Взаимодействие медной стружки с концентрированной азотной кислотой. Взаимодействие азотной кислоты с металлами

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.