Азотная кислота [HNO3]: Структура Льюиса | Недвижимость | Использует

По | 02.09.2020

Азотная кислота — это сильная кислота с pH около 3,01. Это «липкая» молекула, которая легко впитывается в поверхность, особенно если на поверхности есть вода. По физическому состоянию чистая азотная кислота представляет собой бесцветную жидкость, но более старые образцы часто приобретают желтоватый оттенок из-за разложения на оксиды азота и воду.

Химическая формула азотной кислоты — HNO.3, и он также известен как дух селитры и аква фортис, что на латыни означает «сильная вода».

Это очень едкое и токсичное вещество, которое может вызвать серьезные повреждения кожи при использовании без мер предосторожности. Кислота реагирует с оксидами, гидроксидами и металлами, такими как серебро, медь и железо, с образованием нитратных солей.

Обычно азотная кислота, доступная в магазинах, представляет собой 68-процентный водный раствор. Когда ее концентрация (в воде) превышает 86 процентов, она называется дымящей азотной кислотой. Хранят в плотно закрытой таре в сухом, прохладном и хорошо вентилируемом помещении.

Ниже мы объяснили, как производится эта кислота, как она выглядит в молекулярном масштабе, каковы ее химические и физические свойства и где она чаще всего используется.

HNO3 Профиль

Молярная масса: 63,012 г / моль
Внешность: Бесцветная или желто-красная дымящаяся жидкость
Запах: Неприятно горький или острый, удушающий

Основание конъюгата: Нитрат
Кислотность (pKа): -1,4

Температура плавления: 231 К или -42 ° C
Точка кипения:
356 K или 83 ° C (чистой кислоты)
Плотность: 1,51 г / см3 (чистая кислота); 1,41 г / см3 (68% водный раствор)

Структура

HNO3 имеет один атом азота (синий), один атом водорода (белый) и три атома кислорода (красный). Атом азота связан со всеми тремя атомами кислорода и несет заряд +1. Один атом кислорода несет заряд -1, один связан с водородом, а другой образует двойную связь с азотом.

Поскольку кислород имеет большую тенденцию притягивать к себе общие электроны, чем азот, он несет отрицательный заряд, а атом азота несет положительный заряд. Общая структура азотной кислоты плоская или плоская.

Структура Льюиса

Чтобы нарисовать льюисовскую структуру азотной кислоты, нам нужно подсчитать общее количество валентных электронов в HNO3 молекула.

  • Валентный электрон в одиночном атоме азота = 5
  • Валентный электрон в отдельном атоме водорода = 1
  • Валентный электрон в трех атомах кислорода = 18 (6 * 3)

Это дает нам общее количество валентных электронов (5 + 1 + 18) в одной HNO.3 молекула. Поскольку у азота больше валентных электронов, чем у кислорода, мы можем поместить атом азота в центр структуры.

Следующий шаг — сформировать связь и пометить неподеленную пару на атомах. Затем идет заряд каждого атома: атом азота получит заряд +2, а два атома кислорода — заряд -1.

Наконец, нам нужно минимизировать заряды на атомах, чтобы сделать структуру стабильной. Это можно сделать, преобразовав неподеленную пару на одном атоме кислорода в связь. Окончательная структура состоит из двух одинарных связей между атомом азота и двумя атомами кислорода и двойной связи между атомом азота и оставшимся атомом кислорода.

Есть два правильных способа нарисовать структуру Льюиса HNO.3. Таким образом, он имеет две основные формы резонанса. Двунаправленная стрелка на изображении выше указывает на то, что существует более одного способа нарисовать структуру азотной кислоты.

Как это производится?

Два метода используются для производства HNO.3. Первый использует окисление, конденсацию и абсорбцию для синтеза слабой HNO.3 с концентрацией от 30 до 70 процентов. Второй метод дает сильную HNO3 (с концентрацией 90 процентов) из слабой HNO3 сочетая процессы обезвоживания, отбеливания, конденсации и абсорбции.

Производство слабой азотной кислоты

В Соединенных Штатах большая часть азотной кислоты образуется в результате высокотемпературного каталитического окисления аммиака. Это называется процессом Оствальда. Он состоит из трех этапов:

1) Окисление аммиака

4 NH3 + 5 O2 → 4 НО + 6 часов2О

Смесь аммиака и воздуха (1: 9) окисляется до высокой температуры (750-800 ℃) при прохождении через каталитический нейтрализатор. Катализатор обычно состоит из 90% платины и 10% родиевой сетки. Эта (экзотермическая) реакция дает оксид азота и воду в виде пара.

2) Окисление оксида азота

2 НЕТ + O2 → 2 НЕТ2

Оксид азота, образовавшийся в предыдущей реакции, окисляется: он некаталитически реагирует с остаточным кислородом с образованием диоксида азота. Это медленная, однородная реакция, которая сильно зависит от давления и температуры. При высоком давлении и низких температурах эта реакция дает максимальное количество диоксида азота за очень короткое время.

3) Поглощение

3 НЕТ2 + H2O → 2 HNO3 + НЕТ

В конечной реакции оксид азота поглощается водой. Это дает желаемый продукт (азотную кислоту в разбавленной форме) вместе с оксидом азота. Концентрация HNO3 зависит от давления, температуры, количества ступеней абсорбции, а также от концентрации оксидов азота, поступающих в абсорбер.

Производство сильной азотной кислоты

Высокопрочный HNO3 получается путем концентрирования слабой HNO3 экстрактивной перегонкой. Дистилляция проводится в присутствии дегидратирующего агента, например 60% серной кислоты.

