какие металлы пассивируются концентрированной азотной кислотой

Азотная кислота

Азотная кислота является одной из самых сильных минеральных кислот, в концентрированном виде выделяет пары желтого цвета с резким запахом. За исключением золота и платины растворяет все металлы.

Применяют азотную кислоту для получения красителей, удобрений, органических нитропродуктов, серной и фосфорной кислот. В результате ожога азотной кислотой образуется сухой струп желто-зеленого цвета.

В промышленности азотную кислоту получают в результате окисления аммиака на платино-родиевых катализаторах.

Чистая азотная кислота впервые была получена действием на селитру концентрированной серной кислоты:

Является одноосновной сильной кислотой, вступает в реакции с основными оксидами, основаниями. С солями реагирует при условии выпадения осадка, выделения газа или образования слабого электролита.

При нагревании азотная кислота распадается. На свету (hv) также происходит подобная реакция, поэтому азотную кислоту следует хранить в темном месте.

Для малоактивных металлов (стоящих в ряду напряжений после водорода) реакция с концентрированной азотной кислотой происходит с образованием нитрата и преимущественно NO₂.

С разбавленной азотной кислотой газообразным продуктом преимущественно является NO.

В реакциях с металлами, стоящими левее водорода в ряду напряжений, возможны самые разные газообразные (и не газообразные) продукты: бурый газ NO₂, NO, N₂O, атмосферный газ N₂, NH₄NO₃.

Помните о закономерности: чем более разбавлена кислота и активен металл, тем сильнее восстанавливается азот. Ниже представлены реакции цинка с азотной кислотой в различных концентрациях.

Посмотрите на таблицу ниже, в которой также отражены изученные нами закономерности.

Концентрированная холодная азотная кислота пассивирует хром, железо, алюминий, никель, свинец и бериллий. Это происходит за счет оксидной пленки, которой покрыты данные металлы.

Al + HNO_3(конц.) ⇸ (реакция не идет)

При нагревании или амальгамировании (покрытие ртутью) перечисленных металлов реакция с азотной кислотой идет, так как оксидная пленка на поверхности металлов разрушается.

Получают нитраты в ходе реакции азотной кислоты с металлами, их оксидами и основаниями.

В реакциях с оксидами и основаниями газообразный продукт обычно не выделяется.

Нитрат аммония получают реакция аммиака с азотной кислотой.

Как и для всех солей, из нитратов можно вытеснить металл другим более активным. Соли реагируют с основаниями и кислотами, если в результате реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (вода).

Нитраты разлагаются в зависимости от активности металла, входящего в их состав.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Какие металлы пассивируются концентрированной азотной кислотой

ОТНОШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ К КИСЛОТАМ

Образующиеся в этом процессе ионы водорода H + выполняют роль окислителя, окисляя металлы, расположенные в ряду активности левее водорода. Взаимодействие протекает по схеме:

Me + HCl соль + H ₂ ↑

Соляная кислота является слабым окислителем, поэтому металлы с переменной валентностью окисляются ей до низших положительных степеней окисления:

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl ₃ + 3 H ₂ ↑

Соляная кислота пассивирует свинец ( Pb ). Пассивация свинца обусловлена образованием на его поверхности трудно растворимого в воде хлорида свинца ( II ), который защищает металл от дальнейшего воздействия кислоты:

В промышленности получают серную кислоту очень высокой концентрации (до 98%). Следует учитывать различие окислительных свойств разбавленного раствора и концентрированной серной кислоты по отношению к металлам.

Разбавленная серная кислота

В разбавленном водном растворе серной кислоты большинство ее молекул диссоциируют:

Образующиеся ионы Н + выполняют функцию окислителя.

Как и соляная кислота, разбавленный раствор серной кислоты взаимодействует только с металлами активными и средней активности (расположенными в ряду активности до водорода).

Химическая реакция протекает по схеме:

Металлы с переменной валентностью окисляются разбавленным раствором серной кислоты до низших положительных степеней окисления:

Концентрированная серная кислота

В концентрированном растворе серной кислоты (выше 68%) большинство молекул находятся в недиссоциированном состоянии, поэтому функцию окислителя выполняет сера, находящаяся в высшей степени окисления ( S +6 ). Концентрированная H ₂ SO ₄ окисляет все металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше потенциала окислителя – сульфат-иона SO ₄ 2- (0,36 В). В связи с этим, с концентрированной серной кислотой реагируют и некоторые малоактивные металлы.

