Нітратна кислота: формула, властивості, застосування

Колба з прозорою рідиною на лабораторному столі здатна розчинити золото і навіть платину. У чому таємниця цієї сильної кислоти? Нітратна кислота — одна з найпотужніших неорганічних кислот, без якої неможливо уявити сучасну хімічну промисловість, виробництво добрив та вибухових речовин. Ця речовина відіграє ключову роль у багатьох галузях — від фармацевтики до військової справи.

Що таке нітратна кислота

Визначення та загальна характеристика

Нітратна кислота (HNO₃) — сильна одноосновна кислота, що належить до групи кисневмісних кислот. У чистому вигляді це безбарвна рідина з гострим задушливим запахом. На повітрі “димить” через випаровування та взаємодію з вологою. Її водні розчини мають сильні окислювальні властивості, що дозволяє розчиняти майже всі метали, крім золота і платини (хоча в суміші з хлоридною кислотою розчиняє і їх).

Історія відкриття та поширення

Перші згадки про нітратну кислоту знаходимо в працях алхіміків VIII століття, які називали її “aqua fortis” — міцна вода. Яббір ібн Хайян описав її отримання з селітри та мідного купоросу. У середньовіччі кислоту використовували для розділення золота і срібла. Промислове виробництво розпочалося у XIX столітті, а справжній прорив стався після розробки методу Оствальда в 1902 році. Сьогодні світове виробництво нітратної кислоти перевищує 60 мільйонів тонн щорічно.

Хімічна формула нітратної кислоти

Структурна формула

Молекула нітратної кислоти має формулу HNO₃. У її структурі атом азоту з’єднаний з трьома атомами оксигену, один з яких утворює гідроксильну групу (–OH). Центральний атом азоту має sp²-гібридизацію. Молекула має плоску будову, де атом азоту розташований у центрі, а три атоми оксигену навколо нього утворюють трикутник. Електронна формула демонструє розподіл електронів та показує, що один із атомів оксигену має подвійний зв’язок із азотом.

Систематична назва

За міжнародною номенклатурою IUPAC нітратна кислота має назву “нітратна кислота” (nitric acid). В українській хімічній терміології паралельно використовується історична назва “азотна кислота”. Сіль нітратної кислоти називається нітратом або азотнокислою сіллю. Кислоту часто позначають формулою HNO₃, що відображає її склад: один атом водню, один азоту та три оксигену.

Валентність атомів у молекулі

У молекулі HNO₃ атоми мають такі валентності: водень проявляє валентність I, азот — V, оксиген — II. Ступені окиснення елементів становлять: H⁺¹, N⁺⁵, O⁻². Азот знаходиться в максимальному ступені окиснення, що пояснює сильні окислювальні властивості кислоти. Електронна густина зміщена до атомів оксигену, що робить молекулу полярною. Ця полярність забезпечує високу розчинність нітратної кислоти у воді.

Фізичні властивості нітратної кислоти

Агрегатний стан, колір і запах

Чиста нітратна кислота — прозора безбарвна рідина з різким задушливим запахом. На повітрі “димить” через утворення туману дрібних крапель при взаємодії з вологою. При зберіганні може набувати жовтуватого відтінку через часткове розкладання з утворенням діоксиду азоту (NO₂). Концентрована кислота (98%) має маслянисту консистенцію і залишає жовті плями на шкірі та тканинах.

Температури кипіння та замерзання

Нітратна кислота кипить при температурі +83°C, а замерзає при -42°C. Цікаво, що при кипінні вона частково розкладається, тому склад пари відрізняється від складу рідини. Азеотропна суміш з водою (68% HNO₃) кипить при +121°C. При охолодженні утворює кристалогідрати різного складу. Нітратна кислота має густину 1,513 г/см³ при 20°C, що значно вище за густину води.

Розчинність у воді та розчинниках

Нітратна кислота змішується з водою в будь-яких пропорціях з виділенням значної кількості тепла. При розведенні завжди слід додавати кислоту до води, а не навпаки! Добре розчиняється в полярних органічних розчинниках — етанолі, діетиловому етері. З неполярними розчинниками (бензол, толуол) не змішується. При розчиненні у воді повністю дисоціює на йони H⁺ та NO₃⁻, що класифікує її як сильну кислоту.

