Підготовка до ЗНО з хімії

Атом Нітрогену в нітратній кислоті виявляє максимальну валентність –4. Ступінь окиснення Нітрогену +5, він перебуває у стані sp²-гібридізації. Графічно молекула нітратної кислоти зображується у вигляді двох резонансних структур:

Одержання.

В лабораторії HNO₃ одержують дією концентрованої сульфатної кислоти на тверді нітрати лужних або лужноземельних металів:

NaNO₃ + H₂SO₄ = HNO₃ + NaHSO₄,

з наступною відгонкою HNO₃ з реакційної суміші.

У промисловості добування HNO₃ ведуть за процесом Оствальда, який складається із стадій:

1. окиснення амоніаку киснем повітря у присутності каталізатора Pt/Rh при 900 ⁰С:

3NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O, ΔH = – 906 кДж/моль,

реакція екзотермічна, що дозволяє підтримувати температуру 900 ⁰С без додаткового нагрівання;

2. окиснення NO до NO₂ киснем повітря при охолодженні:

2NO + O₂ = 2NO₂;

3. поглинання NO₂ водою в присутності кисню:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O = 4HNO₃.

Утворюється розчин з масовою часткою НNO₃ 60%, який перегонкою концентрують до масової частки НNO₃ 68%, одержуючи при цьому азеотропну суміш*.

Подальше концентрування (до 98%) проводять перегонкою з сульфатною кислотою або P₂O₅.

Концентровану НNO₃ перевозять в алюмінієвих цистернах, розбавлену – у посуді з кислотостійких матеріалів.

Фізичні властивості.

Чиста НNO₃ – безбарвна рідина, густина 1,51 г/см³, кристалізується при ‑42 ⁰С у прозору кристалічну масу. Температура кипіння 86 ⁰С.

На повітрі димить, з водою змішується у будь-яких відношеннях. Технічна НNO₃ забарвлена в жовтий колір за рахунок розчиненого у ній NO₂.

Хімічні властивості.

І. Кислотні властивості. У водному розчині НNO₃ практично повністю дисоціює на іони:

HNO₃ + H₂O = H₃O⁺ + NO₃^–,

і є однією з найсильніших кислот. Виявляє усі характерні властивості кислот (реагує з оксидами, основами, солями) з утворенням солей – нітратів.

ІІ. При нагріванні на світлі частково розкладається:

4HNO₃ = 4NO₂ + O₂ + 2H₂O,

ІІІ. Окисні властивості.

Безводна НNO₃ та у водних розчинах (розбавлених і концентрованих) виявляє сильні окисні властивості.

1. Взаємодія з неметалами:

а) концентрована НNO₃ окиснює неметали до вищого ступеня окиснення, відновлюючись до NO₂:

S + 6HNO₃ = 6NO₂ + H₂SO₄ + H₂O,          C + 4HNO₃ = 4NO₂ + CO₂ + 2H₂O,

P + 5HNO₃ = 5NO₂ + H₃PO₄ + H₂O,          I₂ + 10HNO₃ = 10NO₂ + 2HIO₃ + 4H₂O.

б) розбавлена НNO₃ відновлюється до NO, неметали окиснює до вищого ступеня окиснення:

S + 2HNO₃ = 2NO + H₂SO₄,            C + 4HNO₃ = 4NO + 3CO₂ + 2H₂O,

3P + 5HNO₃ + 2H₂O = 5NO + 3H₃PO₄.

2. Взаємодія з металами.

а) Концентрована НNO₃ при взаємодії з активними метали (лужними і лужноземельними) відновлюється до N₂O:

4Mg + 10HNO₃ = N₂O + 4Mg(NO₃)₂+ 5H₂O.

У реакції з металами середньої активності (Zn, Cd, Sn, Pb, Cu, Ag, Hg) НNO₃ відновлюється до NO₂:

Cu + 4HNO₃ = NO₂ + Cu(NO₃)₂+ 2H₂O.

Концентрована НNO₃ не реагує з Au, Pt і платиновими металами, а також не діє на Cr, Fe та Al внаслідок їх пасивації.

б) Розбавлена НNO₃ при дії на метали (лужні та лужноземельні) відновлюється до NH₄NO₃:

4Ca + 10HNO₃ = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Менш активні метали (Fe, Co, Ni, Sn) відновлюють розбавлену HNO₃ до N₂O:

8Fe + 30HNO₃ = 8Fe(NO₃)₃ + 3N₂O + 15H₂O.

При дії розбавленої HNO₃ на Pb, Cu, Bi виділяється NO:

3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

Розбавлена HNO₃ на Ag, Hg, Au і платинові метали не діє.

