|
|
|
|
|
Глава 5. Подгруппа азота и ее типичные представители
§ 25. Азотная кислота и ее соли
Состав и строение. Молекула азотной кислоты HNO3 состоит из атомов трех элементов, соединенных между собой ковалентными связями. Это молекулярное вещество, содержащее предельно окисленный атом азота в высшей степени окисления +5. Однако валентность азота в HNO3 равна четырем. Проблема. Как объяснить, что валентность азота и его степень окисления в молекуле HNO3 не совпадают?
Степень же окисления азота равна +5, поскольку все пять электронов внешнего электронного слоя атома азота оттянуты от него к более электроотрицательным атомам кислорода. Физические свойства. Чистая азотная кислота — бесцветная жидкость, дымящаяся на воздухе, с едким запахом. Концентрированная азотная кислота обычно окрашена в желтый цвет. Этот цвет ей придает оксид азота (IV), который образуется вследствие частичного разложения азотной кислоты. Плотность HNO3 равна 1,52 г/см3, температура кипения 86 °С, а при температуре -41,6 °С она затвердевает в виде прозрачной кристаллической массы. Азотная кислота очень гигроскопична. Она растворяется в воде в любых соотношениях и в водном растворе является сильным электролитом. В лаборатории обычно используется концентрированная 65%-ная азотная кислота плотностью 1,4 г/см3. В отличие от 100%-ной кислоты она не «дымит» на воздухе и способна сохраняться довольно долго.
Химические свойства. Разбавленная азотная кислота проявляет свойства, общие для всех кислот. Она изменяет окраску индикаторов, реагирует с основными оксидами и основаниями, как и другие кислоты. Задание. Со свойствами кислот как электролитов вы уже хорошо знакомы. Напишите уравнения соответствующих реакций для разбавленной азотной кислоты. 1. Азотная кислота — сильный электролит. В водном растворе она диссоциирует (в 1М растворе примерно на 82 %):
Реакции с индикаторами, основными оксидами и основаниями обусловлены свойствами азотной кислоты как электролита, а именно ее ионом Н+. Важнейшей из них является реакция нейтрализации: HNO3 + КОН = KNO3 + Н2O
Азотная кислота проявляет и специфические свойства. Она — сильный окислитель, что обусловлено прежде всего наличием атома азота в степени окисления +5. 2. Термическое разложение азотной кислоты. Азотная кислота — очень непрочное соединение. При комнатной температуре она разлагается на оксид азота (IV), воду и кислород: 4HNO3 = 2Н2O + 4NO2 + O2↑ Поэтому азотную кислоту следует хранить в темных бутылях в прохладном темном месте. При работе с азотной кислотой, особенно концентрированной, надо строго соблюдать правила техники безопасности. Они приведены на с. 91. Прочитайте их вновь.
3. Взаимодействие с металлами является наиболее специфичным проявлением окислительных свойств азотной кислоты. Она реагирует не только с активными металлами, стоящими в ряду активности левее водорода, но и с малоактивными, стоящими справа от водорода, причем это относится как к концентрированной, так и к разбавленной азотной кислоте (сравните с серной кислотой). В ходе этой реакции водород кислоты не замещается атомами металла, а образуются газообразные соединения азота.
1. Возьмем две пробирки и в одну из них опустим кусочек цинка, в другую — меди. В каждую пробирку нальем раствор азотной кислоты (1:5). Немного подогреем пробирки. В обоих случаях наблюдаем реакцию. В пробирке с медью наблюдается выделение бесцветного газа NO, который окисляется в бурый NO2. Поднесем к пробирке с цинком зажженную лучинку — характерного хлопка водорода не слышится. Следовательно, водород не выделяется.
