Номер 3, страница 324 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 46. Азотная кислота и нитраты - номер 3, страница 324.

Условие.

3. Охарактеризуйте строение, получение, свойства и применение азотной кисло-ты.

Решение.

Решение 2.

Строение

Азотная кислота — это одноосновная кислота с химической формулой $HNO_3$. Молекулярная масса составляет 63,01 г/моль. В молекуле азотной кислоты центральным атомом является атом азота $\text{N}$, который связан с тремя атомами кислорода $\text{O}$. Один из атомов кислорода соединен с атомом водорода $\text{H}$, образуя гидроксильную группу $-OH$.

Строение молекулы можно представить следующим образом: атом азота связан одинарной связью с гидроксильной группой $(N-OH)$, двойной связью с одним атомом кислорода $(N=O)$ и еще с одним атомом кислорода. Из-за явления резонанса две связи $N-O$ (не входящие в группу $-OH$) являются равноценными, их длина промежуточна между длиной одинарной и двойной связи. Молекула имеет плоское (планарное) строение. Степень окисления азота в азотной кислоте максимальна и равна $+5$. Все связи в молекуле являются ковалентными полярными.

Ответ: Азотная кислота ($HNO_3$) имеет плоское молекулярное строение. Центральный атом азота находится в степени окисления $+5$ и связан с одной гидроксильной группой ($\text{OH}$) и двумя атомами кислорода. Связи $N-O$ являются ковалентными полярными и частично делокализованы за счет резонанса.

Получение

Существуют промышленный и лабораторный способы получения азотной кислоты.

Промышленный способ (метод Оствальда) основан на каталитическом окислении аммиака и проходит в три стадии:
1. Окисление аммиака кислородом воздуха на платино-родиевом катализаторе при температуре 800-950°C:
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt/Rh, T} 4NO + 6H_2O$
2. Окисление полученного оксида азота(II) до оксида азота(IV) при охлаждении:
$2NO + O_2 \to 2NO_2$
3. Поглощение оксида азота(IV) водой в присутствии кислорода с образованием азотной кислоты:
$4NO_2 + 2H_2O + O_2 \to 4HNO_3$

Лабораторный способ заключается в действии концентрированной серной кислоты на твердые нитраты (например, нитрат натрия или калия) при нагревании. Образующаяся азотная кислота отгоняется:
$NaNO_3 (\text{тв.}) + H_2SO_4 (\text{конц.}) \xrightarrow{t} NaHSO_4 + HNO_3 \uparrow$

Ответ: В промышленности азотную кислоту получают каталитическим окислением аммиака (метод Оствальда). В лаборатории её получают реакцией концентрированной серной кислоты с твердыми нитратами при нагревании.

Свойства

Свойства азотной кислоты делятся на физические и химические.

Физические свойства. Безводная азотная кислота — это бесцветная летучая жидкость с резким удушливым запахом, «дымящая» на воздухе. Плотность 1,513 г/см³, температура кипения 82,6 °C. Смешивается с водой в любых соотношениях. Концентрированная кислота на свету или при нагревании разлагается с выделением диоксида азота $NO_2$, из-за чего приобретает жёлтый или бурый оттенок.

Химические свойства. Азотная кислота проявляет как общие свойства сильных кислот, так и специфические, обусловленные её сильными окислительными способностями.
1. Как сильная кислота: в водных растворах практически полностью диссоциирует на ионы: $HNO_3 \rightleftarrows H^+ + NO_3^-$. Вступает в реакции, характерные для кислот:
- с основными и амфотерными оксидами: $CuO + 2HNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + H_2O$
- с основаниями и амфотерными гидроксидами (реакция нейтрализации): $NaOH + HNO_3 \to NaNO_3 + H_2O$
- с солями более слабых кислот: $CaCO_3 + 2HNO_3 \to Ca(NO_3)_2 + CO_2 \uparrow + H_2O$
2. Окислительные свойства: Азотная кислота является одним из сильнейших окислителей. Продукты восстановления азота зависят от концентрации кислоты и активности восстановителя (например, металла). Водород при взаимодействии с металлами практически никогда не выделяется (за редким исключением реакции очень разбавленной кислоты с активными металлами).
- Взаимодействие с металлами:
• Концентрированная $HNO_3$ реагирует с большинством металлов (кроме золота, платины) с образованием диоксида азота $NO_2$:
$Cu + 4HNO_3 (\text{конц.}) \to Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$
Некоторые металлы (Fe, Al, Cr) пассивируются холодной концентрированной кислотой.
• Разбавленная $HNO_3$ окисляет металлы, как правило, до оксида азота(II) $\text{NO}$ :
$3Cu + 8HNO_3 (\text{разб.}) \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O$
• Очень разбавленная $HNO_3$ с активными металлами (Mg, Zn) может восстанавливаться до $N_2O$, $N_2$ или иона аммония $NH_4^+$:
$4Zn + 10HNO_3 (\text{оч. разб.}) \to 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O$
- Взаимодействие с неметаллами: окисляет их до высших оксидов или кислот.
$S + 6HNO_3 (\text{конц.}) \xrightarrow{t} H_2SO_4 + 6NO_2 \uparrow + 2H_2O$
- Термическое разложение: при нагревании или на свету разлагается.
$4HNO_3 \xrightarrow{t, h\nu} 4NO_2 \uparrow + O_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: Азотная кислота — бесцветная летучая жидкость, сильная одноосновная кислота и мощный окислитель. Её окислительные свойства зависят от концентрации: концентрированная кислота восстанавливается до $NO_2$, разбавленная — до $\text{NO}$ и других продуктов. Реагирует почти со всеми металлами и многими неметаллами. Неустойчива и разлагается на свету.

Применение

Азотная кислота является одним из самых крупнотоннажных продуктов химической промышленности и находит широкое применение в различных областях:
- Производство азотных удобрений: большая часть производимой кислоты идет на получение аммиачной селитры ($NH_4NO_3$), а также нитратов калия и кальция.
- Производство взрывчатых веществ: используется для нитрования органических соединений с целью получения взрывчатых веществ, таких как нитроглицерин, тринитротолуол (ТНТ), гексоген.
- Органический синтез: является важным реагентом для получения нитросоединений, которые служат полупродуктами в производстве анилиновых красителей, лекарственных препаратов, пластмасс и синтетических волокон (например, нейлона).
- Металлургия: применяется для травления и растворения металлов, а также для разделения благородных металлов, например, золота от серебра.
- Ракетная техника: используется в качестве окислителя в жидком ракетном топливе.

Ответ: Основные области применения азотной кислоты — это производство минеральных удобрений, взрывчатых веществ, красителей, лекарств, полимеров, а также её использование в металлургии и в качестве компонента ракетного топлива.