Хімічні властивості нітратної кислоти

Реакції з металами

Нітратна кислота взаємодіє з більшістю металів, але характер реакцій суттєво відрізняється від інших кислот. Водень майже ніколи не виділяється, оскільки HNO₃ виступає як сильний окисник. Продукти реакції залежать від активності металу та концентрації кислоти. З малоактивними металами (Cu, Ag, Hg) утворюються солі, вода та оксиди азоту. Активні метали (Zn, Mg) в дуже розведеній кислоті можуть давати водень. Благородні метали (Au, Pt) не реагують з чистою HNO₃.

Окислювальні властивості

Окислювальні властивості нітратної кислоти зумовлені високим ступенем окиснення азоту (+5). При реакціях азот відновлюється до різних продуктів: NO₂, NO, N₂O, N₂ або NH₃, залежно від концентрації кислоти та реагента. Концентрована кислота окиснює навіть такі неметали як фосфор, сірка, вуглець. Органічні сполуки часто окиснюються з утворенням карбонових кислот. Нітратна кислота пасивує деякі метали (Al, Cr, Fe), утворюючи захисну оксидну плівку.

Термодеструкція

При нагріванні нітратна кислота розкладається за рівнянням:
4HNO₃ → 4NO₂ + O₂ + 2H₂O
Процес супроводжується виділенням бурого газу (NO₂) та кисню. При дії світла також відбувається повільне розкладання з утворенням NO₂, що надає кислоті жовтого забарвлення. Концентрована кислота при зберіганні поступово розкладається, тому її зберігають у темних склянках. При температурі вище +250°C розкладання відбувається миттєво.

1. Zn + 2HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + H₂↑
2. Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Реакції з нітратною кислотою

Реакції в органічній хімії

Нітратна кислота широко використовується в органічній хімії для реакції нітрування. При взаємодії з ароматичними сполуками (бензол, толуол) у присутності сульфатної кислоти відбувається заміщення атома Гідрогену на нітрогрупу (-NO₂). Наприклад, нітрування бензолу дає нітробензол: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O. Ця реакція лежить в основі виробництва вибухових речовин, барвників та фармацевтичних препаратів.

Дія на неметали та оксиди

Концентрована нітратна кислота окиснює більшість неметалів. Сірка окиснюється до сульфатної кислоти, фосфор – до фосфатної. Реакція з вуглецем дає CO₂ та оксиди азоту. З оксидами металів утворює відповідні нітрати та воду. З основними та амфотерними оксидами реакція відбувається за схемою: MeO + 2HNO₃ → Me(NO₃)₂ + H₂O. З кислотними оксидами нітратна кислота безпосередньо не взаємодіє.

Приклади рівнянь

Реакція з міддю: Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
Реакція з кальцій оксидом: CaO + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + H₂O
Нітрування толуолу: C₇H₈ + HNO₃ → C₇H₇NO₂ + H₂O
Реакція з фосфором: P₄ + 20HNO₃(конц.) → 4H₃PO₄ + 20NO₂ + 4H₂O
Реакція з натрій гідроксидом: NaOH + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O

Отримання нітратної кислоти

Лабораторні методи

У лабораторії нітратну кислоту можна отримати взаємодією концентрованої сульфатної кислоти з нітратами, найчастіше з нітратом натрію або калію: NaNO₃ + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HNO₃. Реакцію проводять у скляному приладі з нагріванням. Пари нітратної кислоти конденсують у холодильнику. Для отримання безводної кислоти до суміші додають P₂O₅ як водовідбірний засіб. Метод дозволяє отримати кислоту з концентрацією до 98%, але не підходить для промислового виробництва.