Процесс взаимодействия металлов с концентрированной серной кислотой в большинстве случаев протекает по схеме:

Me + H ₂ SO _{4 (конц.)} соль + вода + продукт восстановления H ₂ SO ₄

Продуктами восстановления серной кислоты могут быть следующие соединения серы:

Взаимодействие металлов различной активности с концентрированной серной кислотой можно представить схемой:

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем, поэтому при взаимодействии с ней металлов, обладающих переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления, чем в случае с разбавленным раствором кислоты:

Источник

Какие металлы пассивируются концентрированной азотной кислотой

Химия

2.6. Характерные химические свойства кислот

Взаимодействие кислот с металлами

При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой продуктом ее восстановления является преимущественно NO₂, независимо от природы металла.

При реакции выделяется бурый газ NO₂

При опускании кусочка меди в концентрированную азотную кислоту выделяется бурый газ, а на дне образуется голубой раствор нитрата меди(II)

Металлы переменной валентности при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой окисляются до высшей степени окисления, а металлы, которые окисляются до степени окисления +4 и выше, образуют кислоты или оксиды.

В концентрированной азотной кислоте пассивируются Al, Fe, Cr, Ni, Со и некоторые другие металлы. После обработки азотной кислотой эти металлы не реагируют и с другими кислотами.

При взаимодействии металлов с разбавленной азотной кислотой продукт ее восстановления зависит от активности металла: чем активнее металл, тем в большей степени восстанавливается азотная кислота.

Активные металлы восстанавливают азотную кислоту максимально.

Продуктами восстановления разбавленной азотной кислоты металлами средней активности являются азот или оксид азота(I).

При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами продуктом восстановления является оксид азота(II).

Надо обратить внимание, что при реакции с азотной кислотой получается смесь соединений азота, но мы записываем то соединение, которое получается в большем количестве.

Основное правило: чем выше активность металла и ниже концентрация азотной кислоты, тем ниже степень окисления азота в том соединении, которое образуется больше других.

и повышается восстановительная активность металлов вследствие образования комплексов, поэтому окисление благородных металлов происходит с образованием комплексных кислот:

Некоторые металлы Nb, Ta, W не растворяются даже в «царской водке», но растворяются в смеси азотной и фтороводородной кислот.

Источник

Азотная кислота: получение и химические свойства

Строение молекулы и физические свойства

Азотная кислота HNO₃ – это сильная одноосновная кислота-гидроксид. При обычных условиях бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C ( при нормальном атмосферном давлении). Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. На свету частично разлагается.

Валентность азота в азотной кислоте равна IV, так как валентность V у азота отсутствует. При этом степень окисления атома азота равна +5. Так происходит потому, что атом азота образует 3 обменные связи и одну донорно-акцепторную, является донором электронной пары.

Поэтому строение молекулы азотной кислоты можно описать резонансными структурами:

Обозначим дополнительные связи между азотом и кислородом пунктиром. Этот пунктир по сути обозначает делокализованные электроны. Получается формула:

Способы получения

В лаборатории азотную кислоту можно получить разными способами:

1. Азотная кислота образуется при действии концентрированной серной кислоты на твердые нитраты металлов. При этом менее летучая серная кислота вытесняет более летучую азотную.

1 стадия. Каталитическое окисление аммиака.

2 стадия. Окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV) кислородом воздуха.

3 стадия. Поглощение оксида азота (IV) водой в присутствии избытка кислорода.

Химические свойства

1. Азотная кислота практически полностью диссоциирует в водном растворе.

2. Азотная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.

Еще пример : азотная кислота реагирует с гидроксидом натрия:

3. Азотная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов, сульфитов).

4. Азотная кислота частично разлагается при кипении или под действием света:

металл + HNO₃ → нитрат металла + вода + газ (или соль аммония)

С алюминием, хромом и железом на холоду концентрированная HNO₃ не реагирует – кислота «пассивирует» металлы, т.к. на их поверхности образуется пленка оксидов, непроницаемая для концентрированной азотной кислоты. При нагревании реакция идет. При этом азот восстанавливается до степени окисления +4:

Золото и платина не реагируют с азотной кислотой, но растворяются в «царской водке» – смеси концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 : 3 (по объему):

HNO₃ + 3HCl + Au → AuCl₃ + NO + 2H₂O

Концентрированная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (IV), азот восстанавливается минимально:

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными) концентрированная азотная кислота реагирует с образованием оксида азота (I):

Разбавленная азотная кислота взаимодействует с неактивными металлами и металлами средней активности (в ряду электрохимической активности после алюминия). При этом образуется оксид азота (II).

