Основные химические свойства азотной кислоты
Азотная кислота - удивительное вещество с уникальными химическими свойствами. Она способна активно взаимодействовать с огромным количеством соединений, проявляя как окислительные, так и кислотные свойства. Именно это определяет широту ее применения в промышленности, науке и повседневной жизни.
Физико-химические свойства азотной кислоты
Чистая концентрированная азотная кислота представляет собой бесцветную жидкость с резким удушающим запахом. Она хорошо смешивается с водой в любых соотношениях. Плотность кислоты зависит от концентрации - чем больше в растворе азотной кислоты, тем выше его плотность.
При длительном хранении азотная кислота желтеет и приобретает коричневатый оттенок из-за частичного разложения с выделением оксидов азота.
Температура кипения чистой HNO 3 составляет 83°C, температура плавления - 42°C. Кислота обладает низкой температурой вспышки, поэтому с ней нужно обращаться осторожно во избежание возгорания.
Получение азотной кислоты
В промышленности азотную кислоту производят по методу Оствальда - окислением аммиака на платиновых катализаторах с последующим поглощением образующихся оксидов азота водой:
- 2NH3 + 5O2 → 2NO + 3H2O
- 2NO + O2 → 2NO 2
- 3NO 2 + H2O → 2HNO 3 + NO
Получаемый таким способом раствор азотной кислоты имеет концентрацию около 50-60%. Для нужд лабораторий и научных экспериментов кислоту меньшей концентрации можно приготовить разбавлением концентрированного раствора дистиллированной водой.
Взаимодействие с металлами
Азотная кислота проявляет окислительные свойства в реакциях практически со всеми металлами, за исключением благородных (золото, платина, серебро). Активность металлов в реакциях с азотной кислотой сильно зависит от ее концентрации.
Активные металлы
Щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий, железо и цинк активно взаимодействуют даже с разбавленными растворами азотной кислоты. Примеры реакций:
- 3Mg + 8HNO 3 → 3Mg(NO 3)2 + 2NO + 4H2O
- Zn + 4HNO 3 → Zn(NO 3)2 + 2NO 2 + 2H2O
- 2Al + 6HNO 3 → 2Al(NO 3)3 + 3H2O + 3NO
Как видно, в зависимости от активности металла образуются разные продукты восстановления азотной кислоты - оксиды азота(II) и азота(IV).
Пассивация поверхности
Хром, алюминий и железо при контакте с концентрированной холодной азотной кислотой пассивируются - их поверхность покрывается защитной оксидной пленкой:
- Fe + 4HNO 3 → Fe(NO 3)2 + 2NO 2 + 2H2O
- Cr + 4HNO 3 → Cr(NO 3)3 + NO + 3H2O
Взаимодействие с этими металлами идет только при нагревании.
Благородные металлы (золото, платина, серебро) полностью инертны по отношению к азотной кислоте любой концентрации и при любой температуре.
Взаимодействие с неметаллами и их соединениями
Азотная кислота окисляет неметаллы и анионы в составе солей и оксидов:
- S + 6HNO 3 → H2SO4 + 6NO 2 + 2H2O
- P4 + 20HNO 3 → 4H3PO4 + 20NO
- 3CuS + 8HNO 3 → 3CuSO4 + 3Cu(NO 3)2 + 2NO + 4H2O
Как видно из примеров, неметаллы окисляются до высшей степени окисления с образованием соответствующих кислот. Анионы тоже окисляются, например серу содержащие соединения превращаются в сульфаты.
Реакция с органическими веществами
При взаимодействии с органическими соединениями азотная кислота проявляет себя как сильный окислитель. Многие органические вещества (амины, скипидар) самовоспламеняются в контакте с HNO 3. Например:
- C10H16 + 16HNO 3 → 10CO2 + 16NO 2 + 18H2O
Кроме окисления, азотная кислота может нитровать органические соединения с образованием нитропроизводных, широко используемых для синтеза лекарств, взрывчатых веществ и красителей.
