Получение азотной кислоты из азота уравнение

Азотная кислота: получение и химические свойства

Строение молекулы и физические свойства

Азотная кислота HNO₃ – это сильная одноосновная кислота-гидроксид. При обычных условиях бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C ( при нормальном атмосферном давлении). Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. На свету частично разлагается.

Валентность азота в азотной кислоте равна IV, так как валентность V у азота отсутствует. При этом степень окисления атома азота равна +5. Так происходит потому, что атом азота образует 3 обменные связи и одну донорно-акцепторную, является донором электронной пары.

Поэтому строение молекулы азотной кислоты можно описать резонансными структурами:

Обозначим дополнительные связи между азотом и кислородом пунктиром. Этот пунктир по сути обозначает делокализованные электроны. Получается формула:

Способы получения

В лаборатории азотную кислоту можно получить разными способами:

1. Азотная кислота образуется при действии концентрированной серной кислоты на твердые нитраты металлов. При этом менее летучая серная кислота вытесняет более летучую азотную.

Например , концентрированная серная кислота вытесняет азотную из кристаллического нитрата калия:

2. В промышленности азотную кислоту получают из аммиака . Процесс осуществляется постадийно.

1 стадия. Каталитическое окисление аммиака.

2 стадия. Окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV) кислородом воздуха.

3 стадия. Поглощение оксида азота (IV) водой в присутствии избытка кислорода.

Химические свойства

Азотная кислота – это сильная кислота . За счет азота со степенью окисления +5 азотная кислота проявляет сильные окислительные свойства .

1. Азотная кислота практически полностью диссоциирует в водном растворе.

2. Азотная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.

Например , азотная кислота взаимодействует с оксидом меди (II):

Еще пример : азотная кислота реагирует с гидроксидом натрия:

3. Азотная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов, сульфитов).

Например , азотная кислота взаимодействует с карбонатом натрия:

4. Азотная кислота частично разлагается при кипении или под действием света:

5. Азотная кислота активно взаимодействует с металлами. При этом никогда не выделяется водород! При взаимодействии азотной кислоты с металлами окислителем всегда выступает азот +5. Азот в степени окисления +5 может восстанавливаться до степеней окисления -3, 0, +1, +2 или +4 в зависимости от концентрации кислоты и активности металла.

металл + HNO₃ → нитрат металла + вода + газ (или соль аммония)

С алюминием, хромом и железом на холоду концентрированная HNO₃ не реагирует – кислота «пассивирует» металлы, т.к. на их поверхности образуется пленка оксидов, непроницаемая для концентрированной азотной кислоты. При нагревании реакция идет. При этом азот восстанавливается до степени окисления +4:

Золото и платина не реагируют с азотной кислотой, но растворяются в «царской водке» – смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 : 3 (по объему):

HNO₃ + 3HCl + Au → AuCl₃ + NO + 2H₂O

Концентрированная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (IV), азот восстанавливается минимально:

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными) концентрированная азотная кислота реагирует с образованием оксида азота (I):

Разбавленная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (II).

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными), а также оловом и железом разбавленная азотная кислота реагирует с образованием молекулярного азота:

При взаимодействии кальция и магния с азотной кислотой любой концентрации (кроме очень разбавленной) образуется оксид азота (I):

Очень разбавленная азотная кислота реагирует с металлами с образованием нитрата аммония:

Таблица . Взаимодействие азотной кислоты с металлами.

6. Азотная кислота окисляет и неметаллы (кроме кислорода, водорода, хлора, фтора и некоторых других). При взаимодействии с неметаллами HNO₃ обычно восстанавливается до NO или NO₂, неметаллы окисляются до соответствующих кислот, либо оксидов (если кислота неустойчива).

Например , азотная кислота окисляет серу, фосфор, углерод, йод:

Безводная азотная кислота – сильный окислитель. Поэтому она легко взаимодействует с красным и белым фосфором . Реакция с белым фосфором протекает очень бурно. Иногда она сопровождается взрывом.

