Одно из значимых кислородных соединений азота — азотная кислота, получение которой имеет большое промышленное значение. Она используется при производстве химических удобрений, красителей, пластмасс, синтетических волокон, и даже взрывчатки. Это сильный окислитель, поэтому при работе с этим веществом важно соблюдать все меры предосторожности.
Описание основных характеристик
При нормальных условиях азотная кислота (формула HNO3) — жидкость без окраски с характерным запахом (резкий, удушливый). При длительном хранении цвет соединения меняется на желтый. Физические свойства:
- Плотность — 1г/см3.
- Температура кипения 86 °C.
- Температура затвердевания -41,15°C.
С водой она смешивается в любых пропорциях. Растворенный в воде диоксид азота придает смеси желтоватый цвет. Безводная HNO3 «дымит» на воздухе. Кипение сопровождается частичным распадом: 4HNO3 → 2H2O + 4NO2 + O2.
Справка: цвет «дыма» зависит от концентрации кислоты. Он белый, если содержание HNO3 в смеси составляет 86−95%, и становится красным, если насыщенность 95% и выше.
На практике обычно используют не дымящую (концентрация 98−100%) азотную кислоту, а ее 63% раствор (считается насыщенным), плотность которого 1,44 г/см3.
В небольших количествах это соединение образуется во время грозы: при разрядах молний, а также в дождевой воде.
Химические признаки
В водных растворах азотная кислота диссоциирует (делится на несколько молекулярных элементов) полностью, поэтому она относится к сильным кислотам. Благодаря своим высоким окислительным свойствам она может взаимодействовать с целым рядом неметаллов:
- P + HNO3 → HPO3 + 5NO2 + 2H2O.
- S + 6HNO3 → H2SO4 + 6NO2 + 2H2O.
При этом неметаллы окисляются до своей высшей степени.
Реакции окисления с металлами значительно отличаются от тех, что происходят при воздействии на них серной или соляной кислотами: при взаимодействии с HNO3 не выделяется водород (H2):
- Zn + 4HNO3 → Zn (NO3)2 + 2NO2 + H2O.
- 3Zn + 8HNO3 → 3Zn (NO3)2 + 2NO + 4H2O.
Особенностью реакций с металлами (Me) является и то, что при их взаимодействии только часть кислоты затрачивается на получение соответствующей соли (нитрата), а ее остаток ведет себя как окислитель, восстанавливаясь в зависимости от природы Me и концентрации HNO3, до диоксида азота, монооксида, и даже аммиака.
Не подвергаются действию кислоты только золото (Au), платина (Pt), родий (Rh), рутений (Ru), иридий (Ir) и тантал (Ta). Концентрированная HNO3 переводит в неактивное состояние алюминий (Al), железо (Fe) и хром (Cr). При этом образуются нерастворимые оксидные пленки: 2Al + 6HNO3 → Al2O3 + 6NO2 + 3H2O.
Перевозят и хранят эту кислоту в стальных емкостях.
Если взять один объем концентрированной (63%) азотной кислоты и 3 объема соляной кислоты (конц.), можно получить «царскую водку». В ней растворяются золото (Au) и платина (Pt):
- Au + HNO3 + 4HCl → H (AuCL4) + NO + 2H2O.
- 3Pt + 4HNO3 + 18HCl → 3H2 (PtCl6) + 4NO + 8H2O.
Воздействие царской водки заключается в том, что HNO3 окисляет HCL (соляная кислота — водный раствор хлороводорода), выделяя при этом свободный хлор и нитрозилхлорид: HNO3 + 3HCl → NOCl + Cl2 + 2H2O.
Нитрозилхлорид — неустойчивое соединение, которое распадается на монооксид азота и атомарный хлор: NOCl → NO + Cl.
Атомарный хлор обладает высокой реакционной способностью. При взаимодействии с ним металлы образую комплексные хлориды.
Варианты получения HNO3
Впервые соединение было получено еще алхимиками: «жгучее» вещество образовалось при нагревании гептагидрата и калийной селитры («домашний» способ): 4KNO3 + 2FeSO4•7H2O → Fe2O3 + 2K2SO4 + 2HNO3 + 2NO2 + 6H2O, где:
- FeSO4•7H2O — гептагидрат, или «железный купорос».
- Fe2O3 — оксид железа, или «железный сурик».
- K2SO4 — сульфат калия — ценное бесхлорное удобрение.
- NO2 — диоксид азота (газ) — «лисий хвост».
Сейчас ее получают в лабораториях путем воздействия на безводные нитраты концентрированной H2SO4 (серная кислота): NaNO3 + H2SO4 → HNO3 + NaHSO4.
Еще одна лабораторная схема получения — растворение в воде диоксида азота: NO2 + H2O → HNO3 + HNO2.
Примечание: такой способ используется и для получения азотистой кислоты (формула HNO2). Это слабое соединение, имеющее светло-голубую окраску, которое существует только в водных растворах или газовых смесях.
Обладает высокой токсичностью. Применяется в промышленности для получения искусственных красителей, и некоторых других областях.
Промышленный синтез HNO3 может проводиться тремя вариантами.
Речь идет о таких способах:
- Вытеснение HNO3 из ее солей серной кислотой.
- Аммиачный способ.
- Дуговой способ.
Последний метод, хотя и предоставляет возможность получить азотную кислоту нужной концентрации довольно легко, все же используется крайне редко. Причина — большой расход электроэнергии, что делает его экономически невыгодным.
Вытеснение из солей
Схема процесса описывается уравнением реакции: NaNO3 + H2SO4 → NaHSO4 + HNO3. До того, как стали разрабатывать аммиак синтетическим путем, этот способ получения HNO3 был единственным.
Сейчас в промышленности его стали использовать редко. А вот в лабораториях он продолжает находить свое применение — для получения дымящей HNO3. При этом количество H2SO4 берется с таким расчетом, чтобы образовывался гидросульфат натрия (NaHSO4).
Это позволяет провести реакции при более низкой температуре и уменьшить потери синтезируемого вещества, выделяющиеся пары которого отводят в охлаждаемый сосуд, где они конденсируются (переходят из газообразного состояния в жидкое).
Дуговой способ
В этом случае HNO3 образуется при продувании воздуха через электрическую дугу, дающую температуру 3000−3500°C. Схема процесса включает реакции:
- N2 + O2 → 2NO.
- 2NO + O2 → 2NO2.
- 4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3.
Некоторая доля азота, находящегося в воздухе, взаимодействует с кислородом. В результате процесса образуется монооксид (NO), который после остывания смеси окисляется до диоксида (NO2) — при повышенной температуре реакция протекать не будет, так как монооксид с кислородом не взаимодействует.
Полученный диоксид (NO2) разводят водой. В результате на выходе образуется азотная кислота и окись азота. Если провести эту же реакцию, но в присутствии избытка O2, почти весь диоксид «преобразуется» в HNO3.
Аммиачный метод
Процесс заключается в окислении аммиака на Pt-катализаторе.
По итогу реакции образуется монооксид азота. Полученные нитрозные газы остужают, а выделенную в процессе синтеза двуокись (NO2) поглощают водой. Этот метод позволяет получить только 60−62% раствор HNO3.
Чтобы синтезировать более концентрированный продукт (дымящую HNO3), полученные растворы упаривают в присутствии серной кислоты (если ее не использовать, результатом перегонки так и останется 60% HNO3) или растворяют в них при повышенном давлении жидкий NO2. Для этой цели в качестве исходного сырья можно использовать и димер азота: 2N2O4 + O2 + 2H2O → 4HNO3.
Реакция протекает только в условиях повышенного давления.
Меры безопасности
Этот реактив относится к 3 классу опасности, поэтому при работе нужно соблюдать определенные правила. Все сотрудники, занятые на производстве, должны находиться в специальной одежде, которая не будет легко воспламеняться, но станет препятствовать попаданию на тело брызг вещества (например, в защитных комбинезонах). Кроме того, необходимо иметь:
- Кислотозащитные рукавицы.
- Особую обувь, не поддающуюся воздействию кислот.
- Нитриловые перчатки (нитрил — материал, являющийся заменителем природного каучука).
- Респираторы.
- Очки.
В лабораториях опыты с концентрированной HNO3 разрешается проводить только в защитной одежде: как минимум должен быть халат, обязательно из хлопка — синтетику нельзя категорически. Почему выбирают хлопковые вещи: они не вспыхивают при попадании на них различных химических реактивов, а только тлеют. В то же время материал, в случае возникновения форс-мажорной ситуации, можно легко сорвать с человека, чтобы он мог избежать ожогов.
Попадание на кожу растворов соединения приведет к сильным ожогам. А вдыхание его паров — к отравлениям, и даже отеку легких.