С активными металлами (щелочными и щелочноземельными), а также оловом и железом разбавленная азотная кислота реагирует с образованием молекулярного азота:

При взаимодействии кальция и магния с азотной кислотой любой концентрации (кроме очень разбавленной) образуется оксид азота (I):

Очень разбавленная азотная кислота реагирует с металлами с образованием нитрата аммония:

6. Азотная кислота окисляет и неметаллы (кроме кислорода, водорода, хлора, фтора и некоторых других). При взаимодействии с неметаллами HNO₃ обычно восстанавливается до NO или NO₂, неметаллы окисляются до соответствующих кислот, либо оксидов (если кислота неустойчива).

Видеоопыт взаимодействия фосфора с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

Видеоопыт взаимодействия угля с безводной азотной кислотой можно посмотреть здесь.

7. Концентрированная а зотная кислота окисляет сложные вещества (в которых есть элементы в отрицательной, либо промежуточной степени окисления): сульфиды металлов, сероводород, фосфиды, йодиды, соединения железа (II) и др. При этом азот восстанавливается до NO₂, неметаллы окисляются до соответствующих кислот (или оксидов), а металлы окисляются до устойчивых степеней окисления.

Еще пример : азотная кислота окисляет иодоводород:

При нагревании до серной кислоты:

Соединения железа (II) азотная кислота окисляет до соединений железа (III):

8. Азотная кислота окрашивает белки в оранжево-желтый цвет («ксантопротеиновая реакция«).

Ксантопротеиновую реакцию проводят для обнаружения белков, содержащих в своем составе ароматические аминокислоты. К раствору белка прибавляем концентрированную азотную кислоту. Белок свертывается. При нагревании белок желтеет. При добавлении избытка аммиака окраска переходит в оранжевую.

Видеоопыт обнаружения белков с помощью азотной кислоты можно посмотреть здесь.

Источник

Характеристика азотной кислоты, что входит в состав

Азотная кислота — что из себя представляет

Азотная кислота H N O 3 —является сильной одноосновной кислотой-окислителем.

Соединение хорошо растворимо в воде. Концентрированный раствор дымит на воздухе. При обычных условиях вещество не имеет цвета.

Азот в соединении обладает валентностью, равной IV, по причине отсутствия валентности V у азота. Степень окисления азота при этом равна +5. Такая ситуация объясняется образованием атомом азота трех обменных связей и одной донорно-акцепторной. Атом азота играет роль донора электронной пары. В связи с этим, молекула азотной кислоты обладает строением, которое можно описать резонансными структурами:

Если нарисовать дополнительные связи, соединяющие азот и кислород, пунктирной линией, то она будет обозначать делокализованные электроны. Таким образом, формула примет вид:

Физические и химические свойства

Водные растворы H N O 3 :

В водной среде образуется азеотропная смесь. В процессе кристаллизации азотной кислоты из водных растворов формируются кристаллогидраты:

Азотная кислота в твердом агрегатном состоянии способна образовывать следующие кристаллические модификации:

Водные растворы азотной кислоты обладают определенной плотностью, которая является функцией ее концентрации и определяется с помощью уравнения:

В том случае, когда требуется описать изменение плотности при концентрации азотной кислоты выше 97%, точность расчетов по данной формуле значительно снижается.

Физические свойства азотной кислоты:

Высококонцентрированная H N O 3 в большинстве случаев обладает бурой окраской. Цвет обусловлен процессом разложения, который протекает на свету:

4 H N O 3 ⟶ 4 N O 2 ↑ + 2 H 2 O + O 2 ↑

В процессе повышения температуры вещество распадается аналогично записанному уравнению. Исключить разложение при перегонке азотной кислоты можно, если создать среду с пониженным давлением. Частичное разложение азотной кислоты происходит в процессе кипения или под действием света.

C u O + 2 H N O 3 ⟶ C u ( N O 3 ) 2 + H 2 O

Z n O + 2 H N O 3 ⟶ Z n ( N O 3 ) 2 + H 2 O

Азотная кислота взаимодействует с основаниями:

K O H + H N O 3 ⟶ K N O 3 + H 2 O

Азотная кислота способна вытеснять слабые кислоты из их солей:

C a C O 3 + 2 H N O 3 ⟶ C a ( N O 3 ) 2 + H 2 O + C O 2 ↑

При любой концентрации азотная кислота играет роль кислоты-окислителя. В процессе происходит восстановление азота до степени окисления от +5 до −3. То, насколько глубоко протекает восстановление, определяется по большей степени природой восстановителя и концентрацией азотной кислоты.

