Получение азотной кислоты в домашних условиях: как обращаться с реагентами

Получение азотной кислоты в домашних условиях: как обращаться с реагентами

Химия — увлекательная наука. Те, кто интересуются не только теорией, но и пробует свои навыки на практике, точно знают, о чем идет речь. С большинством элементов из таблицы Менделеева знаком каждый школьник. Но всем ли удалось попробовать на собственном опыте смешивать реагенты и проводить химические испытания? Даже сегодня не во всех современных школах имеется в наличии необходимое оборудование и реагенты, потому химия остается наукой открытой для самостоятельного изучения. Многие стремятся познать ее глубже, проводя исследования в домашних условиях.

Ни один самодельщик не обойдется без азотной кислоты — крайне важной в хозяйстве вещи. Достать вещество сложно: приобрести его можно только в специализированном магазине, где покупка осуществляется по подтверждающим мирное использование вещества документам. Потому если вы мастер-самоделка, достать этот компонент, скорее всего, не получится. Здесь и возникает вопрос о том, как сделать азотную кислоту в домашних условиях. Процесс вроде не отличается сложностью, тем не менее на выходе должно получиться вещество достаточного уровня чистоты и необходимой концентрации. Здесь без навыков химика-экспериментатора никак не обойтись.

Химические свойства азотной кислоты

HNO3 является одной из самых сильных кислот — в водных растворах полностью диссоциирует на катионы водорода и нитрат-ионы:
HNO3 ↔ H + +NO3

Азотная кислота вступает в реакции:

Следует обратить внимание, что азотная кислота в обменных реакциях может взаимодействовать далеко не со всеми солями, а лишь только с теми, при реагировании с которыми образуются нерастворимые, слабодиссоциирующие и газообразные вещества, которые, по мере их образования, более не участвуют в реакции обмена. В обменных реакциях солями, при взаимодействии с которыми образуются растворимые в воде соли азотной кислоты, азотная кислота не участвует.

В окислительно-восстановительных реакциях азотная кислота выступает в роли сильного окислителя. Высокие окислительные свойства HNO3 объясняются тем, что в молекуле азотной кислоты атом азота в составе кислотного остатка NO3 — имеет максимально возможную степень окисления +5. По этой причине окислительные свойства NO3 — значительно превосходят «возможности» катионов водорода H + , из-за чего азотная кислота реагирует практически со всеми металлами за исключением золота,платины, родия, рутения, иридия и тантала, стоящими в конце ряда напряжений.

Характерной особенностью взаимодействия азотной кислоты с металлами является отсутствие выделения водорода, поскольку окислителями являются не катионы водорода, а нитрат-ионы NO3 — , которые, при взаимодействии азотной кислоты с металлами восстанавливается тем полнее, чем более активным является металл и чем более разбавленной является HNO3.

По этой причине образование тех или иных продуктов реакции азотной кислоты и металла зависит от концентрации кислоты и активности металла.

Атом азота в молекуле азотной кислоты имеет степень окисления +5, и может принимать 1, 2, 3, 4, 5 или 8 электронов:

Чем более концентрированной является азотная кислота, тем меньшей окислительной способностью по отношению к металлам она обладает.

С другой стороны, чем более активным является металл, тем в большей степени он восстанавливает азотную кислоту.

Примеры реакций азотной кислоты:

  • концентрированная HN +5 O3 с активными металлами (до алюминия в ряду напряжений) восстанавливается до N2O
    10HN +5 O3+4Ca 0 = 4Ca +2 (NO3)2+N2 +1 O↑+5H2O
  • концентрированная HN +5 O3 с неактивными металлами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO2
    4HN +5 O3+Ni 0 = Ni +2 (NO3)2+2N +4 O2↑+2H2O
  • концентрированная HN +5 O3 с неметаллами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO2
    4HN +5 O3+P 0 = HP +5 O3+5N +4 O2↑+2H2O
  • разбавленная HN +5 O3 с активными металлами (до алюминия в ряду напряжений) образует аммиак или нитрат аммония
    10HN +5 O3+4Mg 0 = 4Mg +2 (NO3)2+N -3 H4N +5 O3+3H2O
  • разбавленная HN +5 O3 с неактивными металлами образует оксид азота (II)
    8HN +5 O3+3Cu 0 = 3Cu +2 (NO3)2+2N +2 O↑+4H2O
  • разбавленная HN +5 O3 с неметаллами образует оксид азота (II)
    2HN +5 O3+S 0 = H2S +6 O4+2N +2 O↑

Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, железо и хром, образуя на их поверхности очень прочную нерастворимую оксидную пленку:
2Al+6HNO3 = Al2O3+6NO2+3H2O

«Царская водка» (смесь концентрированной азотной кислоты с соляной в соотношении 1:3) окисляет золото и платину:
Au+3HNO3+3HCl = AuCl3+3NO2+3H2O

Азотная кислота в домашних условиях

Ключевые слова конспекта: азотная кислота, строение молекулы, физические и химические свойства, получение, применение азотной кислоты.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ И
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

Высшим гидроксидом азота является азотная кислота HNO3. Азотная кислота – вещество молекулярного строения. В молекуле HNO3 химические связи ковалентные полярные. Графическая формула азотной кислоты:

В азотной кислоте степень окисления азота равна +5, а его валентность – IV. Азот не может быть пятивалентным, так как на втором энергетическом уровне нет вакантных орбиталей, необходимых в этом случае для возбуждения атома. Одна из электронных пар атома азота принадлежит одновременно трём атомам: двум атомам кислорода и атому азота – трёхцентровая связь.

При обычных условиях азотная кислота – бесцветная жидкость, примерно в 1,5 раза тяжелее воды, летуча, «дымит» на воздухе, смешивается с водой в любых соотношениях. Часто концентрированный раствор азотной кислоты окрашен в жёлтый цвет, который придаёт раствору оксид азота (IV) NO2, выделяющийся вследствие частичного разложения HNO3.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

Азотная кислота является сильной одноосновной кислотой, в водном растворе диссоциирует на ионы:

Ион Н3O + можно обнаружить в растворе с помощью индикатора: лакмус меняет цвет с фиолетового на красный, метиловый оранжевый – с оранжевого на красный.

Азотная кислота проявляет общие свойства кислот. Она реагирует:

  • а) со щелочами (реакция нейтрализации):

КОН + HNO3 = KNO3 + H2O
OH – + Н + = H2O

  • б) с нерастворимыми в воде основаниями:

Mn(OH)2 + 2HNO3 = Mn(NO3)2 + 2H2O
Mn(OH)2 + 2Н + = Mg 2+ + 2H2O

  • в) с амфотерными гидроксидами:

Zn(OH)2 + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + 2H2O
Zn(OH)2 + 2Н + = Zn 2+ + 2H2O

  • г) с основными и амфотерными оксидами:

CuO + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O
CuO + 2Н + = Cu 2+ + H2O

  • д) с солями слабых и летучих кислот:

КO3 + 2HNO3 = 2KNO3 + CO2↑ + H2O
СО3 2– + 2Н + = CO2↑ + H2O

В то же время в молекуле азотной кислоты содержится атом азота в высшей степени окисления, что обусловливает специфические свойства азотной кислоты.

  1. Реакция с металлами. Азотная кислота взаимодействует со многими металлами, окисляя их не за счёт Н + , а за счёт азота в высшей степени окисления (+5). В результате таких реакций водород не образуется. Продуктами реакции являются нитрат металла, продукт восстановления азота и вода. Реакция идёт по схеме:

где Me – металл.

В ходе реакции обычно образуется смесь продуктов восстановления азота, и, как правило, один из них преобладает. Глубину восстановления азота иллюстрирует схема:

Восстановление азота до NO2 является менее глубоким по сравнению с восстановлением до NO и т. д.

