Азотная кислота

Азотная кислота
Общие
Систематическое наименование	азотная кислота
Хим. формула	HNO3
Физические свойства
Состояние	жидкость
Молярная масса	63,012 г/моль
Плотность	1,513 г/см³
Энергия ионизации	11,95 ± 0,01 эВ
Термические свойства
Т. плав.	−41,59 °C
Т. кип.	82,6 °C
Мол. теплоёмк.	109,9 Дж/(моль·К)
Энтальпия образования	−174,1 кДж/моль
Энтальпия плавления	10,47 кДж/моль
Энтальпия кипения	39,1 кДж/моль
Энтальпия растворения	−33,68 кДж/моль
Давление пара	56 гПА
Химические свойства
pKa	−1,64
Растворимость в воде	смешивается
Оптические свойства
Показатель преломления	1,397
Структура
Дипольный момент	2,17 ± 0,02 Д
Классификация
Рег. номер CAS	7697-37-2
PubChem	944
Рег. номер EINECS	231-714-2
SMILES	O[N+](=O)[O-]
InChI	1S/HNO3/c2-1(3)4/h(H,2,3,4) GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N
Рег. номер EC	231-714-2
RTECS	QU5775000
ChEBI	48107
Номер ООН	2031
ChemSpider	919
Безопасность
ЛД50	430 мг/кг
Токсичность	0 4 0 OX
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Азо́тная кислота́ (HNO₃) — сильная одноосновная кислота. 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 t_кип 120 °C при нормальном атмосферном давлении. Известны два твёрдых гидрата: моногидрат (HNO₃·H₂O) и тригидрат (HNO₃·3H₂O). Кислота ядовита.

Физические и физико-химические свойства

Азот в азотной кислоте четырёхвалентен, 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 %, d₂₀ = 1,41 г/см³, T_кип = 120,7 °C)

При кристаллизации из водных растворов азотная кислота образует кристаллогидраты:

• моногидрат HNO₃·H₂O, T_пл = −37,62 °C;
• тригидрат HNO₃·3H₂O, T_пл = −18,47 °C.

Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации:

• моноклинная сингония, пространственная группа P 2₁/a, параметры ячейки a = 1,623 нм, b = 0,857 нм, c = 0,631 нм, β = 90°, Z = 16;
• ромбическая

Моногидрат образует кристаллы ромбической сингонии, пространственная группа P na2, параметры ячейки a = 0,631 нм, b = 0,869 нм, c = 0,544 нм, Z = 4.

Плотность водных растворов азотной кислоты как функция её концентрации описывается уравнением

${\displaystyle d(c)=0{,}9952+0{,}564c+0{,}3005c^{2}-0{,}359c^{3},}$

где d — плотность в г/см³, c — массовая доля кислоты. Данная формула плохо описывает поведение плотности при концентрации более 97 %.

Химические свойства

Высококонцентрированная HNO₃ имеет обычно бурую окраску вследствие происходящего на свету процесса разложения:

${\displaystyle {\mathsf {4HNO_{3}\longrightarrow 4NO_{2}\uparrow +2H_{2}O+O_{2}\uparrow }}}$

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).

Золото, некоторые металлы платиновой группы и тантал инертны к азотной кислоте во всём диапазоне концентраций, остальные металлы реагируют с ней, ход реакции при этом определяется её концентрацией.

HNO₃ как сильная одноосновная кислота взаимодействует:

а) с основными и амфотерными оксидами:

${\displaystyle {\mathsf {CuO+2HNO_{3}\longrightarrow Cu(NO_{3})_{2}+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {ZnO+2HNO_{3}\longrightarrow Zn(NO_{3})_{2}+H_{2}O}}}$

б) с основаниями:

${\displaystyle {\mathsf {KOH+HNO_{3}\longrightarrow KNO_{3}+H_{2}O}}}$

в) вытесняет слабые кислоты из их солей:

${\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}+2HNO_{3}\longrightarrow Ca(NO_{3})_{2}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}$

При кипении или под действием света азотная кислота частично разлагается:

${\displaystyle {\mathsf {4HNO_{3}\longrightarrow 4NO_{2}\uparrow +O_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {Cu+4HNO_{3}(60\%)\longrightarrow Cu(NO_{3})_{2}+2NO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

Разбавленная HNO₃

${\displaystyle {\mathsf {3Cu+8HNO_{3}(30\%)\longrightarrow 3Cu(NO_{3})_{2}+2NO\uparrow +4H_{2}O}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {Zn+4HNO_{3}(60\%)\longrightarrow Zn(NO_{3})_{2}+2NO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Zn+8HNO_{3}(30\%)\longrightarrow 3Zn(NO_{3})_{2}+2NO\uparrow +4H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4Zn+10HNO_{3}(20\%)\longrightarrow 4Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}O\uparrow +5H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {5Zn+12HNO_{3}(10\%)\longrightarrow 5Zn(NO_{3})_{2}+N_{2}\uparrow +6H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4Zn+10HNO_{3}(3\%)\longrightarrow 4Zn(NO_{3})_{2}+NH_{4}NO_{3}+3H_{2}O}}}$

Все приведенные 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.