Образование комплексных кислот
В реакциях с хлороводородной и серной кислотами азотная кислота образует так называемые "дымящие смеси" - царскую водку и нитрозосерную кислоту. Эти вещества отличаются высокой реакционной способностью:
| Название | Состав |
| Царская водка | 3HCl + HNO 3 |
| Нитрозосерная кислота | HNO 3 + H2SO4 |
Например, царская водка способна растворять благородные металлы, с которыми обычная HNO 3 не взаимодействует.
Применение азотной кислоты
Благодаря уникальным химическим свойствам, азотная кислота нашла широкое применение:
- Производство минеральных удобрений;
- Синтез лекарственных препаратов и красителей;
- Травление и полировка металлических поверхностей.
Окислительно-восстановительные реакции с участием азотной кислоты лежат в основе множества технологических процессов современной промышленности.
Токсичность и меры предосторожности при работе
Несмотря на широкое применение, азотная кислота обладает высокой токсичностью. Ее пары и растворы оказывают сильное раздражающее и прижигающее действие на слизистые оболочки и кожу.
Согласно классификации опасности веществ, азотная кислота относится к 3 классу. Предельно допустимая концентрация паров HNO 3 в воздухе рабочей зоны составляет 2 мг/м3.
При работе с азотной кислотой в лабораторных условиях необходимо использовать защитные очки, перчатки и халат. Также работу желательно проводить под вытяжкой для улавливания паров кислоты.
Хранение азотной кислоты
Из-за высокой химической активности при хранении азотной кислоты нужно соблюдать ряд мер предосторожности:
- Хранить в хорошо вентилируемом помещении вдали от источников тепла и прямого солнечного света;
- Использовать кислотостойкую герметичную стеклянную или полиэтиленовую посуду;
- Не хранить вблизи с легковоспламеняющимися и горючими материалами.
При разливе концентрированной азотной кислоты опасность представляет образование едких оксидов азота. Небольшие утечки ликвидируют раствором соды, большие - инертным абсорбентом с последующей утилизацией.
Перспективы использования
Помимо традиционного применения в промышленности, уникальные oxidizing свойства азотной кислоты перспективны для использования в передовых областях науки и техники.
В частности, исследуются литий-ионные аккумуляторы на основе нитратов переходных металлов, отличающиеся повышенной емкостью и безопасностью.
Кроме того, азотную кислоту можно использовать для очистки выбросов теплоэлектростанций от оксидов азота - она поглощает их с образованием растворимых нитратов.
Применение в нанотехнологиях
В последнее время азотная кислота находит все большее применение в нанотехнологиях для получения наночастиц и наноструктур.
Например, HNO 3 используют для синтеза оксидов металлов нанометрового размера, таких как ZnO, TiO2, Fe2O3. Кислота выступает окислителем, превращая соли металлов в соответствующие оксиды, которые затем формируют наночастицы нужного состава и размера.
Углеродные нанотрубки
Азотную кислоту применяют для очистки и функционализации углеродных нанотрубок. Обработка в HNO 3 позволяет удалить примеси после синтеза нанотрубок и придает им нужные химические свойства.
Травление металлов
Благодаря высокой реакционной способности, азотная кислота нашла широкое применение в микроэлектронной промышленности для травления наноструктур на поверхности металлов и полупроводников.
Например, HNO 3 используют для получения пористого кремния, применяемого в химических сенсорах и солнечных батареях.
Переработка отходов
Еще одно перспективное направление - утилизация опасных отходов с помощью азотной кислоты.
В частности, исследуется возможность переработки отработанного ядерного топлива. Под действием HNO 3 происходит выщелачивание радиоактивных изотопов с получением нитратов урана и плутония.
Аналогичный подход можно использовать для извлечения ценных металлов из электронных отходов, содержащих золото, серебро, палладий.
Вместо заключения
Азотная кислота - удивительное вещество, чьи уникальные химические свойства определяют широту ее применения. Окислительно-восстановительные реакции с участием HNO 3 лежат в основе многих важных технологических процессов.
При этом азотная кислота токсична и требует аккуратного обращения. Соблюдение правил безопасной работы и хранения позволяет минимизировать риски и извлечь максимальную пользу из этого удивительного вещества.