Видеоопыт взаимодействия фосфора с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

Видеоопыт взаимодействия угля с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

7. Концентрированная а зотная кислота окисляет сложные вещества (в которых есть элементы в отрицательной, либо промежуточной степени окисления): сульфиды металлов, сероводород, фосфиды, йодиды, соединения железа (II) и др. При этом азот восстанавливается до NO₂, неметаллы окисляются до соответствующих кислот (или оксидов), а металлы окисляются до устойчивых степеней окисления.

Например , азотная кислота окисляет оксид серы (IV):

Еще пример : азотная кислота окисляет иодоводород:

Сера в степени окисления -2 окисляется без нагревания до простого вещества, при нагревании до серной кислоты.

Например , сероводород окисляется азотной кислотой без нагревания до молекулярной серы:

При нагревании до серной кислоты:

Соединения железа (II) азотная кислота окисляет до соединений железа (III):

8. Азотная кислота окрашивает белки в оранжево-желтый цвет («ксантопротеиновая реакция«).

Ксантопротеиновую реакцию проводят для обнаружения белков, содержащих в своем составе ароматические аминокислоты. К раствору белка прибавляем концентрированную азотную кислоту. Белок свертывается. При нагревании белок желтеет. При добавлении избытка аммиака окраска переходит в оранжевую.

Видеоопыт обнаружения белков с помощью азотной кислоты можно посмотреть здесь.

Оксиды азота. Азотная кислота

Оксиды азота

Известны несколько оксидов азота.

Несолеобразующие оксиды: N₂O, NO

Все оксиды азота, кроме N₂O, ядовитые вещества.

Оксид азота (I) N₂O – это бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом, хорошо растворимый в воде, но не взаимодействует с ней. При достаточно высокой температуре разлагается по уравнению:

В смеси с кислородом N₂O используется в медицине для наркоза («веселящий» газ).

Наиболее важными являются оксиды азота (II) и (IV).

Оксид азота (II) NO – бесцветный газ, не имеет запаха. В воде малорастворим, относится, как и N₂O, к несолеобразующим оксидам. Оксид азота (II) NO образуется из азота и кислорода при сильных электрических разрядах (например, во время грозы в воздухе) или при высокой температуре:

В лаборатории оксид азота (II) получают, например, при взаимодействии меди и разбавленной азотной кислоты:

Оксид азота (II) в промышленности получают каталитическим окислением аммиака и используют для получения азотной кислоты:

Оксид азота (II) на воздухе легко окисляется до оксида азота (IV):

Оксид азота (IV)

Оксид азота (IV) NO₂ – ядовитый газ бурого цвета, имеет характерный запах. Хорошо растворяется в воде. Оксид азота (IV) является смешанным оксидом, которому соответствуют две кислоты: азотистая HNO₂ и азотная HNO₃. Поэтому взаимодействие с водой происходит по уравнению:

При взаимодействии NO₂ с водой в присутствии кислорода (на воздухе) образуется только азотная кислота:

При растворении NO₂ в щелочи, например NaOH, образуются две соли (нитрат и нитрит) и вода:

В избытке кислорода образуется только нитрат натрия:

Ниже 22 0 С молекулы оксида азота (IV) NO₂ легко соединяются попарно и образуют бесцветную жидкость состава N₂O₄, которая при охлаждении до – 10,2 0 С превращается в бесцветные кристаллы.

В лаборатории NO₂ можно получить при взаимодействии, например, меди с концентрированной азотной кислотой:

В промышленности NO₂ получают путем окисления NO кислородом и далее используют для получения азотной кислоты.

Оксид азота (III) N₂O₃ – это темно-синяя жидкость, является кислотным оксидом. При взаимодействии с водой образуется азотистая кислота:

Оксид азота (III)

Оксид азота (V) N₂O₅ – бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде с образованием азотной кислоты:

Азотная кислота

Физические свойства

Азотная кислота HNO₃ – бесцветная жидкость, имеет резкий запах, легко испаряется, кипит при температуре 83 0 С. При попадании на кожу азотная кислота может вызвать сильные ожоги (на коже образуется характерное желтое пятно, его сразу же следует промыть большим количеством воды, а затем нейтрализовать содой). С водой азотная кислота смешивается в любых соотношениях.