Глубина восстановления азота зависит:

  • от природы металла (от восстановительной способности металла; чем левее положение металла в электрохимическом ряду напряжений металлов, тем глубже восстановление азота);
  • от концентрации азотной кислоты (в более концентрированных растворах происходит менее глубокое восстановление азота);
  • от температуры (понижение температуры способствует более глубокому восстановлению);
  • от чистоты азотной кислоты.
Читайте также  Красивые перила из металла

С азотной кислотой не реагируют:

  • а) благородные металлы Au, Ru, Rh, Os, Ir, Pt вследствие слишком малой их восстановительной способности;
  • б) некоторые металлы (Al, Сг, Fe) не реагируют с концентрированной (> 68%) азотной кислотой вследствие образования на поверхности металла плотной защитной оксидной плёнки – эти металлы пассивируются. Тем не менее при нагревании может происходить реакция окисления данных металлов.

Чтобы определить, какой из продуктов восстановления азота преобладает, при записи уравнения реакции можно ориентироваться данными таблицы.

Ещё раз обратим внимание, что в ходе реакции образуется смесь продуктов восстановления и преобладание того или иного продукта зависит от многих факторов.

Классическими примерами взаимодействия азотной кислоты с металлами является растворение меди в азотной кислоте:

  1. Реакции с неметаллами. Азотная кислота реагирует с некоторыми неметаллами, способными проявлять восстановительные свойства. Например, концентрированная азотная кислота реагирует с углём, фосфором, йодом. В результате восстановления образуются NO или NO2:

  1. Реакции со сложными веществами-восстановителями. Концентрированная азотная кислота является сильным окислителем, вступает в реакции с различными веществами, обладающими восстановительными способностями.
  2. Разложение при нагревании. При хранении, на свету или при нагревании концентрированная азотная кислота разлагается:

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

В лаборатории чистую азотную кислоту получают нагреванием кристаллической натриевой или калиевой селитры (KNO3, NaNO3) с концентрированной серной кислотой:

Образующиеся пары HNO3 конденсируют и собирают полученный продукт.

В основе промышленного получения азотной кислоты находится цепь синтезов:

Сырьём является азот, получаемый разделением жидкого воздуха на фракции. Сначала осуществляется синтез аммиака:

Аммиак окисляют кислородом на платиновом катализаторе:

Оксид азота (II) легко окисляется кислородом воздуха:

В заключение проводят поглощение диоксида азота водой в присутствии избытка кислорода:

Азотная кислота является одной из важнейших неорганических кислот. Её мировое производство достигает десятков миллионов тонн в год. Азотная кислота применяется для производства минеральных удобрений, нитрования органических веществ во многих органических синтезах (чаще всего для синтеза взрывчатых веществ, красителей и лекарств). Примерами органических продуктов нитрования являются нитробензол (требуется для синтеза анилина), тринитротолуол (тротил, тол), тринитроглицерин (для получения динамита), тринитрофенол (пикриновая кислота – взрывчатое вещество), тринитроцеллюлоза и т. д. Азотная кислота используется для травления металлов.

Всё про азотную кислоту кратко в одной таблице

Всё про азотную кислоту кратко в одной таблице

Конспект урока «Азотная кислота: строение, свойства, получение, применение».

Профессиональное хранение

Но давайте разберёмся, в чём советуют хранить эти кислоты в промышленности (помимо стекла). Вот что гласят инструкции от производителей химреактивов по этому поводу.

Серная кислота

  1. Может перевозиться в бочках и цистернах из коррозионно-стойкой стали марки 06ХН28МДТ. На металле образуется пассивирующий слой и дальнейшее взаимодействие с контейнером прекращается.
  2. Полиэтилен высокой плотности (PEHD), полипропилен (PP), тефлон (он же polytetrafluoroethylene = PTFE, он же фторопласт-4).

На практике концентрированная серная кислота приводит к коричневению (обугливанию изнутри) PEHD и PP, что, по всей видимости, портит её чистоту. Но зато она через эти пластики не проникает. Тефлон… надо проверять, да и дороговат он. Серная кислота аккумуляторной концентрации (1.27-1.28 г/см 3 ) может в PP-канистре храниться многие годы, канистра не коричневеет, количество кислоты не уменьшается (если, конечно, крышка нормально-плотно завинчена).