Золото, некоторые металлы платиновой группы и тантал инертны к азотной кислоте. Другие металлы вступают в химические реакции с азотной кислотой. Ход такого взаимодействия зависит от концентрации кислоты. При взаимодействии металлов с азотной кислотой водород не выделяется.

Являясь кислотой-окислителем, H N O 3 вступает в химические реакции с металлами, которые расположены в ряду напряжений правее водорода. В случае концентрированной азотной кислоты уравнение реакции примет вид:

C u + 4 H N O 3 ( 60 % ) ⟶ C u ( N O 3 ) 2 + 2 N O 2 ↑ + 2 H 2 O

В том случае, когда в данной реакции участвует разбавленная кислота, процесс будет реализован по следующей схеме:

3 C u + 8 H N O 3 ( 30 % ) ⟶ 3 C u ( N O 3 ) 2 + 2 N O ↑ + 4 H 2 O

Азотная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду напряжений левее водорода:

Z n + 4 H N O 3 ( 60 % ) ⟶ Z n ( N O 3 ) 2 + 2 N O 2 ↑ + 2 H 2 O

3 Z n + 8 H N O 3 ( 30 % ) ⟶ 3 Z n ( N O 3 ) 2 + 2 N O ↑ + 4 H 2 O

4 Z n + 10 H N O 3 ( 20 % ) ⟶ 4 Z n ( N O 3 ) 2 + N 2 O ↑ + 5 H 2 O

5 Z n + 12 H N O 3 ( 10 % ) ⟶ 5 Z n ( N O 3 ) 2 + N 2 ↑ + 6 H 2 O

4 Z n + 10 H N O 3 ( 3 % ) ⟶ 4 Z n ( N O 3 ) 2 + N H 4 N O 3 + 3 H 2 O

Общую закономерность, которую можно наблюдать в процессе взаимодействия азотной кислоты с металлами, формулируют следующим образом: чем более разбавленная кислота и чем активнее металл, тем глубже восстанавливается азот:

Некоторые из металлов, в том числе, железо, хром, алюминий, кобальт, никель, марганец, бериллий, вступают в химические реакции с разбавленной азотной кислотой, пассивируются концентрированной азотной кислотой и сохраняют стабильность при ее воздействии. Азотная кислота в любой концентрации не вступает в химическое взаимодействие с такими металлами, как золото и платина. Железо, алюминий, хром холодной концентрированной азотной кислотой пассивируются.

Разбавленная азотная кислота вступает в реакцию с железом. В результате образуются продукты восстановления азота и окисления железа:

F e + 4 H N O 3 ( 25 % ) ⟶ F e ( N O 3 ) 3 + N O ↑ + 2 H 2 O

4 F e + 10 H N O 3 ( 2 % ) ⟶ 4 F e ( N O 3 ) 2 + N H 4 N O 3 + 3 H 2 O

Азотная кислота способна окислять неметаллы. В результате в большинстве случаев происходит восстановление азота до N O или N O 2 :

S + 6 H N O 3 ( 60 % ) ⟶ H 2 S O 4 + 6 N O 2 ↑ + 2 H 2 O

S + 2 H N O 3 ( 40 % ) ⟶ H 2 S O 4 + 2 N O ↑

P + 5 H N O 3 ( 60 % ) ⟶ H 3 P O 4 + 5 N O 2 ↑ + H 2 O

3 P + 5 H N O 3 ( 30 % ) + 2 H 2 O ⟶ 3 H 3 P O 4 + 5 N O ↑

Азотная кислота обладает свойством окислять сложные вещества:

F e S + 4 H N O 3 ( 30 % ) ⟶ F e ( N O 3 ) 3 + S + N O ↑ + 2 H 2 O

Определенные органические соединения, к примеру, амины и скипидар, могут самовозгораться в процессе реакции с концентрированной азотной кислотой.

Смесь, в которую входят азотная и серная кислоты, называют «меланж». Азотная кислота активно применяется в производстве нитросоединений.

В том случае, когда смешивают три объема соляной кислоты и один объем азотной кислоты, получается смесь под названием «царская водка». Этот продукт способен растворять большинство металлов, включая золото и платину. Свойства такого сильного окислителя объясняются формированием атомарного хлора и хлорида нитрозила:

3 H C l + H N O 3 → 150 o C N O C l + C l 2 ↑ + 2 H 2 O

Химические реакции концентрированных азотной и соляной кислот с благородными металлами:

A u + H N O 3 + 4 H C l ⟶ H [ A u C l 4 ] + N O ↑ + 2 H 2 O

3 P t + 4 H N O 3 + 18 H C l ⟶ 3 H 2 [ P t C l 6 ] + 4 N O ↑ + 8 H 2 O

Азотная кислота не вступает в химические реакции со стеклом и фторопластом-4.

