Азотная кислота - строение, характеристика и основные свойства

Общие сведения

В структурный состав любой кислоты обязательно входит один или несколько атомов водорода и кислотный остаток. Это относится и к веществу HNO3, название которого — азотная кислота (АК).

Такое неорганическое (минеральное) соединение в свободном виде не существует в природе, но может образовываться в атмосфере во время грозы. Под действием энергии, выделяемой при вспышке молний, атмосферный азот сначала вступает в реакцию с кислородом и окисляется до диоксида азота, или так называемого бурого газа — NO2. АК образуется в результате химического взаимодействия атмосферной влаги и бурого газа. Кислотный дождь при этом на землю не прольется, так как HNO3 получается такое малое количество, которое не может нанести вред ни экологии, ни живым организмам.

Это вещество было получено достаточно давно, одно из первых упоминаний о нем — записи VIII века арабского алхимика Гебера. С XVII века его начали синтезировать в больших количествах и до недавнего времени (середина XX века) называли крепкой водкой.

HNO3 представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом, но в таком состоянии ее практически невозможно увидеть — это очень летучее соединение. Другие физические свойства:

• температура кипения 83 °C, увеличивается с увеличением давления;
• плотность 1,513 г/см3;
• температура плавления -41,59 °C;
• молярная масса 63 г/моль и равна молекулярной массе;
• в твердом состоянии находится в виде кристаллов белого цвета.

Над поверхностью АК даже при комнатной температуре постоянно образуется сначала оксид, затем окисляющийся до диоксида азота. Визуально эти реакции заметны в виде вьющегося над кислотой дымка. Это явление характерно для концентрированной кислоты, получившей название дымной. Когда массовая доля HNO3 0,85—0,95, цвет дымка белый, выше 0,96 — красный.

Характерные химические свойства

АК является сильной кислотой с высокими окислительными и электролитическими свойствами. По своему составу относится к кислородосодержащим, а по числу атомов водорода, которые могут быть замещены на металл — к одноосновным кислотам. Атом азота в ее составе имеет степень окисления +5 и проявляет валентность IV. Это вещество очень хорошо взаимодействует с водой, АК можно растворить в ней до любой концентрации, при этом происходит диссоциация молекул HNO3 на анионы H и катионы NO3.

При нагревании быстро распадается на диоксид азота, воду и свободный кислород. Из-за этого свойства соединение невозможно довести до кипения при обычном давлении — перегонка возможна только при пониженном. При попадании солнечного света происходит разложение на H2O и NO2, который окрашивает АК в желтоватый, иногда красный цвет. Растворы АК можно нейтрализовать щелочами или гидратом аммиака. Сильную кислотность подтверждает реакция индикаторов — они меняют свой цвет на красный.

HNO3 соответствует типичным для сильных кислот свойствам:

• Вступает в реакции с оксидами — основными и амфотерными, при этом образуется нитрат и вода. Например, при взаимодействии с оксидом меди CuO получается нитрат меди Cu (NO3)2.
• Взаимодействует с основаниями и амфотерными гидроксидами, вступая в реакцию нейтрализации, при этом образуется нитрат и вода. Например, продуктом реакции АК и гашеной извести Ca (OH)2 является нитрат кальция Ca (NO3)2 и вода.
• Реагирует с солями, замещая кислотные остатки слабых солей. При этом всегда образуется нитрат, а второе вещество зависит от состава соли.

При взаимодействии АК с солями угольной кислоты получаются нитрат, вода и оксид углерода (IV), а при ее реакции с солями кремниевой кислоты получается нитрат и кремниевая кислота.

Специфические реакции

Появление особых свойств АК обусловлено тем, что результат химических взаимодействий с ней может быть разным, даже если она вступает в реакцию с одним и тем же веществом, т. е. ее окислительные свойства зависят от концентрации. Окислителем в химических процессах с АК никогда не бывает водород, только азот.

АК любой концентрации является восстановителем, при этом азот восстанавливается до глубины, которая зависит от концентрации АК и природы вещества-восстановителя.

Если на металл, стоящий в ряду напряжений правее водорода, воздействовать концентрированной АК, азот восстановится до диоксида NO2, а в реакции с разбавленной — до оксида NO.

