"Химия", Журин А.А.
Азотная кислота HNO₃ — сильная кислота и мощный окислитель, поэтому её реакции с металлами отличаются от обычных кислот: водород обычно не выделяется. Концентрация раствора и активность металла определяют продукты восстановления азота. Нитраты — соли HNO₃; большинство растворимо в воде, а при нагревании они разлагаются по разным правилам. Эти вещества важны для производства удобрений, взрывчатых веществ и других химических продуктов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азотная кислота — сильная одноосновная кислота HNO3, обладающая выраженными окислительными свойствами. Одноосновной её называют потому, что одна молекула может отдать один ион водорода H⁺. Формула HNO3 нужна для составления уравнений и расчёта количества вещества.
Нитраты — соли азотной кислоты, содержащие нитрат-ион NO3⁻. Например, NaNO3 состоит из ионов Na⁺ и NO3⁻. Нитрат-ион сохраняется во многих реакциях, но при нагревании может превращаться в оксиды азота.
Пассивирование — образование на поверхности металла плотной защитной плёнки, прекращающей реакцию с концентрированной азотной кислотой. Такое состояние не означает исчезновения химических свойств металла. При нагревании плёнка иногда разрушается, и реакция возобновляется.
Концентрированная и разбавленная азотная кислота — растворы HNO3 с разной массовой долей кислоты. Концентрированный раствор содержит сравнительно мало воды, а разбавленный — больше воды. Из-за этого и из-за различий в активности металлов продукты восстановления азота могут быть разными.
В молекуле HNO3 атом азота связан с атомами кислорода, а связь O—H легко разрывается с образованием H⁺. Поэтому кислота хорошо диссоциирует в воде и проявляет сильные кислотные свойства. Азот имеет степень окисления +5, то есть может принимать электроны и восстанавливаться, поэтому HNO3 действует ещё и как окислитель.
При реакции с металлом кислота принимает электроны, а металл отдаёт их и превращается в катион. Восстанавливается обычно азот из нитрат-иона, а не водород из H⁺. Поэтому вместо водорода выделяются оксиды азота или образуются более восстановленные соединения азота; исключения зависят от условий реакции.
Концентрированная кислота чаще восстанавливается до NO2, потому что в растворе мало воды и процесс идёт с образованием бурого газа. В разбавленной кислоте чаще образуется NO, который сам по себе бесцветен, но на воздухе окисляется до NO2. С очень активными металлами и при особых условиях азот может восстановиться ещё сильнее — до N2O, N2 или NH4NO3.
Железо, алюминий и хром в концентрированной HNO3 покрываются плотной оксидной плёнкой. Она изолирует металл от раствора и мешает переносу электронов, поэтому реакция практически прекращается. При нагревании плёнка может разрушиться или стать менее прочной, после чего металл начинает взаимодействовать с кислотой.
Разложение нитратов зависит от способности металла удерживать кислород и от его положения в ряду активности. Нитраты активных металлов обычно дают нитриты и кислород. Нитраты металлов средней активности образуют оксид металла, бурый NO2 и O2, а соединения малоактивных металлов могут выделять металл, NO2 и O2.
| Признак | Азотная кислота | Нитраты |
|---|---|---|
| Формула или состав | HNO3, молекулы кислоты | Соли с ионом NO3⁻, например KNO3 |
| Физические свойства | Бесцветная жидкость с резким запахом; концентрированная дымит на воздухе | Обычно твёрдые кристаллические вещества |
| Растворимость в воде | Смешивается с водой; растворение сопровождается выделением теплоты | Большинство хорошо растворимо в воде |
| Реакция с металлами | Окисляет металлы, обычно без выделения H2 | Могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях |
| Продукты восстановления азота | NO2, NO, N2O, N2 или NH4NO3 | При восстановлении нитрат-иона возможны те же соединения азота |
| Разложение при нагревании | При нагревании может разлагаться с образованием оксидов азота | Нитриты или оксиды металлов, NO2 и O2; состав зависит от металла |
| Качественное распознавание | Кислотные свойства и окисление меди с образованием NO или NO2 | Реакция нитрат-иона с медью и концентрированной H2SO4 даёт NO2 |
| Основные области применения | Производство удобрений, красителей, взрывчатых веществ и других веществ | Минеральные удобрения, пиротехника, получение металлов и химическое производство |
Таблица помогает быстро сравнить исходное вещество и его соли. При решении задачи сначала находите формулу вещества, затем определяете, какое свойство требуется использовать: реакцию с металлом, растворимость или термическое разложение.
