18.5. Азотная кислота

Определения и обозначения

Азотная кислота — соединение состава HNO₃, в молекуле которого атом азота связан с атомами кислорода, а один атом водорода образует гидроксильную группу. Это бесцветная жидкость с резким запахом, хорошо смешивающаяся с водой; на свету и при нагревании она разлагается, поэтому её хранят в тёмной посуде. HNO₃ применяют для получения удобрений, нитратов, взрывчатых веществ и в химическом синтезе.

Нитрат-ион — сложный отрицательно заряженный ион NO₃⁻. В растворе азотной кислоты он существует вместе с ионами водорода, а в солях соединяется с катионами металлов или ионом аммония. Знание его формулы нужно для правильного составления формул нитратов и уравнений реакций.

Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие нитрат-ион, например KNO₃, Ca(NO₃)₂ и NH₄NO₃. Большинство нитратов растворяется в воде, а при нагревании они разлагаются с образованием разных продуктов. Нитраты важны как минеральные удобрения и как исходные вещества для получения других соединений.

Как это устроено

В молекуле HNO₃ атом азота соединён с тремя атомами кислорода, причём связь с гидроксильной группой полярна. При растворении в воде эта связь легко разрывается с образованием H⁺ и устойчивого нитрат-иона. Поэтому молекулы кислоты хорошо взаимодействуют с водой, а раствор проявляет кислотные свойства и проводит электрический ток.

Азотная кислота считается сильной, потому что в воде практически полностью диссоциирует на ионы: HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻. Один состав молекулы содержит только один атом водорода, способный замещаться металлом или ионом аммония. Поэтому HNO₃ — одноосновная кислота и образует один ряд солей: нитраты.

Сильные окислительные свойства связаны с высокой степенью окисления азота, равной +5. При взаимодействии с восстановителем азот принимает электроны и переходит в более низкие степени окисления, например +4 в NO₂ или +2 в NO. Поэтому кислота реагирует не только с основаниями, но и с веществами, которые обычные неокисляющие кислоты могут не затрагивать.

Продукт восстановления азота определяется концентрацией кислоты, температурой, активностью металла и соотношением реагентов. Концентрированная HNO₃ часто даёт NO₂, а разбавленная — NO, N₂O, N₂ или NH₄NO₃; единого правила для всех металлов нет. Железо, алюминий и хром в холодной концентрированной кислоте покрываются плотной плёнкой оксида и становятся пассивными, то есть временно теряют способность реагировать.

В промышленности сначала аммиак окисляют кислородом воздуха на платиново-родиевом катализаторе: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O. Затем оксид азота(II) окисляется кислородом до NO₂: 2NO + O₂ → 2NO₂. Последний поглощают водой: 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO; образующийся NO снова окисляют.

Химические свойства азотной кислоты

Таблица помогает сначала определить класс реагента, а затем подобрать тип реакции и продукты. Для металлов нельзя автоматически использовать схему обычной кислоты: нужно учесть концентрацию HNO₃ и степень восстановления азота. При проверке уравнения отдельно контролируют атомы и электронный баланс.

С основаниями и основными оксидами азотная кислота ведёт себя как обычная кислота, но её окислительные свойства проявляются в реакциях с восстановителями. При нагревании она частично разлагается: 4HNO₃ → 4NO₂ + O₂ + 2H₂O.

Разбор задач

Задача 1. Составить уравнение реакции азотной кислоты с гидроксидом натрия и определить тип реакции.

Нужно определить продукты взаимодействия HNO₃ и NaOH. Кислота и основание обмениваются ионами, поэтому ожидаются соль и вода.

1. Катион Na⁺ соединяется с нитрат-ионом NO₃⁻, получается NaNO₃.
2. Ионы H⁺ и OH⁻ образуют воду.
3. Записываем и проверяем уравнение: HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O.

Ответ: реакция нейтрализации, одновременно реакция обмена; коэффициенты равны единице.

Задача 2. Записать уравнение реакции меди с концентрированной азотной кислотой и определить окислитель и восстановитель.

Медь не вытесняет водород из HNO₃, поскольку кислота окисляет металл. Для концентрированной кислоты продукт восстановления азота обычно NO₂.

1. Медь переходит из степени окисления 0 в +2: Cu − 2e⁻ → Cu²⁺, поэтому она является восстановителем.
2. Азот в NO₃⁻ понижается с +5 до +4 в NO₂ и принимает один электрон на атом.
3. Уравниваем электроны и атомы: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

Ответ: окислитель — HNO₃, точнее азот в нитрат-ионе; восстановитель — Cu.

Задача 3. Рассчитать объём газа при реакции заданной массы меди с разбавленной азотной кислотой.

Пусть прореагировало 6,4 г Cu при н. у. В разбавленной кислоте принимаем продуктом восстановления NO. Сначала находим количество меди, затем по уравнению — количество NO.

1. Уравнение: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.
2. n(Cu) = m/M = 6,4/64 = 0,10 моль.
3. По соотношению 3:2 получаем n(NO) = 0,10 · 2/3 = 0,0667 моль.
4. При н. у. V(NO) = n·V_m = 0,0667 · 22,4 ≈ 1,49 л.

Ответ: объём оксида азота(II) равен примерно 1,49 л при н. у. Если в условии указаны другие концентрация, масса или условия, уравнение и молярный объём нужно выбрать соответственно.

Типичные ошибки

Выделение водорода. Так рассуждают по аналогии с разбавленными неокисляющими кислотами, но HNO₃ сама принимает электроны. Проверка: выясните, есть ли у кислоты окислительный компонент и какой продукт восстановления азота указан.

Один продукт для всех концентраций. Нельзя всегда писать NO или всегда NO₂: состав продукта зависит от концентрации, металла и температуры. Проверка: сначала определите условия реакции, затем составьте электронный баланс.

Путаница нитрата и нитрита. Нитрат NO₃⁻ содержит три атома кислорода, а нитрит NO₂⁻ — два. Пересчитайте атомы кислорода и заряд иона перед записью формулы соли.

Отсутствие электронного баланса. Если просто подобрать коэффициенты по атомам, можно пропустить изменение степеней окисления. Сначала укажите, кто отдаёт и принимает электроны, а затем проверьте и атомный, и электронный баланс.

Связь с другими темами

Для изучения азотной кислоты нужны свойства кислот, правила составления формул солей и уравнений нейтрализации. Тема особенно тесно связана с окислительно-восстановительными реакциями: по изменению степеней окисления определяют окислитель, восстановитель и продукты реакции.

Полученные знания пригодятся при изучении нитратов, соединений азота и способов получения кислот. Они также помогают объяснить промышленный синтез HNO₃ и особенности действия удобрений.

Что запомнить

• Формула азотной кислоты — HNO₃.
• Азотная кислота — сильная одноосновная кислота.
• Нитрат-ион имеет формулу NO₃⁻.
• Азотная кислота — сильный окислитель.
• При реакции с металлами обычно не выделяется водород.
• Продукты восстановления азота зависят от концентрации кислоты и условий реакции.
• Промышленное получение HNO₃ основано на окислении аммиака.