Обычно применяемая в лаборатории концентрированная азотная кислота содержит 63% HNO₃. При хранении довольно легко, особенно на свету разлагается по уравнению:

Выделяющийся газ NO₂ окрашивает азотную кислоту в бурый цвет.

Химические свойства

Кислотно – основные свойства

Азотная кислота – одна из наиболее сильных кислот. В водных растворах она полностью диссоциирована на ионы:

Как и все кислоты, она реагирует:

в) с солями более слабых кислот:

Окислительно – восстановительные свойства

Азотная кислота является одним из сильнейших окислителей. Ее окислительно-восстановительные свойства обусловлены присутствием в молекуле HNO₃ атома азота в высшей степени окисления N +5 в составе кислотного остатка NO₃ — . Окислительные свойства кислотного остатка NO₃ — значительно сильнее, чем ионов водорода Н + , поэтому азотная кислота взаимодействует практически со всеми металлами, кроме золота и платины, находящимися в конце ряда напряжений. Так как окислителем в HNO₃ являются ионы NO₃ — , а не ионы Н + , то при взаимодействии HNO₃ с металлами практически никогда не выделяется водород. Нитрат-ионы NO₃ — при взаимодействии HNO₃ с металлами восстанавливаются тем полнее, чем более разбавлена кислота и чем более активен металл. На следующей схеме показано, какие продукты могут образоваться при восстановлении HNO₃:

Общая схема взаимодействия азотной кислоты с металлами

Концентрированная HNO₃ при взаимодействии с наиболее активными металлами (до Al в ряду напряжений) восстанавливается до N₂O. Например:

Концентрированная HNO₃ при взаимодействии с менее активными металлами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO₂. Например:

Аналогично концентрированная азотная кислота реагирует с некоторыми неметаллами. Неметалл при этом окисляется до оксокислоты. Например:

Следует отметить, что концентрированная HNO₃ пассивирует такие металлы, как Fe, Al, Cr. Сущность пассивирования заключается в образовании на поверхности металла тонкой, но очень плотной оксидной плёнки, предохраняющей металл от дальнейшего взаимодействия с кислотой; например:

Разбавленная HNO₃ реагирует с наиболее активными металлами (до Al) с образованием аммиака или нитрата аммония NH₄NO₃:

При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с менее активными металлами образуется оксид азота (II) NO:

Таким же образом разбавленная HNO3 взаимодействует с некоторыми неметаллами:

Взаимодействие азотной кислоты с медью

Получение

В лаборатории азотную кислоту получают при взаимодействии безводных нитратов с концентрированной серной кислотой:

В промышленности получение азотной кислоты идет в три стадии:

1. Окисление аммиака до оксида азота (II):

1. Окисление оксида азота (II) в оксид азота (IV):

1. Растворение оксида азота (IV) в воде и избытком кислорода:

Применение

Азотную кислоту применяют для получения азотных удобрений, лекарственных и взрывчатых веществ.

Соли азотной кислоты

Соли азотной кислоты называются нитратами. Нитраты калия, натрия, аммония и кальция называются селитрами. Селитры применяют как минеральные азотные удобрения, так как азот является одним из основных элементов питания растений.

Все соли азотной кислоты хорошо растворимы в воде.

Соли азотной кислоты, как и она сама, являются сильными окислителями.

При нагревании все нитраты разлагаются с выделением кислорода, характер других продуктов разложения зависит от положения металла в ряду напряжений:

*на изображении записи кристаллы нитрата меди (II)

Азотная кислота (HNO₃)

Строение молекулы азотной кислоты:

Связь N + -O — образуются по донорно-акцепторному механизму: атом азота отдает электрон, играя роль донора и приобретая положительный заряд, атом кислорода присоединяет электрон, выступая в роли акцептора и приобретая отрицательный заряд. Атомы азота проявляют степень окисления +5 (валентность 4).