Промислове виробництво (метод Оствальда)

Промислове виробництво нітратної кислоти відбувається за методом Оствальда, розробленим у 1902 році німецьким хіміком Вільгельмом Оствальдом. Процес складається з трьох основних стадій:

1. Каталітичне окиснення аміаку киснем повітря на платиново-родієвому каталізаторі при 800-900°C: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
2. Окиснення оксиду азоту(II) до оксиду азоту(IV): 2NO + O₂ → 2NO₂
3. Поглинання NO₂ водою з утворенням нітратної кислоти: 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

Цим методом отримують кислоту концентрацією 50-60%. Для отримання концентрованої кислоти (98%) застосовують перегонку з сульфатною кислотою або ректифікацію азеотропної суміші.

Небезпека та заходи безпеки

Симптоми отруєння

Контакт з нітратною кислотою викликає серйозні ураження. При потраплянні на шкіру утворюються глибокі жовті опіки через взаємодію з білками (ксантопротеїнова реакція). Вдихання парів викликає подразнення дихальних шляхів, кашель, задишку, може розвинутися набряк легень. Хронічне вдихання низьких концентрацій парів призводить до руйнування зубної емалі, хронічного бронхіту. При потраплянні всередину – сильні опіки стравоходу, шлунку, можливий летальний наслідок.

Перша допомога при ураженнях

При контакті зі шкірою негайно промийте уражену ділянку великою кількістю проточної води (15-20 хвилин), потім обробіть 2% розчином харчової соди для нейтралізації залишків кислоти. При потраплянні в очі промийте їх під струменем води 15-20 хвилин, тримаючи повіки відкритими. При вдиханні парів вийдіть на свіже повітря, зніміть одяг, що контактував з кислотою. При ковтанні не викликайте блювання, дайте випити багато води малими ковтками. В усіх випадках обов’язково зверніться до лікаря!

Засоби індивідуального захисту

Робота з нітратною кислотою вимагає суворого дотримання правил безпеки та використання засобів індивідуального захисту. Розливати кислоту слід у витяжній шафі, використовуючи спеціальні сифони. Забороняється втягувати кислоту в піпетку ротом. При розведенні завжди додавайте кислоту тонким струменем до води при постійному перемішуванні, а не навпаки! Зберігайте кислоту в скляному посуді з притертими корками.

• Захисні рукавички з гуми
• Окуляри та хімічний щиток
• Герметичний респіратор

Використання нітратної кислоти

Сільське господарство (добрива)

Основне застосування нітратної кислоти – виробництво мінеральних добрив. З неї отримують амоній нітрат (NH₄NO₃), кальцій нітрат (Ca(NO₃)₂) та інші нітрати. Близько 75-80% світового виробництва кислоти спрямовується саме на виготовлення добрив. Аміачна селітра містить 34% азоту, що робить її одним з найконцентрованіших азотних добрив. Нітрати забезпечують рослини найдоступнішою формою азоту для швидкого засвоєння.

Вибухові речовини

Нітратна кислота – ключовий компонент для виробництва вибухових речовин. При нітруванні гліцерину утворюється нітрогліцерин (C₃H₅(ONO₂)₃), основа динаміту. Нітрування целюлози дає нітроцелюлозу – бездимний порох. Тринітротолуол (TNT) отримують нітруванням толуолу. Усі ці сполуки містять нітрогрупи, що є носіями кисню для внутрішнього окиснення молекули. При детонації відбувається миттєва реакція окиснення-відновлення з виділенням великої кількості газів та енергії.

Мікроелектроніка та промисловість

У виробництві мікросхем нітратна кислота використовується для травлення кремнієвих пластин та очищення поверхонь. У металургії – для пасивації сталі, травлення та очищення металів від оксидних плівок. Важлива роль кислоти в аналітичній хімії, де вона служить для розкладання проб при аналізі. У ювелірній справі суміш нітратної та хлоридної кислот (царська водка) використовується для розчинення золота та платини. Нітратна кислота також застосовується у виробництві барвників, лікарських засобів, пластмас.