Слід зазначити, що у реакціях HNO₃ з металами не виділяється водень, а утворюється суміш продуктів відновлення HNO₃, співвідношення яких залежить від концентрації HNO₃, активності металу, температури тощо.

Отже, чим більш розбавлена нітратна кислота і активніший метал, тим глибше відновлення атому Нітрогену.

3. Метали, які не розчиняються у нітратній кислоті будь-яких концентрацій, розчиняються у суміші концентрованих HNO₃ та HCl (1:3) – “царська вода” (нім. Kaiser wasser). Вона розчиняє золото та платинові метали.

Сильна окисна здатність її зумовлена утворенням атомарного хлору:

3HCl_к. + HNO_3к. = 3Сl·+ NO + 2H₂O,

Au + 4HCl + HNO₃ = H[AuCl₄] + NO + H₂O.

Суміш концентрованих HF та HNO₃ – “пекельна суміш” переводить малоактивні метали в комплексні сполуки:

3Ta + 21HF + 5HNO₃ = 3H₂[TaF₇] + NO + 10H₂O.

гексафлуоротанталова (V) кислота

4. Взаємодіє з бінарними сполуками:

карбідами: 3CaC₂ + 16HNO_3к. = 3Ca(NO₃)₂ + 6CO₂ + 10NO + 8H₂O,

сульфідами: 3As₂S₃+ 28HNO_3к. + 4H₂O = 6H₃AsO₄ + 9H₂SO₄ + 28NO,

гідридами: 3H₂S + 2HNO_3р. = 3S + 2NO + 4H₂O,

фосфідами: Mg₃P₂ + 14HNO_3к. = 3Mg(NO₃)₂ + 2H₃PO₄ + 8NO₂ + 4H₂O,

оксидами: As₂О₃ + 2HNO_3к. + 2H₂O = 2H₃AsO₄ + N₂O₃.

IV. Взаємодія з органічними речовинами. При дії концентрованої HNO₃ більшість органічних речовин обвуглюється. Вуглеводні з нітратною кислотою утворюють нітропохідні (реакція Коновалова), спирти – естери (нітрати – нітрогліцерин, нітроцелюлоза). Характерною реакцією на білки є дія концентрованої нітратної кислоти з появою жовтого забарвлення – ксантопротеїнова реакція. Детально взаємодію нітратної кислоти з органічними речовинами розглянуто в розд. Органічна хімія.

Застосування.

Більшість нітратної кислоти використовують на виготовлення азотних добрив, вибухових речовин, барвників, для виробництва сульфатної кислоти нітрозним способом, виготовлення лаків, кіноплівки (нітроцелюлоза).

Солі нітратної кислоти – нітрати – кристалічні іонні сполуки, добре розчинні у воді.

Нітрати одержують дією нітратної кислоти на метали, оксиди, основи або солі летких кислот (карбонати).

1. Окисні властивості нітрати виявляють у розчинах лугів:

4Zn + NaNO₃ + 7NaOH + 6H₂O = 4Na₂[Zn(OH)₄] + NH₃.

2. Сильними окисниками нітрати є у розплавах:

Fe₂O₃ + 3KNO₃ + 4KOH = 2K₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O.

3. При нагріванні нітрати розкладаються, залежно від природи катіона утворюються різні продукти:

а) нітрати лужних і лужноземельних кислот розкладаються до нітриту і кисню:

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂;

б) нітрати металів середньої активності утворюють оксид металу, NO₂ і кисень:

Cu(NO₃)₂ = 2CuO + 4NO₂ + O₂;

в) нітратів малоактивних металів утворюють метал, NO₂ і кисень:

Hg(NO₃)₂ = Hg + 2NO₂ + O₂.

Залежно від місця металу в ряду стандартних електродних потенціалів нітрати розкладаються за схемою (включаючи зазначений метал):

 

Амоніак нітрат NH₄NO₃ при розкладі утворює N₂O і воду:

NH₄NO₃ = N₂O + H₂O

4. Оскільки при розкладі нітратів утворюється кисень, їх використовують для виготовлення чорного пороху:

2KNO₃ + 3C + S = N₂ + 3CO₂ + K₂S.

Якісною реакцією на іони NO₃^– є нагрівання нітратів з концентрованою сульфатною кислотою і порошком міді – утворюється бурий газ NO₂:

Me(NO₃)₂ + Cu + H₂SO₄ = Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O + MeSO₄.

Нітрати використовують у сільському господарстві як азотні добрива, у піротехніці для виготовлення чорного пороху і вибухових речовин.