Азотная кислота

Азо́тная кислота́ (химическая формула — HNO; ) — сильная химическая неорганическая кислота, отвечающая высшей степени окисления азота (+5). Ядовита.

При стандартных условиях азотная кислота — это одноосновная кислота, в чистом виде — бесцветная жидкость с резким удушливым запахом. Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации с моноклинной и ромбической решётками.

Азотная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. В водных растворах она практически полностью диссоциирует на ионы. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 68,4 % и  при нормальном атмосферном давлении. Известны два твёрдых гидрата: моногидрат (HNO3·H2O) и тригидрат (HNO3·3H2O). Азотная кислота не является канцерогеном, однако пары сильных неорганических кислот, к которым относится азотная, могут провоцировать рак. Она, а также её соли - нитраты являются сильными окислителями.

Исторические сведения 
Методика получения разбавленной азотной кислоты путём сухой перегонки селитры с квасцами и медным купоросом была, по-видимому, впервые описана в трактатах Джабира (Гебера в латинизированных переводах) в VIII веке. Этот метод с теми или иными модификациями, наиболее существенной из которых была замена медного купороса железным, применялся в европейской и арабской алхимии вплоть до XVII века.

В XVII веке Глаубер предложил метод получения летучих кислот реакцией их солей с концентрированной серной кислотой, в том числе и азотной кислоты из калийной селитры, что позволило ввести в химическую практику концентрированную азотную кислоту и изучить её свойства. Метод Глаубера применялся до начала XX века, причём единственной существенной модификацией его оказалась замена калийной селитры на более дешёвую натриевую (чилийскую) селитру.

Во времена М. В. Ломоносова и вплоть до середины XX века азотная кислота в обиходе именовалась крепкой водкой.

Физические и физико-химические свойства 

Азот в азотной кислоте имеет степень окисления +5.
Азотная кислота — бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C (при нормальном атмосферном давлении) с частичным разложением. Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. Водные растворы HNO3 с массовой долей 0,95—0,98 называют «дымящей азотной кислотой», с массовой долей 0,6—0,7 — концентрированной азотной кислотой.

С водой образует азеотропную смесь (массовая доля 68,4 %, , )

При кристаллизации из водных растворов азотная кислота образует кристаллогидраты:
 моногидрат HNO3·H2O,  = −37,62 °C;
 тригидрат HNO3·3H2O,  = −18,47 °C.

Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации:
 ;
 ромбическая

Моногидрат образует кристаллы .

Плотность водных растворов азотной кислоты как функция её концентрации описывается уравнением
 
где  — плотность в г/см3,  — массовая доля кислоты. Данная формула плохо описывает поведение плотности при концентрации более 97 %.

Химические свойства 
1. Высококонцентрированная HNO3 имеет бурую окраску вследствие происходящего на свету процесса разложения:

 

2. При нагревании азотная кислота распадается по той же реакции. Азотную кислоту можно перегонять без разложения только при пониженном давлении (указанная температура кипения при атмосферном давлении найдена экстраполяцией).

3. Золото, платина, иридий, родий и тантал инертны к азотной кислоте во всём диапазоне концентраций, остальные металлы реагируют с ней, ход реакции при этом определяется её концентрацией.

4. HNO3 как сильная одноосновная кислота взаимодействует:

а) с основными и амфотерными оксидами:

 

 

б) с основаниями:

 

в) вытесняет слабые кислоты из их солей:

 

5. При кипении или под действием света азотная кислота частично разлагается:

 

6. Азотная кислота в любой концентрации проявляет свойства кислоты-окислителя, при этом азот восстанавливается до степени окисления от +5 до −3. Глубина восстановления зависит в первую очередь от природы восстановителя и от концентрации азотной кислоты. Как кислота-окислитель, HNO3 взаимодействует:

а) с металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода:

Концентрированная HNO3

 

Разбавленная HNO3

 

б) с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений левее водорода:

 

 

 

 

 

Все приведённые выше уравнения отражают только доминирующий ход реакции. Это означает, что в данных условиях продуктов данной реакции больше, чем продуктов других реакций, например, при взаимодействии цинка с азотной кислотой (массовая доля азотной кислоты в растворе 0,3) в продуктах будет содержаться больше всего NO, но также будут содержаться (только в меньших количествах) и NO2, N2O, N2 и NH4NO3.

7. Единственная общая закономерность при взаимодействии азотной кислоты с металлами: чем более разбавленная кислота и чем активнее металл, тем глубже восстанавливается азот:

 увеличение концентрации кислоты  увеличение активности металла

8. С золотом и платиной азотная кислота, даже концентрированная, не взаимодействует. Железо, алюминий, хром холодной концентрированной азотной кислотой пассивируются. С разбавленной азотной кислотой железо взаимодействует, причём в зависимости от концентрации кислоты образуются не только различные продукты восстановления азота, но и различные продукты окисления железа:

 

 

9. Азотная кислота окисляет неметаллы, при этом азот обычно восстанавливается до NO или NO2:

 

 

 

 

 

и сложные вещества, например:

 

 

 

10. Некоторые органические соединения (например амины, скипидар) самовоспламеняются при контакте с концентрированной азотной кислотой.

11. Некоторые металлы (железо, хром, алюминий, кобальт, никель, марганец, бериллий), реагирующие с разбавленной азотной кислотой, пассивируются концентрированной азотной кислотой и устойчивы к её воздействию.

Смесь азотной и серной кислот носит название «меланж».

Азотная кислота широко используется для получения нитросоединений.

