18.6. Соли азотной кислоты — нитраты

Определения и обозначения

Нитрат — средняя соль азотной кислоты HNO₃, в составе которой присутствует нитрат-ион NO₃⁻. Например, KNO₃ и Ca(NO₃)₂ — нитраты калия и кальция. Понятие помогает отличать эти соли от кислых солей, в которых сохраняется атом водорода кислоты.

Нитрат-ион — однозарядный анион NO₃⁻, то есть частица с зарядом −1; степень окисления азота в нём равна +5. Именно заряд иона учитывают при составлении формул солей. Например, одному катиону Ca²⁺ соответствуют два нитрат-иона.

Термическое разложение нитратов — превращение этих солей при нагревании с образованием новых веществ. Продукты зависят от активности металла, поэтому нельзя записывать одну схему для всех нитратов. Это определение нужно, чтобы заранее выбрать продукты и затем уравнять реакцию.

Качественная реакция на нитрат-ионы — проба, при которой в подходящих условиях возникает бурое кольцо на границе слоёв раствора. Она позволяет обнаружить NO₃⁻ в исследуемом растворе. Такой признак помогает распознать ион, даже если сам раствор бесцветен.

Как это устроено

Нитраты получают нейтрализацией азотной кислоты: её водород заменяется катионом металла, а нитрат-ион входит в состав соли. При реакции с основанием или основным оксидом образуются соль и вода, например HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O. Карбонат также связывает кислоту, но при этом выделяется CO₂: 2HNO₃ + K₂CO₃ → 2KNO₃ + H₂O + CO₂↑.

Формулу соли составляют так, чтобы суммарный заряд частиц был равен нулю. У Ca²⁺ заряд +2, поэтому нужны два аниона NO₃⁻: Ca(NO₃)₂; у Al³⁺ нужны три таких аниона: Al(NO₃)₃. Скобки показывают, что индекс относится ко всей группе атомов нитрат-иона, а не только к кислороду.

В воде растворённые нитраты распадаются на катионы металла и нитрат-ионы; такой распад называется диссоциацией. Например, KNO₃ → K⁺ + NO₃⁻, а Al(NO₃)₃ → Al³⁺ + 3NO₃⁻. Поскольку все нитраты растворимы, при обменных реакциях NO₃⁻ часто остаётся в растворе и не образует осадка, газа или слабого электролита; ход реакции обычно определяет другой ион.

При нагревании нитрат-ион изменяется, а металл в продукте может остаться в составе соли или перейти в свободное состояние. Нитраты щелочных металлов, кроме лития, дают нитриты и кислород; нитраты металлов средней активности — оксид металла, NO₂ и O₂. Соли малоактивных металлов распадаются до металла, NO₂ и O₂, а нитрат аммония при умеренном нагревании образует N₂O и воду: состав продуктов связан с окислительно-восстановительными свойствами частиц.

Нитраты используют как минеральные удобрения, потому что растениям необходим азот; также они востребованы в промышленности. Но избыток удобрений может привести к накоплению нитратов в почве, воде и растениях, поэтому их применение нужно контролировать. Окислительные свойства нитратов означают, что в некоторых реакциях они могут окислять другие вещества, и это важно учитывать при хранении и использовании.

Свойства и термическое разложение нитратов

Сначала определите, к какой группе относится металл в нитрате, затем выберите продукты из соответствующей строки и уравняйте реакцию. Для лития и аммония действуют особенности, поэтому их нельзя автоматически относить к общей схеме для остальных металлов. При записи уравнения проверьте число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.

Разбор задач

Формулы и диссоциация нитратов

Условие. Составьте формулы нитрата алюминия и нитрата кальция, затем запишите их диссоциацию в воде. В решении важно учесть заряд каждого катиона иона и не потерять группу NO₃. Индекс перед ионом в уравнении диссоциации показывает, сколько таких частиц образуется.

1. Записываем ионы: Al³⁺ и NO₃⁻; для нейтральной соли нужны три нитрат-иона, поэтому формула Al(NO₃)₃.
2. Для Ca²⁺ нужны два иона NO₃⁻, значит формула нитрата кальция — Ca(NO₃)₂.
3. Разделяем каждую соль на катионы и анионы, сохраняя число ионов согласно индексам в формуле.