Условие. Рассчитаем массу HNO3, которую можно получить из 17 г NaNO3 при действии концентрированной H2SO4. Уравнение реакции: NaNO3 + H2SO4 → NaHSO4 + HNO3.
Ответ: можно получить 12,6 г азотной кислоты.
Условие. Определим объём NO2, образующегося при растворении 6,4 г меди в концентрированной HNO3. Уравнение: Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O.
Ответ: образуется 4,48 л оксида азота(IV).
Условие. При нагревании 18,8 г неизвестного нитрата образовались бурый NO2, O2 и 7,95 г чёрного оксида. Определим металл, если соль имеет формулу M(NO3)2. Чёрный оксид и схема разложения указывают на CuO.
Ответ: металл — медь, твёрдый остаток CuO имеет массу 7,95 г.
Выделение водорода. Ошибка возникает, если применять к HNO3 правило для обычных кислот без учёта окислительных свойств. Проверьте, куда переходят электроны: обычно восстанавливается азот нитрат-иона, поэтому ищите NO или NO2.
Путаница между NO и NO2. Для меди с концентрированной кислотой записывают NO, хотя должен быть бурый NO2; с разбавленной кислотой, наоборот, обычно образуется NO. Проверяйте концентрацию HNO3 и цвет газа.
Одинаковое разложение всех нитратов. Такой вывод игнорирует активность металла, поэтому в уравнении может появиться неверный продукт. Сначала определите металл, затем выберите схему: нитрит, оксид или свободный металл.
Неверное понимание пассивирования. Пассивированный металл не теряет химические свойства, а временно защищён плёнкой. Проверьте условие реакции: при нагревании плёнка может разрушиться, и железо, алюминий или хром начнут реагировать.
Для изучения HNO3 нужны формулы и свойства кислот, правила составления уравнений, степени окисления и расчёты по химическим уравнениям. Эти знания помогают определить окислитель, восстановитель и коэффициенты реакции.
Тема напрямую связана с окислительно-восстановительными реакциями: металл отдаёт электроны, а азот в нитрат-ионе принимает их. По числу электронов можно установить продукты восстановления и уравнять реакцию.
Нитраты важны при изучении минеральных удобрений и круговорота азота в природе. Азотная кислота также используется промышленностью, поэтому тема связывает лабораторные реакции с производством и сельским хозяйством.
Почему при реакции металлов с азотной кислотой не выделяется водород?
Азотная кислота является окислителем: восстанавливается не ион H⁺ до H₂, а азот в нитрат-ионе. Поэтому образуются оксиды азота или другие соединения азота, а водород обычно не выделяется.
Чем отличаются реакции меди с разбавленной и концентрированной азотной кислотой?
С разбавленной кислотой медь образует оксид азота(II) NO, который на воздухе превращается в NO₂. С концентрированной кислотой сразу выделяется бурый оксид азота(IV) NO₂.
Почему концентрированная азотная кислота не реагирует с железом?
Она пассивирует железо: на его поверхности появляется плотная защитная плёнка. При нагревании плёнка может разрушиться, и железо начнёт реагировать с кислотой.
Как определить продукты разложения конкретного нитрата при нагревании?
Сначала определяют активность металла и положение элемента в ряду активности. Затем применяют правило: активные металлы дают нитрит, металлы средней активности — оксид, NO₂ и O₂, а малоактивные — металл, NO₂ и O₂.
Как распознать нитрат-ион в составе соли?
Один из школьных способов — нагреть нитрат с медью и концентрированной серной кислотой: выделяется бурый газ NO₂. Его появление указывает на окислительные свойства нитрат-иона, но опыт проводят только в лаборатории с соблюдением техники безопасности.
25. Азотная кислота и нитраты
