"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Азотная кислота HNO₃ — сильная кислота и окислитель, а её соли называются нитратами. В реакциях с основаниями и основными оксидами она образует нитраты, но при взаимодействии с металлами обычно не выделяет водород: кислота восстанавливается до соединений азота. Свойства нитратов тоже важны: все они растворимы в воде, а при нагревании разлагаются по-разному в зависимости от активности металла. Эти вещества применяют, в частности, при производстве удобрений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азотная кислота HNO₃ — соединение водорода, азота и кислорода: в каждой молекуле один атом водорода, один атом азота и три атома кислорода. Она хорошо растворяется в воде и относится к сильным одноосновным кислотам. Это означает, что в водном растворе она образует ионы H⁺, а кислотный остаток имеет заряд −1.
Нитраты — соли азотной кислоты, в составе которых есть нитрат-ион NO₃⁻. Например, нитрат натрия записывают NaNO₃, а нитрат кальция — Ca(NO₃)₂. Название помогает узнать, что соль образована азотной кислотой, а её формула показывает, какие ещё ионы входят в состав вещества.
Нитрат-ион NO₃⁻ — кислотный остаток азотной кислоты с зарядом −1. В солях он соединяется с положительно заряженными ионами металлов или аммония NH₄⁺. Число нитрат-ионов в формуле выбирают так, чтобы суммарный заряд соли был равен нулю: например, к Ca²⁺ нужны два NO₃⁻.
Пассивирование металла — образование на его поверхности защитного слоя, который замедляет или прекращает дальнейшее взаимодействие с веществом. Концентрированная азотная кислота пассивирует железо, алюминий и хром. Это понятие объясняет, почему некоторые металлы при обычных условиях почти не реагируют с такой кислотой.
Строение HNO₃ определяет её кислотные свойства: при растворении в воде молекула отдаёт ион водорода, а в растворе остаются H⁺ и NO₃⁻. Поэтому кислота нейтрализует основания и реагирует с основными оксидами. В обоих случаях ион NO₃⁻ соединяется с катионом основания или оксида, образуя нитрат, а водород и кислород дают воду.
Азот в HNO₃ имеет высокую степень окисления +5, поэтому может принимать электроны и восстанавливаться до соединений с меньшей степенью окисления. Из-за этого азотная кислота проявляет окислительные свойства. При реакции с металлом электроны отдаёт металл, а водород кислоты обычно не выделяется: вместо него образуются продукты восстановления азота, например NO₂ или NO.
Продукты реакции зависят от концентрации кислоты, активности металла и условий. Например, медь с концентрированной HNO₃ образует бурый газ NO₂, а при реакции с разбавленной кислотой обычно получается NO, который на воздухе превращается в NO₂. Железо, алюминий и хром могут пассивироваться концентрированной кислотой: защитная плёнка ограничивает контакт металла с раствором и тормозит реакцию.
В лаборатории азотную кислоту получают нагреванием нитрата с концентрированной серной кислотой: более летучую HNO₃ отгоняют из смеси. Промышленный способ основан на окислении аммиака кислородом с последующим получением азотной кислоты из продуктов реакции. HNO₃ используют для получения нитратов и других веществ, а нитраты входят в состав минеральных удобрений.
Все нитраты растворимы в воде, но при нагревании разлагаются, причём продукты зависят от активности металла. Нитраты активных металлов обычно превращаются в нитриты с выделением кислорода. Соли металлов средней активности дают оксид металла, NO₂ и O₂, а нитраты малоактивных металлов могут разлагаться до металла, NO₂ и O₂: в ходе разложения азот восстанавливается.
| Вещество или класс | Основное свойство | Пример реакции | Что образуется |
|---|---|---|---|
| Азотная кислота и основания | Нейтрализация | Ca(OH)₂ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + 2H₂O | Нитрат и вода |
| Азотная кислота и основные оксиды | Образование соли и воды | CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O | Нитрат и вода |
| Азотная кислота и металлы | Окислительно-восстановительная реакция | Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O | Нитрат металла, продукт восстановления азота и вода |
| Термическое разложение нитратов активных металлов | Образуются нитрит и кислород | 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂ | Нитрит металла и кислород |
| Термическое разложение нитратов металлов средней активности | Образуются оксид и газы | 2Cu(NO₃)₂ → 2CuO + 4NO₂ + O₂ | Оксид металла, NO₂ и O₂ |
| Термическое разложение нитратов малоактивных металлов | Образуются металл и газы | 2AgNO₃ → 2Ag + 2NO₂ + O₂ | Металл, NO₂ и O₂ |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите тип реагентов или активность металла, а затем выберите подходящую строку. В уравнении проверьте, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково. Для нитратов при нагревании особенно важно не пропустить группу, к которой относится металл.
