§ 30. Азотная кислота и ее соли

Определения и обозначения

Азотная кислота — соединение состава HNO₃, сильная одноосновная кислота и сильный окислитель. Одноосновной её называют потому, что одна молекула отдаёт один ион H⁺. Эти свойства объясняют и кислотные реакции, и окисление многих веществ.

Нитрат-ион — частица NO₃⁻ с зарядом −1. Его наличие определяет, что соль относится к нитратам. Например, в KNO₃ один ион K⁺ уравновешивает заряд одного нитрат-иона.

Нитраты — соли азотной кислоты с общей формулой M(NO₃)_n, где M — катион, а n соответствует его заряду. Название составляют из названия катиона и слова «нитрат»: нитрат натрия, нитрат кальция, нитрат меди(II). Формула показывает соотношение ионов в соли.

Пассивация — образование плотной защитной плёнки на поверхности металла под действием концентрированной азотной кислоты. Плёнка мешает контакту металла с раствором, поэтому видимая реакция прекращается. Это свойство используют, чтобы хранить и перевозить кислоту в стальных ёмкостях.

Как это устроено

В молекуле HNO₃ атом азота связан с тремя атомами кислорода, причём полярные связи сильно смещают электронную плотность к кислороду. В воде связь O—H легко разрывается с образованием H⁺ и NO₃⁻, поэтому кислота почти полностью диссоциирует. Высокая степень окисления азота (+5) позволяет ему принимать электроны, то есть восстанавливаться.

При реакции с металлом электроны переходят от атомов металла к окислителю. В азотной кислоте их принимает не только H⁺, как в неокисляющих кислотах, а нитрат-ион, поэтому водород обычно не выделяется. Чем концентрированнее кислота и чем менее активен металл, тем чаще азот восстанавливается до NO₂; в разбавленной кислоте чаще образуется NO.

Разбавленная HNO₃ с активными металлами может давать также N₂O, N₂ или NH₄NO₃, поскольку восстановление азота может идти глубже. Концентрированная кислота обычно восстанавливается до NO₂, особенно при нагревании. Исключение по внешнему результату создают Al, Fe и Cr: на холоде они пассивируются, а при нагревании реакция может возобновиться.

С основаниями и основными оксидами кислота вступает в обычные реакции нейтрализации: образуются нитрат и вода. Карбонаты и гидрокарбонаты дополнительно выделяют CO₂, поэтому такие реакции легко распознать по пузырькам газа. С другими солями обмен идёт, если образуется осадок, газ или слабый электролит.

Нитраты получают действием азотной кислоты на металлы, их оксиды, основания и карбонаты, а также обменными реакциями. Большинство этих солей растворимо в воде, поэтому нитрат-ионы легко перемещаются в почве и доступны растениям. Важнейшие нитраты используют как удобрения, окислители и сырьё, а разложение солей при нагревании применяют для получения оксидов и газов.

Основные реакции азотной кислоты и свойства нитратов

В таблице сначала определите тип вещества и условия, затем выберите характерные продукты. Для ОВР с металлами обязательно учитывайте концентрацию кислоты и возможность пассивации. В строке о разложении нитратов ориентируйтесь прежде всего на природу катиона.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции меди с разбавленной азотной кислотой и определите восстановленный продукт азота. Медь активнее водорода не настолько, чтобы вытеснять его из окисляющей кислоты обычным способом. Поэтому нужно выбрать восстановление нитрат-иона до NO и затем составить электронный баланс.

1. Медь окисляется: Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺. Азот в NO₃⁻ имеет степень окисления +5, а в NO — +2, поэтому принимает 3e⁻.
2. Уравниваем электроны: 3Cu отдают 6e⁻, а 2 нитрат-иона принимают 6e⁻. После подбора ионов и воды получаем: 3Cu + 8HNO₃(разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O.
3. Проверяем атомы и заряд: Cu, N, H и O присутствуют в одинаковом количестве слева и справа, а образовавшийся газ обозначен стрелкой.

Ответ: восстановленный продукт азота — NO, оксид азота(II).

Задача 2. Определите продукты реакции железа с концентрированной азотной кислотой при обычной температуре и после нагревания. Здесь нельзя сразу записывать уравнение: сначала учитываем физическое состояние металла и условие нагревания.

1. При обычной температуре железо пассивируется, поэтому видимая реакция практически не идёт; продукты в растворе не образуются в заметном количестве.
2. При нагревании защитная плёнка разрушается. Железо окисляется до Fe³⁺, а азот концентрированной кислоты восстанавливается до NO₂.
3. Уравнение: Fe + 6HNO₃(конц.) → Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O.

Ответ: на холоде — пассивация; при нагревании образуются Fe(NO₃)₃, NO₂ и H₂O.

Задача 3. Получите нитрат меди(II) из карбоната меди(II) и найдите массу соли, если взято 0,20 моль CuCO₃. Сначала составляем реакцию обмена с выделением газа, затем используем соотношение веществ из коэффициентов.

1. Уравнение: CuCO₃ + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂O.
2. Коэффициенты показывают соотношение 1:1, поэтому n(Cu(NO₃)₂) = 0,20 моль.
3. Молярная масса соли: M(Cu(NO₃)₂) = 64 + 2(14 + 3·16) = 188 г/моль. Тогда m = nM = 0,20 · 188 = 37,6 г.

Ответ: образуется Cu(NO₃)₂; его масса равна 37,6 г.

Типичные ошибки

Выделение водорода с металлами. Так записывают реакцию металла с неокисляющей кислотой, но HNO₃ окисляет металл нитрат-ионом. Проверьте, указан ли среди продуктов NO, NO₂ или другое соединение азота.

Смешение продуктов разбавленной и концентрированной кислоты. Ученик запоминает только формулу реакции с NO и переносит её на все условия. Сначала найдите слово «разбавленная» или «концентрированная», затем определите вероятный продукт восстановления азота.

Забывают о пассивации Al, Fe и Cr. Эти металлы ошибочно считают полностью инертными или сразу записывают их реакцию на холоде. Проверьте температуру: холодная концентрированная кислота пассивирует металл, а нагревание может возобновить реакцию.

Неверно разлагают нитраты. Одно общее правило для всех солей здесь не работает: продукты зависят от катиона. Сначала определите, относится ли соль к нитратам щелочного металла, аммония или другого металла, и только потом выбирайте схему.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атома азота, его степени окисления, свойства кислот и правила составления ОВР. Также используются таблица растворимости, ионные уравнения и способы получения солей. Эти знания пригодятся при изучении удобрений, круговорота азота, промышленного производства HNO₃ и качественных реакций на нитрат-ионы.

Что запомнить

• Азотная кислота HNO₃ — сильная одноосновная кислота и сильный окислитель.
• В реакциях с металлами азотная кислота обычно не выделяет водород.
• Продукт восстановления азота зависит от концентрации кислоты и активности металла.
• Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, железо и хром.
• Нитраты — соли азотной кислоты; нитрат-ион имеет состав NO₃⁻.
• Большинство нитратов хорошо растворяется в воде.
• При нагревании нитраты разлагаются, причём продукты зависят от природы катиона.