Соляная кислота

  1. В стальных гуммированных (покрытых изнутри резиной) бочках и цистернах.
  2. UPVC (Unplasticized Polyvinyl Chloride — непластифицированный поливинилхлорид, нПВХ), упрочнённый (снаружи) оболочкой из пропитанного эпоксидной смолой стекловолокна.
  3. Полиэтилен высокой плотности, HDPE.
  4. Полипропилен, PP, упрочнённый пропитанным эпоксидной смолой стекловолокном.

Как показал опыт и эксперименты, все эти промышленные методы хранения годятся только для непродолжительного хранения или транспортировки («в бочках и цистернах»). Сохранить в течение многих лет соляную кислоту, наверное, получится только в стеклянной таре со стеклянной же пробкой (и непонятно какой смазкой: кто-то использует силиконовое масло).

Через фторопласт (= тефлон, PTFE) соляная кислота просачивается, также как и через PP/PEHD, и оный тоже коричневеет.

Азотная кислота

  1. Концентрации более 92% — в алюминиевых бочках и цистернах. Алюминий либо чистый, либо сплав, не содержащий меди. А также из нержавеющих сталей марок (импортных) 304L и DIN 1.4361.
  2. Концентрация 60-70% — в бочках и цистернах из коррозионно-стойкой российской стали марки Х18Н9Т, импортные — 304L, 316L, 321.
  3. Оказывается даже обычная стеклянная тара не годится для хранения особо чистой азотной кислоты (имеет место быть реакция и кислота загрязняется) — нужно кварцевое стекло или окварцованное изнутри силикатное бутылочное стекло (внутренняя поверхность химически обрабатывается в течение 6-12 часов кипящей 70%-ной азотной кислотой с последующим прокаливанием при температуре 400-500°С в течение 3 ч).
  4. Поливинилхлорид (PVC). Точнее нПВХ — непластифицированный поливинилхлорид, в котором нет пластификаторов. Укреплённый стекловолокном, пропитанным полиэфирной/эпоксидной смолой.
  5. Поливинилиденфторид (PVDF).
  6. Этиленхлортрифторэтилен (ECTFE).
  7. Тефлон (он же политетрафторэтилен = PTFE — polytetrafluoroethylene , он же фторопласт-4).

Банальные ПВХ, фторопласт, алюминий — вот в чём, оказывается, надо хранить азотную кислоту. В тефлоновых контейнерах ещё (бывают такие, но они маленькие и почти непрозрачны). Или тогда уж проще купить стеклянный флакон с тефлоновой пробкой. И совсем уж просто и дёшево — тефлоновую пробку. Или самому вырезать нужной формы и диаметра на токарном станке из PTFE-стержня.

Азотная кислота широко используется в различных сферах:

  • Медицина. Антисептик с вяжущими свойствами, один из основных ингредиентов лекарств, которые помогают бороться с болезнями кожи (например, является эффективным средством для удаления бородавок), реактив, участвующий в синтезе фармакологических веществ — все это создается с помощью азотной кислоты.
  • Сельское хозяйство. На основе HNО3 производят амидные, аммиачные и нитратные удобрения, которые помогают повысить урожайность. Азотные соли применяются также в животноводстве: они входят в состав лекарственных препаратов для животных.
  • Ракетно-космическом производстве. Азотная кислота, которую можно купить тут, применяется для производства ракетного топлива.
  • Военное дело. Без участия данного вещества невозможно создать нитрирующий реагент, который является важным компонентом взрывчатки.
  • В производстве смазочных материалов и автозапчастей, а также металлургии. Азотная кислота является одним из основных ингредиентов, которые входят в состав машинного масла. Также с ее помощью осуществляется травление и растворение металлов.
  • В химической промышленности. Она используется при производстве пластмассы, органических красителей и др.
  • Быт. Поскольку азотная кислота является агрессивным реактивом, напрямую она в быту не применяется. Однако данное вещество входит в состав специальных средств, которые помогают эффективно очистить ювелирные украшения от налета. Она также применяется при капельном поливе: даже 60%-ного раствора хватает, чтобы растворить осадок, который появляется в капельной системе.