Составьте формулу нитрата кальция и уравнение его получения из азотной кислоты и гидроксида кальция. Сначала найдите формулу соли по зарядам ионов, затем запишите реакцию кислоты с основанием. Такой порядок помогает не ошибиться ни в индексах, ни в коэффициентах.
Ответ: формула нитрата кальция — Ca(NO₃)₂; уравнение реакции приведено выше. Проверьте, что кальция, азота, водорода и кислорода с обеих сторон поровну. Здесь кислота нейтрализуется основанием, поэтому образуются соль и вода.
Запишите уравнение реакции меди с концентрированной HNO₃ и определите продукты. Нельзя применять схему «металл + кислота → соль + водород», потому что азотная кислота является окислителем. Для меди и концентрированной кислоты продуктом восстановления азота служит NO₂.
Ответ: Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O. Образуются нитрат меди(II), бурый газ NO₂ и вода. Водород не выделяется, потому что окислителем служит азотная кислота.
При нагревании разложили 17,0 г AgNO₃; найдите объём газа при нормальных условиях. Серебро — малоактивный металл, поэтому при разложении нитрата образуются серебро, NO₂ и O₂. В условии спрашивают объём выделившегося газа, но по уравнению возникают два газообразных продукта, поэтому учитываем оба.
Ответ: суммарный объём газов — 3,36 л. Если в задаче подразумевается только кислород, его объём составит 0,050 · 22,4 = 1,12 л. Уточнение состава газа важно, поскольку разложение AgNO₃ даёт и NO₂, и O₂.
Ошибка — считать, что при реакции металла с азотной кислотой выделяется H₂, как при взаимодействии с некоторыми другими кислотами. Так рассуждают, перенося знакомую схему на кислоту-окислитель. Проверьте, указана ли HNO₃: обычно вместо водорода в продуктах нужно искать соединения азота, например NO или NO₂.
Ошибка — записывать одинаковый продукт реакции металла с разбавленной и концентрированной кислотой. Её допускают, если не учитывают, что условия влияют на восстановление азота. Сверьте концентрацию в условии и проверьте, какой продукт азота характерен для этой реакции; для меди концентрированная кислота даёт NO₂, а разбавленная обычно — NO.
Ошибка — составлять формулу нитрата, не учитывая заряд NO₃⁻. Например, к Ca²⁺ нельзя приписать только один нитрат-ион: тогда общий заряд не будет нулевым. Для самопроверки сложите заряды всех катионов и анионов, а индексы поставьте так, чтобы их сумма равнялась нулю.
Ошибка — полагать, что все нитраты при нагревании дают одинаковые продукты. Причина — запоминание одного уравнения без связи с активностью металла. Определите положение металла в ряду активности и проверьте, образуются ли нитрит, оксид или металл; затем уравняйте выделяющиеся газы.
Для изучения темы нужны понятия кислоты, соли, электролитической диссоциации и степени окисления, а также умение составлять формулы по зарядам ионов. Знание ряда активности металлов помогает определить, как металл взаимодействует с кислотой и какой продукт вероятен при нагревании нитрата. Окислительно-восстановительные реакции объясняют, почему HNO₃ может принимать электроны и почему при реакции с металлами обычно не образуется водород. Эти знания пригодятся при изучении минеральных удобрений, круговорота азота и промышленного получения веществ.
Почему азотную кислоту считают сильной кислотой и окислителем одновременно?
В воде HNO₃ почти полностью распадается на ионы H⁺ и NO₃⁻, поэтому её относят к сильным кислотам. Одновременно азот в кислоте имеет степень окисления +5 и может принимать электроны в реакциях, то есть кислота выступает окислителем.
Почему при реакции меди с азотной кислотой не выделяется водород?
Азотная кислота — окислитель: она принимает электроны, а не просто вытесняет водород из кислоты. Медь окисляется до ионов Cu²⁺, а азот кислоты восстанавливается, например, до NO₂ при реакции с концентрированной кислотой.
Чем отличаются продукты реакции металла с разбавленной и концентрированной азотной кислотой?
Продукты восстановления азота зависят от концентрации кислоты, металла и условий реакции. С концентрированной кислотой часто образуется NO₂, а с разбавленной могут образовываться NO и другие соединения азота; водород обычно не выделяется.
Почему концентрированная азотная кислота не растворяет железо при обычных условиях?
На поверхности железа образуется плотная защитная плёнка, которая мешает кислоте проникать к металлу. Такое явление называется пассивированием; концентрированная HNO₃ также пассивирует алюминий и хром.
Как определить, какие вещества образуются при нагревании нитрата?
Сначала определите активность металла, входящего в состав соли, и соотнесите её с рядом активности. Нитраты активных металлов обычно дают нитрит и кислород, соли металлов средней активности — оксид, NO₂ и O₂, а нитраты малоактивных металлов — металл, NO₂ и O₂.
§ 36. Азотная кислота и нитраты