Разложение солей азотной кислоты

Азотная кислота относится к типу сильных кислот. Соли кислоты называют нитратами. Данные продукты являются результатом взаимодействия азотной кислоты с металлами или их оксидами и гидроксидами. Каждый нитрат отличается высокой растворимостью в воде. Нитрат-ион в воде не гидролизуется.

Нагрев солей азотной кислоты приводит к их необратимому разложению. В результате образуются продукты реакции, состав которых зависит от катиона металла, входящего в состав данной соли.

Образование нитратов металлов, которые расположены в ряду напряжений с левой стороны от магния (за исключением лития):

2 K N O 3 → 450 o C 2 K N O 2 + O 2 ↑

Образование нитратов металлов, которые находятся в ряду напряжений между магнием и медью (и лития):

4 A l ( N O 3 ) 3 → 180 o C 2 A l 2 O 3 + 12 N O 2 ↑ + 3 O 2 ↑

Реакция нитратов металлов, находящихся в ряду напряжений с правой стороны от меди:

2 A g N O 3 → 400 o C 2 A g + 2 N O 2 ↑ + O 2 ↑

Реакция нитрата аммония:

N H 4 N O 3 → 240 o C N 2 O ↑ + 2 H 2 O

Нитраты в воде почти не проявляют окислительных свойств. С другой стороны, при высокой температуре, находясь в твердом агрегатном состоянии представляют собой сильные окислители. В качестве примера можно привести сплавления твердых веществ:

F e + 3 K N O 3 + 2 K O H → 420 o C K 2 F e O 4 + 3 K N O 2 + H 2 O

Цинк и алюминий в присутствии щелочного раствора способны восстанавливать нитраты до N H 3 :

3 K N O 3 + 8 A l + 5 K O H + 18 H 2 O → 3 N H 3 ↑ + 8 K [ A l ( O H ) 4 ]

Соли азотной кислоты в виде нитратов нашли применение в качестве удобрений. Почти все виды данных веществ характеризуются высокой степенью растворимости в водной среде. Это объясняет немногочисленность соединений в виде минералов, представленных в природном мире. В качестве исключения можно выделить чилийскую (натриевую) селитру и индийскую селитру (нитрат калия). Нитраты в большинстве своем синтезированы искусственным путем.

Промышленное производство, применение и действие на организм

Азотная кислота — самый крупнотоннажный продукт химической промышленности.

Современным способом синтеза этого вещества является каталитическое окисление синтетического аммиака с применением платино-родиевых катализаторов (процесс Оствальда) до смеси из оксидов азота (нитрозных газов), которые в дальнейшем поглощаются водой:

4 N H 3 + 5 O 2 → P t / R h 4 N O ↑ + 6 H 2 O

2 N O + O 2 → 2 N O 2 ↑

4 N O 2 + O 2 + 2 H 2 O → 4 H N O 3

Записанные реакции являются экзотермическими. Первый процесс носит необратимый характер, а следующие — обратимы. В том случае, когда азотная кислота получена данным методом, ее концентрация определяется технологическим регламентом процесса и соответствует интервалу от 45% до 58%. С целью получения концентрированной азотной кислоты требуется сместить равновесие в третьей реакции, повышая давление до 50 атмосфер.

Первым в истории химии методом получения азотной кислоты, который открыли алхимики, является нагрев смеси селитры и железного купороса:

4 K N O 3 + 2 F e S O 4 · 7 H 2 O → t o F e 2 O 3 + 2 K 2 S O 4 + 2 H N O 3 ↑ + 2 N O 2 ↑ + 6 H 2 O

Синтез чистой азотной кислоты заключается в воздействии концентрированной серной кислоты на селитру. Данный способ открыл Иоганн Рудольф Глаубер:

K N O 3 + H 2 S O 4 → t o K H S O 4 + H N O 3 ↑

«Дымящую азотную кислоту», которая почти не содержит воду, получают путем дальнейшей дистилляции.

Области применения азотной кислоты:

Азотная кислота является ядовитым веществом. Степень воздействия соединения на организм отмечена третьим классом опасности. Пары азотной кислоты способны причинить существенный вред, в том числе, раздражение дыхательных путей. Азотная кислота при контакте с кожными покровами оставляет язвы, которые потом достаточно долго заживают.

Источник