Физические свойства азотной кислоты:

• бесцветная маслянистая жидкость с резким запахом;
• температура кипения 83°C
• плотность 1,4 г/см 3 (63% HNO₃);
• с водой смешивается в любых пропорциях, проявляя в водных растворах свойства сильной кислоты;
• легко разлагается на свету при длительном хранении, приобретая при этом желтый оттенок, в который ее окрашивает газ NO₂, выделяющийся при разложении:
  4HNO3 ↔ 2H₂O+4NO₂↑+O₂↑

Химические свойства азотной кислоты

HNO₃ является одной из самых сильных кислот — в водных растворах полностью диссоциирует на катионы водорода и нитрат-ионы:
HNO₃ ↔ H + +NO₃ —

Азотная кислота вступает в реакции:

Следует обратить внимание, что азотная кислота в обменных реакциях может взаимодействовать далеко не со всеми солями, а лишь только с теми, при реагировании с которыми образуются нерастворимые, слабодиссоциирующие и газообразные вещества, которые, по мере их образования, более не участвуют в реакции обмена. В обменных реакциях солями, при взаимодействии с которыми образуются растворимые в воде соли азотной кислоты, азотная кислота не участвует.

В окислительно-восстановительных реакциях азотная кислота выступает в роли сильного окислителя. Высокие окислительные свойства HNO₃ объясняются тем, что в молекуле азотной кислоты атом азота в составе кислотного остатка NO₃ — имеет максимально возможную степень окисления +5. По этой причине окислительные свойства NO₃ — значительно превосходят «возможности» катионов водорода H + , из-за чего азотная кислота реагирует практически со всеми металлами за исключением золота,платины, родия, рутения, иридия и тантала, стоящими в конце ряда напряжений.

Характерной особенностью взаимодействия азотной кислоты с металлами является отсутствие выделения водорода, поскольку окислителями являются не катионы водорода, а нитрат-ионы NO₃ — , которые, при взаимодействии азотной кислоты с металлами восстанавливается тем полнее, чем более активным является металл и чем более разбавленной является HNO₃.

По этой причине образование тех или иных продуктов реакции азотной кислоты и металла зависит от концентрации кислоты и активности металла.

Атом азота в молекуле азотной кислоты имеет степень окисления +5, и может принимать 1, 2, 3, 4, 5 или 8 электронов:

Чем более концентрированной является азотная кислота, тем меньшей окислительной способностью по отношению к металлам она обладает.

С другой стороны, чем более активным является металл, тем в большей степени он восстанавливает азотную кислоту.

Примеры реакций азотной кислоты:

• концентрированная HN +5 O₃ с активными металлами (до алюминия в ряду напряжений) восстанавливается до N₂O
  10HN +5 O₃+4Ca 0 = 4Ca +2 (NO₃)₂+N₂ +1 O↑+5H₂O
• концентрированная HN +5 O₃ с неактивными металлами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO₂
  4HN +5 O₃+Ni 0 = Ni +2 (NO₃)₂+2N +4 O₂↑+2H₂O
• концентрированная HN +5 O₃ с неметаллами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO₂
  4HN +5 O₃+P 0 = HP +5 O₃+5N +4 O₂↑+2H₂O
• разбавленная HN +5 O₃ с активными металлами (до алюминия в ряду напряжений) образует аммиак или нитрат аммония
  10HN +5 O₃+4Mg 0 = 4Mg +2 (NO₃)₂+N -3 H₄N +5 O₃+3H₂O
• разбавленная HN +5 O₃ с неактивными металлами образует оксид азота (II)
  8HN +5 O₃+3Cu 0 = 3Cu +2 (NO₃)₂+2N +2 O↑+4H₂O
• разбавленная HN +5 O₃ с неметаллами образует оксид азота (II)
  2HN +5 O₃+S 0 = H₂S +6 O₄+2N +2 O↑

Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, железо и хром, образуя на их поверхности очень прочную нерастворимую оксидную пленку:
2Al+6HNO₃ = Al₂O₃+6NO₂+3H₂O

«Царская водка» (смесь концентрированной азотной кислоты с соляной в соотношении 1:3) окисляет золото и платину:
Au+3HNO₃+3HCl = AuCl₃+3NO₂+3H₂O

Получение и применение азотной кислоты

Промышленный способ получения азотной кислоты:

• окислением аммиака на платиновом катализаторе до оксида азота (II):
  4N -3 H₃+5O₂ 0 = 4N +2 O -2 +6H₂O
• окислением оксида азота (II) до оксида азота (IV):
  2N +2 O -2 +O₂ 0 = 2N +4 O₂ -2
• растворением оксида азота (IV) в воде в присутствии кислорода (автор способа И.И.Андреев, 1916 г.):
  4N +4 O₂+2H₂O+O₂ 0 = 4HN+5O₃ -2

Лабораторный способ получения азотной кислоты:

• взаимодействием безводных нитратов с концентрированной серной кислотой:
  NaNO₃+H₂SO₄ = NaHSO₄+HNO₃

Применение азотной кислоты:

• производство азотных удобрений;
• в фармакологии для производства лекарственных препаратов;
• в производстве взрывчатых веществ.

Соли азотной кислоты

О солях азотной кислоты, наверняка, слышали многие, ведь в последнее время так много говорят о вреде нитратов в овощах и фруктах.

Нитраты калия, натрия, аммония и кальция называются селитрами (калийная селитра, натриевая селитра, аммонийная селитра, известковая селитра). Селитры нашли широкое применение в сельском хозяйстве в качестве минеральных азотных удобрений, что вполне логично, ибо азот является одним из основных элементов растений.

Нитраты хорошо растворяются в воде, при этом такие растворы не обладают окислительными свойствами, а вот расплавы нитратов являются хорошими окислителями.

Те нитраты, которые были образованы слабыми основаниями, гидролизуются, их водные растворы являются кислыми:
Cu 2+ (NO₃)₂+ H₂O ↔ CuOH + NO₃+ H + NO₃

Соли азотной кислоты являются сильными окислителями.

Все нитраты, за исключением нитрата аммония разлагаются с выделением кислорода, при этом образующиеся продукты разложения зависят от электроотрицательности металла (см. таблицу выше):

• соли металлов, расположенных в ряду напряжений левее магния, при разложении образуют кроме кислорода еще и нитриты:
  MeN +5 O₃ → MeN +3 O₂+O₂ 0 ↑
  2KNO₃ = 2KNO₂+O₂
• соли металлов, расположенных от магния до меди — образуют оксиды металла и азота (IV):
  MeN +5 O₃ → MeO+N +4 O₂↑+O₂ 0 ↑
  2Pb(NO₃)₂ = 2PbO+4NO₂+O₂
• соли металлов, расположенных правее меди — образуют свободный металл и оксид азота (IV):
  MeN +5 O₃ → Me+N +4 O₂↑+O₂ 0 ↑
  2AgNO₃ = 2Ag+2NO₂+O₂
• нитрат аммония разлагается с образованием оксида азота (I) и воды:
  NH₄NO₃ = N₂O+2H₂O

Нитраты вступают в реакции, типичные для всех солей:

Получение и применение нитратов

Нитраты получают реакцией азотной кислоты:

• Селитры используются в качестве минеральных удобрений:
  • KNO₃ — калийная или индийская селитра;
  • NaNO₃ — натриевая или чилийская селитра;
  • NH₄NO₃ — аммонийная селитра;
  • Ca(NO₃)₂ — известковая или норвежская селитра.
• Калийная селитра используется для изготовления «черного пороха».
• Аммонийная селитра используют для изготовления взрывчатого вещества — аммонала.

Другие соединения азота:

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе