Концентрированная азотная кислота обладает высокой окислительной способностью и может активно взаимодействовать с большинством металлов, в том числе с медью. Давайте подробно разберем, как протекает это любопытное химическое превращение.
Химические свойства азотной кислоты
Особые свойства азотной кислоты во многом определяются ее способностью отдавать кислород, то есть выступать окислителем в реакциях:
- 2HNO 3 = 2NO + O2 + H2O
- 3Cu + 8HNO 3 = 3Cu(NO 3)2 + 2NO + 4H2O
При взаимодействии с металлами азотная кислота окисляет их, переходя в нитраты. Например:
- Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3)3 + NO + 2H2O
- 3Zn + 8HNO 3 = 3Zn(NO 3)2 + 2NO 2 + 4H2O
В концентрированном виде HNO 3 способна окислить медь до степени окисления +2:
Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3)2 + 2NO 2 + 2H2O
При этом сама азотная кислота восстанавливается до оксидов азота NO и NO 2, которые улетучиваются.
Механизм взаимодействия меди и азотной кислоты
Рассмотрим подробнее условия, при которых происходит описанная выше реакция.
Для эффективного взаимодействия медной стружки с концентрированной азотной кислотой необходимо:
- Измельченная медь с развитой поверхностью
- Концентрация HNO 3 не менее 95-98%
- Температура 60-80°С
- Перемешивание реакционной смеси
При соблюдении этих условий реакция идет по уравнению:
Cu + 4HNO3 → | Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O |
Здесь медь окисляется с 0 до +2 степени окисления, а азотная кислота, наоборот, восстанавливается.
Факторы, влияющие на скорость реакции
Скорость взаимодействия меди и концентрированной азотной кислоты зависит от ряда факторов.
Во-первых, повышение температуры ускоряет реакцию, поскольку при нагревании возрастает кинетическая энергия молекул и атомов.
Во-вторых, с увеличением концентрации HNO3 растет и скорость реакции, так как чаще происходят эффективные столкновения молекул кислоты с атомами меди.
Ну и в-третьих, измельчение медной стружки, то есть увеличение ее поверхности, тоже ведет к повышению скорости реакции. Это связано с тем, что на поверхности раздела фаз концентрация реагентов выше и происходит больше полезных соударений.
Технологическое применение реакции
Рассмотренное взаимодействие меди и концентрированной азотной кислоты нашло применение в различных областях техники и технологии.
В частности, оно используется при промышленном синтезе HNO 3. Сначала получают оксиды азота в результате окисления аммиака, затем они вступают в реакцию с водой. Однако выход азотной кислоты невысокий. А вот дополнительное окисление оксидов азота на меди повышает общий выход целевого продукта.
Утилизация отходов реакции
При взаимодействии меди и азотной кислоты образуются токсичные оксиды азота, которые загрязняют атмосферу. Кроме того, использованные растворы содержат ионы меди и нитрат-ионы, отравляющие водоемы.
Для решения этих экологических проблем применяют разные методы. Например, оксиды азота улавливают растворами щелочей или сжигают до безвредных азота и кислорода. Растворы очищают методами ионного обмена и электролиза.
Безопасное обращение с азотной кислотой
Несмотря на все особые свойства азотной кислоты, работать с ней можно и нужно грамотно, с соблюдением правил безопасности.
В лаборатории концентрированную HNO 3 хранят в темной склянке с притертой пробкой. Переливать кислоту следует на тиглегорнях, а при разбавлении аккуратно вливать ее в воду, а не наоборот.
Исторический аспект
Впервые азотную кислоту получил в 8 веке алхимик Джабир ибн Хайян. А записи о ее взаимодействии с медью появились гораздо позже - в 15 веке у Ангеликуса из Флоренции.
Перспективы использования реакции
И в наши дни ученые продолжают исследовать реакцию меди с азотной кислотой, например для создания более эффективных методов получения "зеленых" удобрений без вредных выбросов в атмосферу.
Рекомендации по безопасной работе
При работе с азотной кислотой в лабораторных или производственных условиях рекомендуется:
- Проводить реакцию в вытяжном шкафу
- Использовать средства индивидуальной защиты - халат, перчатки, очки
- При разливе кислоты засыпать ее опилками или песком
- Держать под рукой нейтрализующий раствор - гидрокарбонат натрия
- Не допускать попадания кислоты на кожу и в глаза
Меры предосторожности
Помимо рекомендаций, есть еще ряд обязательных мер предосторожности:
- Использовать только целую посуду из стекла или фарфора
- Не производить реакцию в помещении с плохой вентиляцией
- Не оставлять емкость с кислотой открытой надолго
- Не нагревать реакционную смесь выше температуры кипения воды
Первая помощь при химических ожогах
Если же произошел ожог кожи или поражение глаз азотной кислотой, необходимо:
- Немедленно промыть пораженное место струей холодной воды не менее 10-15 минут
- Затем заложить чистую салфетку, смоченную раствором пищевой соды
- При необходимости доставить пострадавшего в медучреждение
Утилизация отходов
Для предотвращения вредного воздействия на окружающую среду необходимо:
- Собирать жидкие отходы в специальную емкость
- Нейтрализовать кислоту содой до рН 6-7
- Высушивать твердый остаток и сдавать в переработку