2. Возьмем пробирку с медью, добавим немного концентрированной азотной кислоты и слегка подогреем. Начинает активно выделяться бурый газ NO2: Сu + 4HNO3(конц) = Cu(NO3)2 + 2NO2t + 2Н2O (Уравнения не нужно запоминать. Необходимо пока лишь понять сущность процесса.) На основе проделанных опытов можно сделать следующие выводы. 1. Раствор азотной кислоты реагирует не только с металлами, стоящими в электрохимическом ряду активности металлов до водорода, но и с металлами, стоящими после водорода (сравните с растворами соляной и серной кислот). 2. В реакции с разбавленной азотной кислотой окислителем металлов является не ион водорода Н+ (как в случае с растворами соляной и серной кислот), а ион 3. Концентрированная азотная кислота также реагирует с металлами, стоящими в ряду активности правее водорода. Окислителем металлов в данном случае являются молекулы HNO3 за счет предельно окисленного атома азота (сравните с концентрированной серной кислотой). 4. В окислительно-восстановительных реакциях с металлами азотная кислота выступает как сильный окислитель за счет атомов N+5. Поэтому продуктами реакции являются различные соединения азота с более низкой степенью окисления азота, чем N+5. Азотная кислота не реагирует с золотом и платиной. Однако смесь концентрированной азотной и концентрированной соляной кислот в соотношении 1:3, называемая «царской водкой», действует на эти металлы, растворяя их. Это свойство данной смеси хорошо было известно алхимикам. Для более конкретного определения продукта реакции каждого из металлов с HNO3 следует обратиться к таблице 19. Взаимодействие металлов с HNO3 — сложный процесс, включающий не только окислительно-восстановительную реакцию, но и реакцию солеобразования. Поэтому для составления уравнений реакций HNO3 с металлами и правильной расстановки в них коэффициентов целесообразно обратиться к алгоритму и к схеме электронного баланса (см. ниже).
Концентрированной азотной кислотой легко окисляются многие неметаллы, сложные органические вещества. 4. Окисление неметаллов (S, Р, С и др.) азотной кислотой. Сера, например, окисляется азотной кислотой до серной кислоты при кипячении, уголь — до углекислого газа, фосфор — до ортофосфорной кислоты.
5. Окисление азотной кислотой органических веществ. Азотная кислота, особенно концентрированная, окисляет органические вещества. Если погрузить в концентрированную нагретую азотную кислоту тлеющую лучинку, она ярко вспыхивает (наличие свободного кислорода) (см. рис. 37). Скипидар, по каплям добавляемый в концентрированную азотную кислоту при обычных условиях, воспламеняется (рис. 38). Животные и растительные ткани быстро разрушаются при действии на них азотной кислоты. Даже небольшое количество разбавленной азотной кислоты оставляет на коже желтые пятна (вследствие взаимодействия с белками). При попадании на кожу концентрированной кислоты образуются болезненные язвы. Вдыхание паров вызывает ожог дыхательных путей и отравление (см. с. 122). При попадании азотной кислоты на кожу следует быстро смыть ее большим количеством воды, нейтрализовать слабым раствором питьевой соды, которую затем надо смыть водой.
Получение азотной кислоты. В лаборатории азотную кислоту получают взаимодействием калийной или натриевой селитры с концентрированной серной кислотой при нагревании (рис. 39):
В промышленности азотную кислоту получают каталитическим окислением аммиака, синтезированного из азотоводородной смеси, получаемой комбинированной конверсией (превращением) природного газа, на одной из стадий которой используется воздух, а следовательно, в конечном счете из воздуха. Перевозят концентрированную азотную кислоту в алюминиевых цистернах.
|
Охарактеризуйте азотную кислоту как электролит. Напишите уравнения реакций азотной кислоты, доказывающие ее принадлежность к классу кислот.
Это объясняется тем, что у атома азота имеется три неспаренных р-электрона на внешнем слое, за счет которых он может образовать с атомами кислорода три общие электронные пары. Но есть еще одна связь, образованная по донорно-акцепторному механизму благодаря неподеленной электронной паре азота. Поэтому число ковалентных связей равно четырем. Следовательно, валентность азота в кислоте также равна четырем.
Демонстрационный опыт. Разложение азотной кислоты. (Проводится под тягой!) Нагреем небольшое количество концентрированной азотной кислоты в химическом стакане и внесем в него тлеющую лучинку. Лучинка ярко вспыхивает, что доказывает наличие кислорода, выделяющегося при разложении кислоты (см. рис. 37).
, окислительные свойства которого сильнее, чем у катиона Н+.
|
|