В реакциях с металлами из той части ряда напряжений, что находится левее водорода, концентрация АК очень сильно влияет на степень восстановления азота и преобладании в продуктах реакции тех или иных его соединений. Например:

• результатом реакции Zn с HNO3, разбавленной до 3%, кроме нитрата цинка и воды, будет нитрат аммония (аммиачная селитра) NH4NO3;
• для 10% — азот в газообразном состоянии;
• для 20% — закись азота N2O;
• для 30% — оксид, а для 60% — диоксид.

Можно сделать вывод о такой зависимости: чем сильнее разбавлена кислота, а металл активней, тем глубже восстанавливается азот, но не до оксида с кислотными свойствами. Формула ангидрида азотной кислоты — N2O5.

АК любой концентрации не взаимодействует с платиной, золотом и некоторыми другими металлами, расположенными в том же ряду таблицы Менделеева, что и золото. Однако смесь трех частей хлорида водорода (соляной кислоты) и одной части АК, так называемая царская водка, растворяет большинство металлов, в том числе и благородные. При производстве серной кислоты H2SO4 используется смесь H2SO4 с HNO3: она называется меланж.

Холодная АК высокой концентрации пассирует алюминий, железо и хром, т. е. окисляет поверхностный слой металла, образуя на нем защитную пленку, поэтому концентрированную АК можно транспортировать в железных или алюминиевых емкостях.

Реакции Fe с разбавленной HNO3 происходят так же, как с другими металлами, продуктами их могут быть как разные варианты восстановления N, так и разнообразные продукты окисления Fe. Взаимодействие Al с разбавленной HNO3 происходит аналогично.

Взаимодействие с органическими веществами

С АК вступают в реакцию только при нагревании такие классы углеводородов, как парафины (алканы) и ароматические углеводороды (арены), причем азотная кислота для них выступает не только как окислитель, но и как нитрирующий элемент. Очень хорошо такая реакция протекает с разбавленной АК при повышенной температуре и давлении. Ее называют реакцией нитрирования. В результате такого взаимодействия, например, с этаном, получается только нитроэтан, а при нитрировании пропана — смесь нескольких нитропарафинов.

С белками АК вступает в ксанопротеиновую реакцию. Именно из-за нее на коже при соприкосновении с АК появляются желтые пятна. Так происходит потому, что эта кислота имеет свойство окрашивать белки, в составе которых есть ароматические аминокислоты, в желто-оранжевый цвет. Появлением окрашивания можно определять наличие аминокислот в белке, проведя специальный опыт.

Соли азотной кислоты

Соли АК называются нитратами и чаще всего представляют собой кристаллические вещества белого цвета. Если взять и растворить в азотной кислоте некоторые металлы, например, щелочные или щёлочно-земельные, то получится нитрат этого металла. Также нитраты можно получить из оксидов (Cu2O, K2O) или солей слабых кислот, например, угольной H2CO3. Нитраты калия, натрия, кальция и аммония называют селитрами:

• KNO3 — индийская селитра;
• NаNО3 — чилийская селитра;
• Са (NО3)2 — норвежская селитра;
• NH4NO3 — аммиачная селитра, ее месторождений в природе нет.

Нитраты щелочных и щёлочно-земельных металлов, кроме лития, разлагаются до нитритов, например: 2NaNO3 = 2NaNO2 + O2а, где NaNO2 — нитрит натрия или соль азотистой кислоты.

В твердом виде все нитраты входят в состав пиротехнических смесей, например, черный порох: 2KNO3 + S + 3C = 3CO2 + N2 + K2S.

Получение и применение

АК является одним из самых важных соединений для химической промышленности. Объемы ее производства уступают только серной кислоте. Большая ее часть, около 40%, используется в производстве минеральных удобрений. Остальные запасы находят применение в самых разных отраслях:

• в пищевой промышленности;
• при производстве синтетических красителей и нитролаков;
• взрывчатых веществ;
• лекарственных веществ;
• пластмасс;
• антикоррозийных покрытий.

Производят АК на специализированных химических предприятиях. В основу технологического процесса положен метод получения смеси оксидов азота при каталитическом окислении аммиака и дальнейшем поглощении водой. Катализаторы на производстве применяются платино-родиевые.

При работе с АК нужно проявлять большую осторожность и пользоваться защитными средствами, так как она ядовита и представляет опасность для здоровья человека при попадании на кожу или слизистые оболочки.