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

увеличение концентрации кислоты ${\displaystyle {\mathsf {\Leftarrow NO_{2},NO,N_{2}O,N_{2},NH_{4}NO_{3}\Rightarrow }}}$ увеличение активности металла

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

${\displaystyle {\mathsf {Fe+4HNO_{3}(25\%)\longrightarrow Fe(NO_{3})_{3}+NO\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4Fe+10HNO_{3}(2\%)\longrightarrow 4Fe(NO_{3})_{2}+NH_{4}NO_{3}+3H_{2}O}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {S+6HNO_{3}(60\%)\longrightarrow H_{2}SO_{4}+6NO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {S+2HNO_{3}(40\%)\longrightarrow H_{2}SO_{4}+2NO\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {P+5HNO_{3}(60\%)\longrightarrow H_{3}PO_{4}+5NO_{2}\uparrow +H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3P+5HNO_{3}(30\%)+2H_{2}O\longrightarrow 3H_{3}PO_{4}+5NO\uparrow }}}$

и сложные вещества, например:

${\displaystyle {\mathsf {FeS+4HNO_{3}(30\%)\longrightarrow Fe(NO_{3})_{3}+S+NO+2H_{2}O}}}$

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

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.

Смесь трех объёмов соляной кислоты и одного объёма азотной называется «царской водкой». Царская водка растворяет большинство металлов, в том числе золото и платину. Её сильные окислительные способности обусловлены образующимся атомарным хлором и хлоридом нитрозила:

${\displaystyle {\mathsf {3HCl+HNO_{3}\longrightarrow NOCl+2[Cl]\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Au+HNO_{3}+4HCl\longrightarrow H[AuCl_{4}]+NO\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Pt+4HNO_{3}+18HCl\longrightarrow 3H_{2}[PtCl_{6}]+4NO\uparrow +8H_{2}O}}}$

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.

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

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

${\displaystyle {\mathsf {2KNO_{3}\rightarrow 2KNO_{2}+O_{2}}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {4Al(NO_{3})_{3}\rightarrow 2Al_{2}O_{3}+12NO_{2}+3O_{2}}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {2AgNO_{3}\rightarrow 2Ag+2NO_{2}+O_{2}}}}$

г) нитрат аммония:

${\displaystyle {\mathsf {NH_{4}NO_{3}\rightarrow N_{2}O+2H_{2}O}}}$

Нитраты в водных растворах практически не проявляют окислительных свойств, но при высокой температуре в твердом состоянии являются сильными окислителями, например, при сплавлении твердых веществ:

${\displaystyle {\mathsf {Fe+3KNO_{3}+2KOH\rightarrow K_{2}FeO_{4}+3KNO_{2}+H_{2}O}}}$

Цинк и алюминий в щелочном растворе восстанавливают нитраты до NH₃:

${\displaystyle {\mathsf {3KNO_{3}+8Al+5KOH+18H_{2}O\rightarrow 3NH_{3}\uparrow +8K[Al(OH)_{4}]}}}$

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.

С азотной кислотой не реагируют стекло, фторопласт-4.

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.

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

${\displaystyle {\mathsf {4NH_{3}+5O_{2}{\xrightarrow[{}]{Pt}}4NO+6H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2NO+O_{2}\rightarrow 2NO_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4NO_{2}+O_{2}+2H_{2}O\rightarrow 4HNO_{3}}}}$

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.

Впервые азотную кислоту получили алхимики, нагревая смесь селитры и железного купороса:

${\displaystyle {\mathsf {4KNO_{3}+2FeSO_{4}\cdot 7H_{2}O{\xrightarrow[{}]{^{o}t}}Fe_{2}O_{3}+2K_{2}SO_{4}+2HNO_{3}\uparrow +2NO_{2}\uparrow +6H_{2}O}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {KNO_{3}+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow[{}]{^{o}t}}KHSO_{4}+HNO_{3}\uparrow }}}$

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

Применение

• в производстве минеральных удобрений;
• в военной промышленности (дымящая — в производстве взрывчатых веществ, как окислитель ракетного топлива, разбавленная — в синтезе различных веществ, в том числе отравляющих);
• крайне редко в фотографии — разбавленная — подкисление некоторых тонирующих растворов;
• в станковой графике — для травления печатных форм (офортных досок, цинкографических типографских форм и магниевых клише);
• в производстве красителей и лекарств (нитроглицерин);
• в ювелирном деле — основной способ определения золота в золотом сплаве;
• в основном органическом синтезе (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: Ox

Юникод

В Юникоде есть алхимический символ азотной кислоты (лат. Aqua fortis).

Кодировка по Unicode и HTML

Графема	Unicode		HTML
	Код	Название	Шестнадцатеричное	Десятичное	Мнемоника
🜅	U+1F705	ALCHEMICAL SYMBOL FOR AQUAFORTIS	🜅	🜅	—

См. также

• Красная дымящая азотная кислота