Ответ. Al(NO₃)₃ → Al³⁺ + 3NO₃⁻; Ca(NO₃)₂ → Ca²⁺ + 2NO₃⁻. В формулах использованы скобки, потому что индекс 3 или 2 относится ко всей группе NO₃. Суммарный заряд продуктов диссоциации в каждом случае равен нулю.

Получение нитрата калия

Условие. Запишите и уравняйте реакцию получения KNO₃ из HNO₃ и K₂CO₃. Карбонат с кислотой образует соль, воду и углекислый газ. Сначала определяем продукты, затем проверяем, сколько атомов калия и нитрат-групп требуется для нейтральной соли.

1. Катион K⁺ соединяется с NO₃⁻ в соотношении 1:1, поэтому формула соли — KNO₃.
2. Записываем схему: HNO₃ + K₂CO₃ → KNO₃ + H₂O + CO₂.
3. Ставим коэффициент 2 перед HNO₃ и KNO₃, чтобы уравнять калий и нитрат-группы.

Ответ. 2HNO₃ + K₂CO₃ → 2KNO₃ + H₂O + CO₂↑. Проверка показывает, что по обе стороны равны числа атомов K, H, N, C и O. Углекислый газ выделяется при реакции карбонат-иона с кислотой.

Разложение нитрата меди(II)

Условие. При нагревании разлагают Cu(NO₃)₂; нужно записать уравнение и определить газы. Медь относится к металлам средней активности, поэтому соль даёт оксид меди(II), диоксид азота и кислород. Формулы продуктов определяем до подбора коэффициентов.

1. Записываем схему: Cu(NO₃)₂ → CuO + NO₂ + O₂.
2. Ставим коэффициенты 2 перед Cu(NO₃)₂ и CuO, чтобы уравнять медь.
3. Уравниваем азот и кислород: получаем 4 перед NO₂ и 1 перед O₂.

Ответ. 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂↑ + O₂↑. Образуются два газа: бурый диоксид азота и кислород. Проверка: слева и справа по два атома Cu, четыре N и двенадцать O.

Типичные ошибки

• Считать, что все нитраты при нагревании дают одинаковые продукты, — ошибка: выбор продуктов зависит от металла, а литий и аммоний имеют особенности. Так ошибаются, запоминая только один пример разложения. Проверьте себя по группе нитрата и соответствующей строке таблицы.

• Записывать CaNO₃ вместо Ca(NO₃)₂ нельзя: заряд Ca²⁺ не компенсируется одним NO₃⁻. Ошибка возникает, если забыть о зарядах ионов или потерять скобки. Проверьте, что суммарный заряд формульной единицы равен нулю.

• Путать NO₃⁻ с NO₂⁻ — значит смешивать нитрат-ион и нитрит-ион. Похожее название провоцирует ошибку, но в ионах разное число атомов кислорода. Перед использованием формулы пересчитайте атомы и сверяйте название иона.

• Ожидать осадок при смешивании любых растворов нитратов неверно: нитраты растворимы, а продукты обмена тоже нужно проверять по растворимости. Осадок не возникает просто потому, что в уравнении есть соль. Проверьте растворимость предполагаемого продукта и сокращайте ионное уравнение только при наличии осадка, газа или слабого электролита.

Связь с другими темами

Для работы с нитратами нужны знания о составе и свойствах азотной кислоты, зарядах ионов, составлении формул солей и уравнивании реакций. Эти умения связывают тему с кислотами, основаниями и солями. Нитраты также помогают изучать окислительно-восстановительные реакции и термическое разложение солей, а их применение — обсуждать минеральные удобрения и круговорот азота в природе.

Что запомнить

• Нитрат содержит ион NO₃⁻.
• Все нитраты растворимы в воде.
• В нитрат-ионе азот имеет степень окисления +5.
• Формулу нитрата составляют с учётом заряда катиона.
• Продукты термического разложения зависят от активности металла.
• Нитраты могут проявлять окислительные свойства.
• Бурое кольцо используют как качественную пробу на нитрат-ионы.