Нітратна кислота

РОЗДІЛ 2 НЕМЕТАЛІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ СПОЛУКИ

ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ VA ГРУПИ

§ 36. Нітратна кислота

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

Характеризувати будову молекули, фізичні та специфічні хімічні властивості нітратної кислоти, її застосування;

Складати рівняння та схеми електронного балансу відповідних хімічних реакцій;

Дотримуватися правил безпечного поводження з розбавленою нітратною кислотою.

Молекулярна формула нітратної кислоти НNО3. Мr(НNО3) = 63, М(НNО3) = 63 г/моль. Зв’язки між атомами в молекулі ковалентні

полярні, молекула має кутову будову. Структурна формула:

У молекулі HNO3 атом Нітрогену утворює три зв’язки з двома атомами Оксигену за рахунок перекривання одноелектронних орбіталей, а четвертий зв’язок – за донорно-акцепторним механізмом: атом Нітрогену (донор) віддає електронну пару третьому атому Оксигену. Виникає частинка N+, а атом Оксигену, який має 6 валентних електронів, надає вільну р-орбіталь (акцептор).

Валентність Нітрогену в НNО3 – ІV, ступінь окиснення +5. Речовина молекулярної будови.

– Пригадайте, чому в атома Нітрогену не збігаються

значення валентності й ступеня окиснення.

Фізичні властивості. Нітратна кислота – безбарвна рідина з характерним запахом, летка, на повітрі “димить”, оскільки її пара утворює з вологим повітрям дрібні краплі туману. Технічна нітратна кислота, як правило, жовтуватого кольору, що зумовлено наявністю в ній бурого газу NO2, який утворюється при частковому розкладі нітратної кислоти під дією світла. Вона подразнює шкіру, справляє руйнівну дію на папір, одяг. Отруйна.

Нітратна кислота реагує з білками, зокрема шкіри, і залишає на ній характерні жовті плями. Тому поводитися з нею потрібно дуже обережно. Безводну нітратну кислоту називають димлячою. В лабораторії найчастіше використовують розчин нітратної кислоти з масовою часткою HNO3 63 %. Нітратну кислоту називають концентрованою з W(HNO3) = 96 %.

– Порівняйте дію нітратної та сульфатної кислот на шкіру. Чим вони різняться?

Хімічні властивості. Схарактеризуємо їх за двома критеріями: як сильний електроліт (загальні властивості кислот) та як сильний окисник (специфічні властивості).

Нітратна кислота – сильний електроліт, у водному розчині практично повністю дисоціює на йони:

Тому для неї характерні загальні властивості кислот (повторіть за § 1).

– Складіть повні та скорочені йонні рівняння реакцій взаємодії нітратної кислоти з основними й амфотерними оксидами СаО і ZnO, з гідроксидами основними й амфотерними Са(ОН)2 і Zn(On)2, а також з солями більш слабких і летких кислот – Na2СО3.

Специфічні властивості нітратної кислоти зумовлені найвищим ступенем окиснення Нітрогену +5, тому вона – сильний окисник. Доказом є:

1. Розклад концентрованої нітратної кислоти під дією світла і при нагріванні:

2. Займання тліючої скіпки в нагрітій нітратній кислоті:

3. Окиснення багатьох органічних сполук, наприклад спалахування скипидару в концентрованій нітратній кислоті.

4. Дія нітратної кислоти на метали супроводжується відновленням Нітрогену з утворенням різних продуктів: NO2, NO, N2O, NH4NO3.

– Обгрунтуйте окиснювальні властивості нітратної кислоти, склавши схеми електронного балансу.

Усі досліди з нітратною кислотою виконуються під витяжною шафою! При роботі необхідно додержуватися особливої обережності!

Дослід 1. Спалахування скипидару в нітратній кислоті.

На дно хімічного стакана насипаємо річковий пісок шаром 2-3 см. У порцелянову чашку наливаємо суміш (1:1) концентрованих кислот – нітратної і сульфатної. Це робиться для того, щоб підвищити концентрацію нітратної кислоти завдяки сульфатній кислоті як водовідбірного засобу. Тигельними щипцями чашку обережно ставимо у стакан на пісок. Довгою піпеткою краплями добавляємо скипидар. Кожна крапля, потрапляючи в суміш кислоти, спалахує і згоряє, утворюючи багато кіптяви (мал. 55).

Мал.55. Спалахування скипидару

Взаємодія з металами. Розбавлена і концентрована нітратні кислоти як сильні окисники взаємодіють майже з усіма металами (за винятком золота і платинових металів). У процесі взаємодії з металами ніколи не виділяється водень. Залежно від концентрації кислоти й активності металу утворюються різні продукти відновлення. Так, концентрована нітратна кислота при взаємодії з малоактивними металами завжди виділяє нітроген(ІV) оксид NO2, а розбавлена – NO.