Кислоты в Беларуси применяются активно, поскольку многие процессы без их участия попросту невозможны. Важно помнить, что они являются опасными и едкими веществами, поэтому при работе с реактивами необходимо соблюдать технику безопасности.

Применение азотной кислоты

Азотная кислота в промышленности широко применяется для получения лекарств, красителей, взрывчатых веществ, азотных удобрений и солей азотной кислоты. Кроме того, она используется для растворения металлов (например, медь, свинец, серебро), которые не реагируют с другими кислотами. В ювелирном деле используется для определения золота в сплаве (это способ является основным).

Читайте также  Как чистить бронзу

В органическом синтезе широко применяется смесь концентрированной азотной кислоты и серной кислоты — «нитрующая смесь».

В металлургии азотная кислота применяется для растворения и травления металлов, а также для разделения золота и серебра. Также азотную кислоту применяют в химической промышленности, в производстве взрывчатых веществ, в производстве полупродуктов для получения синтетических красителей и других химикатов.

Кислота азотная техническая используется при никелировании, гальванизации и хромировании деталей, а также в полиграфической промышленности. Широко используется кислота азотная в молочной, электротехнической промышленности.

Уксусом или лимонкой

Удалить ржавчину с металла можно даже с помощью этих кислот. Способ очистки прост и безопасен. Металлическое изделие помещают в раствор лимонной кислоты (на 2,5 л воды будет достаточно пары 20-граммовых пакетиков). Большие поверхности обрызгивают пульверизатором.

Время выдержки зависит от степени повреждения металла. Как правило, оно составляет не больше суток. Можно поступить по-другому. Выдержать деталь в растворе пару часов, а затем размягченный слой потереть металлическим ершиком или фольгой. Он легко отойдет. Для ускорения процесса раствор лимонной кислоты можно предварительно вскипятить.

Еще одним преимуществом обработки лимонной кислотой является возможность дальнейшей оцинковки без предварительной очистки. На фосфатную же пленку, образующейся в результате взаимодействия «ржи» с ортофосфатной кислотой, цинк не ляжет. Плюсом является и то, что лимонка не затрагивает лакированные или окрашенные покрытия.

Обработка с помощью уксуса осуществляется точно также. Чем больше его концентрация, тем лучше. Можно использовать даже 70-процентный его раствор. При добавлении к уксусу обычной соли (ее насыпают столько, чтобы она перестала растворяться) эффект усилится. Если слой налета большой, перед тем, как очистить ржавчину с помощью кислоты, поверхность можно обработать железной щеткой или наждачкой.

Азотная кислота

Азотная кислота

Азотная кислота (HNO3) — одна из сильных одноосновных кислот с резким удушливым запахом, чувствительна к свету и при ярком освещении разлагается на один из оксидов азота (ещё называемый бурым газом — NO2 ) и воду. Поэтому её желательно хранить в тёмных ёмкостях. В концентрированном состоянии она не растворяет алюминий и железо, поэтому можно хранить в соответствующих металлических ёмкостях.

Азотная кислота — является сильными электролитом как многие кислоты) и очень сильный окислитель. Её часто используют при реакциях с органическими веществами.

Безводная азотная кислота — бесцветная летучая жидкость (t кип=83 °С; из-за летучести безводную азотную кислоту называют «дымящей») с резким запахом.

Азотная кислота как и озон может образовываться в атмосфере при вспышках молнии. Азот, который составляет 78% состава атмосферного воздуха, реагирует с атмосферным кислородом, образуя оксид азота NO. При дальнейшем окислении на воздухе этот оксид переходит в диоксид азота (бурый газ NO2), который реагирует с атмосферной влагой (облаками и туманом), образуя азотную кислоту . Но такое малое количество совершенно безвредно для экологии земли и живых организмов.

Один объем азотной и три объема соляной кислоты образуют соединение, называемое «царской водкой». Она способна растворять металлы (платину и золото), нерастворимые в обычных кислотах. При внесении в эту смесь бумаги, соломы, хлопка, произойдёт энергичное окисление, даже воспламенение.

