Азотная кислота

Азотная кислота (HNO₃) — сильная одноосновная неорганическая кислота, относящаяся к классу кислородсодержащих кислот. Представляет собой бесцветную, дымящую на воздухе жидкость с резким удушливым запахом. Является одним из важнейших продуктов химической промышленности, широко применяется в производстве удобрений, взрывчатых веществ, красителей, лекарственных препаратов и в металлургии.

Физические свойства

В чистом виде (концентрированная, 98—99 %) азотная кислота — это бесцветная жидкость, дымящая на воздухе из-за выделения диоксида азота (NO₂), который придаёт ей бурую окраску при хранении на свету. Температура кипения составляет 83 °C, температура плавления — −41,6 °C. Плотность безводной кислоты — 1,51 г/см³. Смешивается с водой в любых соотношениях с выделением тепла. Водные растворы азотной кислоты, в отличие от безводной, не дымят и не имеют цвета.

Азотная кислота является сильным окислителем. Концентрированная кислота пассивирует некоторые металлы (железо, алюминий, хром), образуя на их поверхности защитную оксидную плёнку. Разбавленная кислота, напротив, активно взаимодействует с большинством металлов.

Химические свойства

Кислотные свойства

Как сильная кислота, азотная кислота в водных растворах диссоциирует практически полностью: HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻

Взаимодействует с основными оксидами, основаниями и солями слабых кислот, образуя нитраты:

• CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O
• NaOH + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O
• Na₂CO₃ + 2HNO₃ → 2NaNO₃ + CO₂ + H₂O

Окислительные свойства

Азотная кислота — один из сильнейших окислителей. В реакциях окисления азот восстанавливается до различных степеней окисления, в зависимости от концентрации кислоты и активности восстановителя. Продуктами восстановления могут быть NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄NO₃.

Взаимодействие с металлами:

• Концентрированная HNO₃ (более 60 %) восстанавливается преимущественно до NO₂:

Cu + 4HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

• Разбавленная HNO₃ (около 30 %) восстанавливается до NO:

3Cu + 8HNO₃ (разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

• Очень разбавленная HNO₃ (менее 10 %) с активными металлами может восстанавливаться до NH₄NO₃:

4Zn + 10HNO₃ (оч. разб.) → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Золото, платина и некоторые другие благородные металлы не взаимодействуют с азотной кислотой. Однако смесь концентрированной азотной и соляной кислот (в объёмном соотношении 1:3), называемая «царской водкой», растворяет даже золото и платину.

Взаимодействие с неметаллами: Азотная кислота окисляет многие неметаллы до соответствующих кислот:

• C + 4HNO₃ (конц.) → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O
• S + 6HNO₃ (конц.) → H₂SO₄ + 6NO₂ + 2H₂O
• P + 5HNO₃ (конц.) → H₃PO₄ + 5NO₂ + H₂O

Разложение

При нагревании или на свету азотная кислота разлагается: 4HNO₃ → 4NO₂ + O₂ + 2H₂O

Поэтому концентрированную азотную кислоту хранят в тёмной стеклянной таре.

Получение

Лабораторный способ

В лаборатории азотную кислоту получают нагреванием нитрата калия или натрия с концентрированной серной кислотой: NaNO₃ + H₂SO₄ (конц.) → NaHSO₄ + HNO₃

Промышленный способ (метод Оствальда)

Основной промышленный метод получения азотной кислоты основан на каталитическом окислении аммиака. Процесс включает три стадии:

1. Окисление аммиака до оксида азота(II) на платино-родиевом катализаторе при 800—900 °C:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

1. Окисление NO до диоксида азота:

2NO + O₂ → 2NO₂

1. Абсорбция NO₂ водой с образованием азотной кислоты:

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

Образовавшийся оксид азота(II) возвращается на вторую стадию. Таким образом получают разбавленную азотную кислоту (50—60 %). Для получения концентрированной кислоты её подвергают ректификации с серной кислотой в качестве водоотнимающего агента.

Применение

Азотная кислота является одним из крупнотоннажных продуктов химической промышленности. Основные области применения:

• Производство удобрений: нитрат аммония (аммиачная селитра), нитрат калия, нитрат кальция.
• Производство взрывчатых веществ: тротил, нитроглицерин, аммонал.
• Металлургия: травление и растворение металлов, получение нитратов для очистки благородных металлов.
• Производство красителей и лекарственных препаратов: нитрование органических соединений.
• Производство пластмасс и синтетических волокон: нейлон, капрон.
• Ракетное топливо: как окислитель в некоторых типах ракетных двигателей.
• Аналитическая химия: для растворения образцов при анализе.

Техника безопасности

Азотная кислота — едкое и токсичное вещество. При попадании на кожу вызывает сильные химические ожоги, которые долго заживают. Пары кислоты раздражают дыхательные пути и могут вызвать отёк лёгких. Концентрированная кислота способна воспламенять органические вещества (древесина, бумага, ткани).

При работе с азотной кислотой необходимо использовать средства индивидуальной защиты: кислотостойкие перчатки, защитные очки, респиратор или противогаз, а также работать в вытяжном шкафу. Хранят кислоту в герметично закрытой стеклянной или полиэтиленовой таре вдали от горючих веществ и восстановителей.

Интересные факты

• Азотная кислота была известна ещё алхимикам. Впервые её получил в XIII веке немецкий алхимик Альберт Великий при нагревании селитры с купоросом (сульфатом меди).
• Концентрированная азотная кислота, смешанная с серной, образует нитрующую смесь, которая используется для введения нитрогруппы в органические соединения.
• В составе «царской водки» азотная кислота обеспечивает окисление золота, а соляная кислота связывает образующиеся ионы в прочный хлоридный комплекс, что позволяет перевести золото в раствор.

Источники

• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. «Общая и неорганическая химия». — М.: Химия, 1994.
• Ахметов Н. С. «Общая и неорганическая химия». — М.: Высшая школа, 2001.
• Глинка Н. Л. «Общая химия». — М.: КноРус, 2010.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Промышленный регламент получения азотной кислоты. — М.: НИИТЭХИМ, 2005.