12. Смесь трёх объёмов соляной кислоты и одного объёма азотной называется «царской водкой».  При комнатной температуре в реакции устанавливается равновесие. Оно смещается вправо при нагревании. Царская водка растворяет большинство металлов, в том числе золото и платину. Её сильные окислительные способности обусловлены образующимся атомарным хлором и хлоридом нитрозила,  который тоже разлагается и выделяет хлор:

  

Итого:

Эта же реакция также идёт с бромоводородной кислотой:

13. Взаимодействие концентрированных азотной и соляной кислот с благородными металлами:

 

 

14. Азотная кислота, растворяясь в воде, частично и обратимо с ней реагирует с образованием ортоазотной кислоты, которая не существует в свободном виде:

Нитраты 
Азотная кислота является сильной кислотой. Её соли — нитраты — получают действием HNO3 на металлы и некоторые соединения неметаллов, оксиды, гидроксиды или карбонаты. Все нитраты хорошо растворимы в воде. Нитрат-ион в воде не гидролизуется.

1. Соли азотной кислоты при нагревании необратимо разлагаются, причём состав продуктов разложения определяется катионом:

а) нитраты металлов, стоящих в ряду напряжений левее магния (исключая литий):

 

б) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений между магнием и медью (а также литий):

 

в) нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений правее ртути:

 

г) нитрат аммония:

 

2. Нитраты в водных растворах практически не проявляют окислительных свойств, но при высокой температуре в твёрдом состоянии являются сильными окислителями, например, при сплавлении твёрдых веществ:

 

3. Цинк и алюминий в щелочном растворе восстанавливают нитраты до NH3:

 

Соли азотной кислоты — нитраты — широко используются как удобрения. При этом практически все нитраты хорошо растворимы в воде, поэтому в виде минералов их в природе чрезвычайно мало; исключение составляют чилийская (натриевая) селитра и индийская селитра (нитрат калия). Большинство нитратов получают искусственно.

4. С азотной кислотой не реагируют стекло, фторопласт-4.

5. Нитраты металлов при спекании с оксидами металлов образуют соли ортоазотной кислоты — ортонитраты:

Промышленное производство, применение и действие на организм 

Азотная кислота является одним из самых крупнотоннажных продуктов химической промышленности.

Производство азотной кислоты 
Современный способ её производства основан на каталитическом окислении синтетического аммиака на платино-родиевых катализаторах (процесс Оствальда) до смеси оксидов азота (нитрозных газов), с дальнейшим поглощением их водой:

 
 
 

Все три реакции — экзотермические, первая — необратимая, остальные — обратимые. Концентрация полученной таким методом азотной кислоты колеблется в зависимости от технологического оформления процесса от 45 до 58 %. Для получения концентрированной азотной кислоты либо смещают равновесие в третьей реакции путём повышения давления до 50 атмосфер, либо в разбавленную азотную кислоту добавляют серную кислоту и нагревают, при этом азотная кислота, в отличие от воды и серной кислоты, испаряется.

В России масштабное производство азотной кислоты (10000 тонн в год) по этому методу началось в 1917 г. в Юзовке, сырьём служил аммиак из коксового газа по способу И. И. Андреева.

Впервые азотную кислоту получили алхимики, нагревая смесь селитры и железного купороса:
 
Дымящую кислоту высокой концентрации можно получить действием концентрированной хлорной кислоты на аммиак:

 NH3 +HClO4=HCl + HNO3 + H2O

Чистую азотную кислоту получил впервые Иоганн Рудольф Глаубер, действуя на селитру концентрированной серной кислотой:
 

Дальнейшей дистилляцией может быть получена т. н. «дымящая азотная кислота», практически не содержащая воды.

Применение 
 Пищевая промышленность - разбавленная - безразборная мойка оборудования (трубы, насосы, теплообменники, емкости и прочее);
 Производство минеральных удобрений;
 Военная промышленность (дымящая — в производстве взрывчатых веществ, как окислитель ракетного топлива, разбавленная — в синтезе различных веществ, в том числе отравляющих);
 Плёночная фотография (крайне редко) — разбавленная — подкисление некоторых тонирующих растворов;
 Станковая графика — для травления печатных форм (офортных досок, цинкографических типографских форм и магниевых клише);
 Производство красителей и лекарств (нитроглицерин);
 Ювелирное дело — основной способ определения золота в золотом сплаве;
 Основной органический синтез (нитроалканы, анилин, нитроцеллюлоза, тротил)

Действие на организм 

Азотная кислота ядовита. По степени воздействия на организм относится к веществам 3-го класса опасности.
Её пары очень вредны: пары вызывают раздражение дыхательных путей, а сама кислота оставляет на коже долгозаживающие язвы. При действии на кожу возникает характерное жёлтое окрашивание кожи, обусловленное ксантопротеиновой реакцией. При нагреве или под действием света кислота разлагается с образованием высокотоксичного диоксида азота NO2 (газа бурого цвета). ПДК для азотной кислоты в воздухе рабочей зоны по NO2 2 мг/м3.

Рейтинг NFPA 704 для концентрированной азотной кислоты: 
 Опасность для здоровья: 4 
 Огнеопасность: 0
 Нестабильность: 0
 Специальное: СOR

Юникод 
В Юникоде есть алхимический символ азотной кислоты ().

См. также 
 Красная дымящая азотная кислота

Примечания

Литература 
 
 Энциклопедический словарь юного химика, Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — 2-е издание, М., 1990.
 Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2001.

Ссылки 
 
 

Неорганические кислородсодержащие кислоты
Сильные кислоты
Соединения азота
Фотографические реактивы
Окислители
Соединения азота по алфавиту
Ракетное топливо