Зберігання та транспортування

Умови зберігання

Нітратну кислоту зберігають у приміщеннях з вентиляцією, захищених від прямих сонячних променів, при температурі не вище +30°C. Концентровану кислоту тримають у скляних бутлях з притертими скляними корками або в алюмінієвих ємностях. Зберігання в сталевих резервуарах можливе лише при високій чистоті кислоти. Для промислового зберігання використовують резервуари з нержавіючої сталі, футеровані кислотостійкими матеріалами. Термін зберігання концентрованої кислоти – не більше 1 року.

Сумісність з речовинами

Нітратна кислота не сумісна з органічними матеріалами (деревина, папір, тканини), відновниками, лугами, більшістю металів. Заборонено зберігати поруч з легкозаймистими речовинами, розчинниками, горючими матеріалами. Особливо небезпечне поєднання з оцтовою кислотою, спиртами, аніліном – можливі вибухові реакції. При випадковому змішуванні з концентрованою сульфатною кислотою утворюється нітроній-катіон (NO₂⁺), що підвищує небезпеку. Тримайте кислоту окремо від будь-яких речовин, здатних вступати з нею в реакцію.

Вплив на здоров’я людини та довкілля

Токсичність для організму

Нітратна кислота спричиняє хімічні опіки при контакті зі шкірою та слизовими. Тяжкість ураження залежить від концентрації та тривалості контакту. Пари кислоти подразнюють дихальні шляхи, можуть спричиняти хронічні захворювання легень при тривалому впливі. Особливо небезпечні оксиди азоту, що утворюються при розкладанні кислоти – вони спричиняють набряк легень, який може розвиватися з затримкою 2-48 годин після вдихання. Хронічні отруєння призводять до анемії, ураження печінки, нирок.

Вплив на ґрунт і воду

Потрапляння нітратної кислоти в ґрунт змінює його pH, знищує мікрофлору, пригнічує ріст рослин. У водоймах спричиняє загибель водних організмів, порушує кисневий баланс. Розлита кислота може проникати в ґрунтові води, забруднюючи джерела питної води. Особливу небезпеку становлять нітрати, що утворюються при нейтралізації кислоти. Вони можуть спричинити евтрофікацію водойм – надмірний ріст водоростей з подальшим зниженням вмісту кисню у воді.

Екологічні аспекти

Виробництво нітратної кислоти супроводжується викидами оксидів азоту, що є парниковими газами та руйнують озоновий шар. Сучасні технології передбачають каталітичне очищення відходящих газів для зниження таких викидів. При правильному використанні та утилізації нітратна кислота не становить значної екологічної загрози. Небезпечні тільки аварійні викиди та розливи. Сполуки азоту є природними компонентами біосфери і входять у природний кругообіг, але надмірні концентрації порушують екологічну рівновагу.

Поширені запитання (FAQ)

Нітратна кислота і азотна — це одне й те саме?

Так, нітратна кислота і азотна кислота — це дві назви однієї речовини з формулою HNO₃. Термін “нітратна кислота” відповідає сучасній міжнародній номенклатурі IUPAC, а “азотна кислота” — традиційна назва, що походить від слова “азот”. В науковій літературі та шкільних підручниках можна зустріти обидві назви, але поступово відбувається перехід до використання терміну “нітратна кислота”.

Чи можна використовувати вдома?

Використання концентрованої нітратної кислоти в домашніх умовах вкрай небезпечне і не рекомендується. Для побутових потреб іноді використовують розведені розчини (до 10%) для видалення вапняного нальоту чи іржі, але краще замінити їх спеціальними побутовими засобами. Якщо все ж використовуєте кислоту, обов’язково дотримуйтесь правил безпеки: працюйте в гумових рукавичках, захисних окулярах, у провітрюваному приміщенні.

Що буде при контакті зі шкірою?

При потраплянні нітратної кислоти на шкіру виникає хімічний опік з характерним жовтим забарвленням. Жовтий колір з’являється внаслідок взаємодії кислоти з білками шкіри (ксантопротеїнова реакція). Опіки нітратною кислотою дуже болючі та довго загоюються. При потраплянні кислоти на шкіру необхідно негайно промити уражену ділянку великою кількістю проточної води (15-20 хвилин), а потім нейтралізувати залишки кислоти 2% розчином харчової соди.