При кипячении она раскладывается на составляющие компоненты (химическая реакция разложения):

HNO3 = 2NO2 +O2 + 2H2O — выделяется бурый газ (NO2), кислород и вода.

Азотная кислота
(при нагревании выделяется бурый газ)

Cвойства азотной кислоты

Cвойства азотной кислоты могут быть разнообразными даже при реакциях с одним тем же веществом. Они напрямую зависят от концентрации азотной кислоты. Рассмотрим варианты химических реакций.

азотная кислота концентрированная:

С металлами железом (Fe), хромом (Cr), алюминием (Al), золотом (Au), платиной (Pt), иридием (Ir), натрием (Na) — не взаимодействует по причине образования на их поверхности защитной плёнки, которая не позволяет дальше окисляться металлу.

Со всеми остальными металлами при химической реакции выделяется бурый газ (NO2). Например, при химической реакции с медью (Cu):
4HNO3 конц. + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O
С неметаллами, например с фосфором:
5HNO3 конц. + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O

разложения солей азотной кислоты

В зависимости от растворённого металла разложение соли при температуре происходит следующими образом:
Любой металл (обозначен как Me) до магния (Mg):
MeNO3 = MeNO2 + O2
Любой металл от магния (Mg) до меди (Cu):
MeNO3 = MeO + NO2 + O2
Любой металл после меди (Cu):
MeNO3 = Me + NO2 + O2

азотная кислота разбавленная:

При взаимодействии с щелочно-земельными металлами, а также цинком (Zn), железом (Fe), она окисляется до аммиака (NH3) или же до аммиачной селитры (NH4NO3). Например при реакции с магнием (Mg):
10HNO3 разбавл. + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Но может также и образовываться закись азота (N2O), например , при реакции с магнием (Mg):
10HNO3 разбавл. + 4Mg = 4Mg(NO3)2 + N2O + 5H2O
С остальными металлами реагирует с образованием оксида азота (NO), например, растворяет серебро (Ag):
2HNO3 разбавл. + Ag = AgNO3 + NO + H2O
Аналогично реагирует с неметаллами, например с серой:
2HNO3 разбавл. + S = H2SO4 + 2NO — окисление серы до образования серной кислоты и выделения газа оксида азота.

— химическая реакция с оксидами металлов, например, оксид кальция:

2HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O — образуется соль (нитрат кальция) и вода

— химическая реакция с гидроксидами (или основаниями), например, с гашеной известью

2HNO3 + Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + H2O — образуется соль (нитрат кальция) и вода — реакция нейтрализации

— химическая реакция с солями, например с мелом:

2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2 — образуется соль (нитрат кальция) и другая кислота (в данном случае образуется угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ).

Только контактные линзы acuvue moist помогут вам со зрением.

Инструменты и реагенты для практического получения вещества

Для проведения реакции потребуется наличие:

  • концентрированного H2SO4 (>95%) — 50 мл;
  • нитрата аммония, калия, натрия;
  • 100 мл емкости;
  • 1000 мл контейнера;
  • стеклянной воронки;
  • резинки;
  • водяной бани;
  • колотого льда (можно заменить на снег или холодную воду);
  • термометра.

Получение азотной кислоты в домашних условиях, как и проведение любой другой химической реакции, требует соблюдения мер предосторожности:

  • В процессе получения азотной кислоты в домашних условиях необходимо поддерживать температуру в рамках 60-70 оС. Если превысить эти границы, кислота начнет распадаться.
  • Во время проведения реакции могут выделяться пары и газы, поэтому, работая с кислотами, обязательно пользуйтесь защитной маской. Руки должны быть защищены от внезапного попадания вещества на кожу, потому химики работают в резиновых перчатках. На больших химических производствах, где человек контактирует с опасными для здоровья веществами, рабочие вообще работают в специальных защитных костюмах.

Теперь вы знаете, как получить азотную кислоту в процессе проведения простой реакции. Будьте осторожны с использованием такого вещества и применяйте его только в мирных целях.