Дослід 2. Взаємодія концентрованої нітратної кислоти з міддю.

У пробірку з міддю додамо трохи концентрованої нітратної кислоти. Спостерігаємо активне виділення бурого газу нітроген(ІV) оксиду:

При взаємодії концентрованої нітратної кислоти з більш активними металами виділяється нітроген(І) оксид:

Розбавлена нітратна кислота при взаємодії з малоактивними металами виділяє нітроген(ІІ) оксид.

Дослід 3. Взаємодія розбавленої нітратної кислоти з міддю.

У пробірку покладемо кусочок міді, доллємо розбавленої нітратної кислоти (у співвідношенні 1: 5).

– Що спостерігаєте? Чому над пробіркою з’являється бурий газ?

У пробірці з міддю виділяється безбарвний газ нітроген(ІІ) оксид NO, який над пробіркою одразу перетворюється на бурий газ нітроген(ІV) оксид NO2:

За допомоги цієї реакції розпізнають нітратну кислоту. Вона є якісною на нітрат-іон. Чим більш розбавлена кислота і чим активніший метал, тим глибше відновлюється Нітроген:

10Al + 36HNO3 (розб.) = 3N2 + 10Al(NO3 )3 + 18H2O

4Mg + 10НNO3 (розб.) = NH4NO3 + 4Mg (NO3 )2 + 3H2O

– Складіть схеми електронного балансу і доведіть окиснювальні властивості розбавленої і концентрованої нітратної кислоти. Чи однаково змінюється ступінь окиснення Нітрогену в обох реакціях?

Отже, Нітроген у молекулі нітратної кислоти знижує свій ступінь окиснення, тобто є окисником.

Метали алюміній, залізо, хром у концентрованій нітратній кислоті пасивуються. Їх поверхня покривається захисною оксидною плівкою, яка в кислоті не розчиняється. Тому концентровану нітратну кислоту (96 – 98 %) зберігають і перевозять у сталевих цистернах.

Нітратна кислота не окиснює благородні метали (золото, платину та ін.). Проте суміш концентрованих нітратної та хлоридної кислот у співвідношенні 1:3, що називається “царською водою”, діє на ці метали і розчиняє їх. Це відбувається внаслідок утворення хлору, який під час виділення дуже активний.

Аналогічно розчиняється золото. Наводимо загальне рівняння реакції:

Зазначимо, що ця властивість суміші була відома ще алхімікам. На основі дослідів зробимо такі висновки:

1. Нітратна кислота в окисно-відновних реакціях з металами є сильним окисником. При цьому окисником металів є не йон Гідрогену Н+ (як у реакціях з хлоридною та розбавленою сульфатною кислотами), а йон NO-3, окиснювальні властивості якого сильніші, ніж у катіона Н+. Тому в процесі взаємодії металів з нітратною кислотою водень не виділяється.

2. Розбавлена і концентрована нітратні кислоти як сильні окисники взаємодіють з металами, які у витискувальному ряді металів містяться до і після водню. Тому продукти відновлення різні.

Взаємодія нітратної кислоти з неметалами. Нітратна кислота окиснює фосфор, особливо при нагріванні (мал. 56). Він перетворюється на ортофосфатну кислоту, а сірка – на сульфатну кислоту.

Сама нітратна кислота відновлюється до нітроген(ІІ) оксиду (розбавлена) і нітроген(ІV) оксиду (концентрована):

Мал. 56. Горіння фосфору в нітратній кислоті

– Складіть схеми електронного балансу, підтвердивши окиснювальні властивості нітратної кислоти.

Застосування. Нітратна кислота є одним із важливих продуктів хімічної промисловості. Вона застосовується у виробництві мінеральних добрив, бездимного пороху, вибухових речовин, лікарських препаратів, барвників, пластмас, штучних волокон, кіно – та фотоплівки. Як сильний окисник використовується у самозаймистому ракетному паливі. У металургії – для розчинення металів, очищення їх поверхні від оксидів.

Коротко про головне

Нітратна кислота – це сильний електроліт і окисник. Для неї характерні як загальні властивості кислот, так і специфічні Продукти окиснення нітратною кислотою металів залежать від її концентрації та їх положення у витискувальному ряді металів. При взаємодії концентрованої нітратної кислоти з неметалами завжди утворюється нітроген(ІV) оксид. Вона діє на білок та інші органічні речовини. Це один із важливих продуктів хімічної промисловості.

Для допитливих. У XVII ст. Й. Глаубер запропонував метод добування летких кислот реакцією їх солей, зокрема калійної селітри KNO3, із концентрованою сульфатною кислотою. Завдяки цьому в хімічну практику було введено концентровану нітратну кислоту, досліджено її властивості. Метод Глаубера застосовувався до початку XX ст., а єдиною істотною модифікацією його була заміна калійної селітри на дешевшу – натрієву селітру.