защитной плёнки, которая мешает веществам взаимодействовать с ним дальше. Поэтому металл может казаться нерастворимым в кислоте, хотя причина не в полной невозможности реакции, а в защите поверхности. Знание этого явления важно при объяснении хранения и применения металлов в кислотной среде.

Как это устроено

Степени окисления показывают условное распределение электронов в соединении. В H₂SO₄ сера имеет степень окисления +6, а в HNO₃ азот — +5; это высокие значения, поэтому при реакции эти элементы могут принимать электроны и переходить к более низким степеням окисления. Так объясняется окислительная способность кислот: электроны отдаёт реагирующее вещество, а кислота выступает их получателем.

Концентрированная серная кислота при реакции с некоторыми металлами окисляет металл, а сама восстанавливается. Например, медь отдаёт электроны и образует ионы Cu²⁺, которые соединяются с сульфат-ионами; сера из кислоты восстанавливается до степени окисления +4 в SO₂. Уравнение реакции: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Значит, появляются сульфат меди, диоксид серы и вода, а водород не выделяется.

Азотная кислота тоже принимает электроны, поэтому при её реакции с металлом обычно не образуется водород. Металл окисляется, а азот из HNO₃ восстанавливается; конкретный продукт зависит от концентрации кислоты и условий. При более разбавленной кислоте азот может перейти, например, в NO, а при концентрированной — в NO₂. Поэтому одной общей схемы для всех реакций металлов с азотной кислотой недостаточно.

Разницу хорошо видно на примере меди. С разбавленной азотной кислотой протекает реакция 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O, где образуется оксид азота(II). С концентрированной кислотой уравнение другое: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O. Концентрация влияет на то, насколько глубоко восстанавливается азот, поэтому меняется газообразный продукт.

Концентрированная серная кислота может отнимать воду у некоторых веществ. Например, из сахара она удаляет водород и кислород в составе воды, поэтому остаётся тёмная пористая масса, богатая углеродом. Другая особенность связана с холодными концентрированными H₂SO₄ и HNO₃: они могут пассивировать железо, алюминий и хром. Защитная плёнка тормозит реакцию, но при изменении условий, например при нагревании, поведение металла может измениться.

Особые свойства серной и азотной кислот

Сначала найдите в таблице условие реакции, затем сравните, какие продукты образуются в каждом случае. Для азотной кислоты обязательно уточняйте концентрацию: по ней можно различить вероятные оксиды азота. Отдельно запомните, что пассивация относится к холодным концентрированным кислотам и не равна полной невозможности реакции.

Разбор задач

Медь и концентрированная серная кислота

Условие. Составьте уравнение реакции меди с концентрированной серной кислотой и назовите продукты. Чтобы не ожидать ошибочно водород, сначала выясним, какая частица принимает электроны. Затем проверим коэффициенты по числу атомов каждого элемента.

1. Медь переходит из простого вещества в Cu²⁺ и отдаёт два электрона, значит, она окисляется и является восстановителем.
2. Сера в H₂SO₄ имеет степень окисления +6, а в SO₂ — +4: она принимает два электрона. Серная кислота выступает окислителем.
3. Записываем схему и подбираем коэффициенты: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O.
4. Проверяем атомы: слева и справа по одному Cu, двум S, четырём H и восьми O. Баланс соблюдён.

Ответ. Образуются сульфат меди(II), диоксид серы и вода. Водород в этой реакции не выделяется, потому что электроны принимает сера из кислоты.

Медь и азотная кислота разной концентрации

Условие. Составьте уравнения реакций меди с разбавленной и концентрированной азотной кислотой. Главный шаг — не переносить один продукт с одного случая на другой: концентрация определяет продукт восстановления азота. После записи уравнений проверим баланс атомов.

1. Для разбавленной кислоты продуктом восстановления азота берём NO. Сбалансированное уравнение: 3Cu + 8HNO₃(разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O.
2. Для концентрированной кислоты образуется NO₂. Уравнение: Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O.
3. В обоих уравнениях медь становится Cu²⁺, а азот принимает электроны. Проверяем количество атомов слева и справа: коэффициенты обеспечивают равенство числа Cu, H, N и O.

Ответ. С разбавленной кислотой медь образует NO, с концентрированной — NO₂; в обоих случаях получается нитрат меди(II) и вода. Ни в одном уравнении газообразный водород не появляется.

Железо в холодной концентрированной азотной кислоте

Условие. Объясните, почему железо можно хранить в холодной концентрированной азотной кислоте, и предскажите, что изменится при нагревании. Сначала определим, почему реакция замедляется на холоде. Затем учтём, что защитное действие зависит от условий.

1. На поверхности железа образуется плотная защитная плёнка. Она отделяет металл от кислоты и мешает продолжению реакции.
2. Такое явление называется пассивацией. Поэтому при соблюдении условий холодная концентрированная кислота не вызывает заметного растворения железа.
3. При нагревании условия меняются, и на защиту нельзя рассчитывать так же, как на холоде. Следует ожидать возможности реакции и не считать железо устойчивым к кислоте при любой температуре.

Ответ. На холоде железо пассивируется защитной плёнкой. При нагревании эта защита может ослабнуть, поэтому вывод о хранении нельзя переносить на нагретую кислоту.

Типичные ошибки

Ошибка: ожидать водород при реакции меди с азотной или концентрированной серной кислотой, как при действии некоторых разбавленных кислот. Так рассуждают, перенося привычную схему без учёта окислителя. Проверьте себя: если кислота сама принимает электроны, восстановительный продукт кислоты может образоваться вместо H₂.

Ошибка: считать, что азотная кислота всегда образует один и тот же оксид азота. Это происходит, если забыть о влиянии концентрации и условий реакции. Для проверки уточните, разбавленная кислота или концентрированная: для меди в первом случае записывают NO, во втором — NO₂.

Ошибка: путать обезвоживание с обычным растворением вещества в воде. При действии концентрированной серной кислоты на сахар происходит химическое изменение: кислота отнимает воду, и остаётся тёмная масса, а не раствор сахара. Спросите себя, сохранилось ли исходное вещество в растворе; в этом опыте — нет.

Ошибка: считать пассивацию доказательством, что кислота совсем не способна реагировать с металлом. Так можно решить, увидев отсутствие заметных изменений на холоде. Проверьте условия: важны концентрация и температура, а защитная плёнка может разрушиться или перестать надёжно препятствовать реакции.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о составе кислот, составлении уравнений реакций и степенях окисления. Понятия окислителя и восстановителя объясняют, почему в реакциях с металлами не всегда выделяется водород. Дальше эти знания пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, свойств металлов и применения кислот в лаборатории и промышленности. При прогнозировании продуктов важно учитывать концентрацию реагентов и условия реакции.

Что запомнить

• Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства и может отнимать воду у веществ.
• Азотная кислота является окислителем.
• При взаимодействии азотной кислоты с металлами обычно не выделяется водород.
• Продукты реакции меди с азотной кислотой зависят от её концентрации.
• Концентрированная серная кислота при реакции с медью образует диоксид серы.
• Холодные концентрированные серная и азотная кислоты могут пассивировать Fe, Al и Cr.