Технологическая схема высокопрочной HNO3 производство

Процесс протекает следующим образом: сильная серная кислота и слабая азотная кислота попадают в насадочную дегидратирующую колонну при атмосферном давлении. Концентрированная HNO3 выходит из верхней части колонны в виде 99% пара. Он также состоит из небольшого количества кислорода и оксида азота от диссоциации азотной кислоты.

Кислота проходит через отбеливатель и попадает в систему конденсатора, который отделяет ее от оксида азота и кислорода. Абсорбционная колонна забирает эти побочные продукты и объединяет оксид азота со вспомогательным воздухом для получения диоксида азота. Этот газообразный диоксид азота затем рекуперируется в виде слабой HNO.3, а незначительные непрореагировавшие и инертные газы выбрасываются в атмосферу.

Производство в лаборатории

В лаборатории HNO3 обычно синтезируется путем термического разложения нитрата меди. Это дает оксид меди, диоксид азота и кислород. Последние два пропускаются через воду для получения азотной кислоты.

2 Cu (НЕТ3)2 → 2 CuO + 4 NO2 + O2

А затем внедрить процесс Оствальда.

2 НЕТ2 + H2O → HNO2 + HNO3

За последние пару десятилетий исследователи разработали электрохимические средства для получения безводной кислоты из концентрированной HNO.3. Этот процесс осуществляется путем регулирования тока электролиза до получения необходимых продуктов.

Свойства

68% раствор HNO3 имеет точку кипения 120,5 ° C при давлении 1 атм. Чистая HNO3, с другой стороны, кипит при 83 ° C. При комнатной температуре эта концентрированная форма выглядит как бесцветная жидкость.

Поскольку азотная кислота имеет свойство разлагаться на открытом воздухе, ее хранят в стеклянных бутылках.

4 HNO3 → 2 H2O + 4 НЕТ2 + O2

Оксиды азота, образующиеся в результате реакции разложения, полностью или частично растворяются в кислоте, вызывая незначительные изменения давления пара над жидкостью. Когда он остается растворенным, он дает кислотно-желтый цвет или красный при более высоких температурах.

Концентрированная азотная кислота выделяет белые пары при контакте с воздухом, в то время как кислота, растворенная в диоксиде азота, образует красновато-коричневые пары.

В зависимости от концентрации, сильная HNO3 можно разделить на две группы: красная и белая дымящаяся азотная кислота. Первый содержит 84% азотной кислоты, 13% тетроксида диазота и 1-2% воды. Напротив, белая дымящаяся азотная кислота содержит не более 2% воды и очень небольшое количество растворенного диоксида азота (0,5%).

Дымящийся HNO3 с растворенным оксидом азота

Среди нескольких важных реакций HNO3 являются —

  • Нейтрализация аммиаком с образованием нитрата аммония.
  • Нитрование толуола и глицерина с образованием взрывчатого тринитротолуола (TNT) и нитроглицерина соответственно.
  • Окисление металлов до соответствующих нитратов или оксидов.
  • Приготовление нитроцеллюлозы.

А поскольку это сильный окислитель, он бурно реагирует с различными неметаллическими веществами. Продукты таких взрывных реакций зависят от температуры, концентрации кислоты и используемого восстановителя.

Приложения

Химические и физические свойства азотной кислоты делают ее ценным веществом. Он имеет несколько различных применений в различных областях, особенно в химической и фармацевтической промышленности.

Удобрения: Почти 80% производимой азотной кислоты используется для производства удобрений. В частности, он используется для производства нитрата аммония (NH4Нет3) и нитрат аммония кальция, которые находят применение в качестве удобрений.

HNO3 + NH3 → NH4Нет3

Взрывчатые вещества: Нитрат аммония также используется в качестве взрывчатого вещества или взрывчатого вещества в горнодобывающей промышленности, гражданском строительстве, разработке карьеров и других областях. Примеры взрывчатых веществ, содержащих нитрат аммония, включают ANFO, Amatol и DBX.

Красители и пластмассы: Нитрат кальция и аммония используется в некоторых пакетах со льдом / гелем в качестве альтернативы нитрату аммония. Он также используется для производства химикатов и растворов, которые используются при производстве красителей, пластмасс и волокон.

Ракетное топливо: Красная и белая дымящаяся азотная кислота используется в жидкостных ракетах в качестве окислителя. Во время Второй мировой войны немецкие военные использовали дымящуюся красную азотную кислоту в нескольких ракетах.

Изделия из дерева: Очень слабый HNO3 (с концентрацией 10%) применяется для искусственного старения древесины сосны и клена. Придает дереву винтажный вид с масляной отделкой.

Другое использование: Слегка концентрированный раствор под названием Nital используется для травления металла, чтобы выявить его структуру на микромасштабе. Азотная кислота, кипящая с обратным холодильником, используется в процессах очистки углеродных нанотрубок. В электрохимии HNO3 используется в качестве химических легирующих добавок для органических полупроводников.

Читайте: фосфорная кислота [H3PO4]: Структура | Недвижимость | Использует

Глобальный рынок

В 2019 году объем мирового рынка азотной кислоты оценивался примерно в 24 миллиарда долларов. По прогнозам, к 2027 году он превысит 30 миллиардов долларов, а совокупный годовой темп роста составит 3,3%. Ключевым фактором, движущим рынок, является растущий спрос на адипиновую кислоту, которая используется для производства нейлоновых смол и волокон для автомобильных интерьеров.

Быстрое развитие строительства, мебели и сельского хозяйства еще больше отразит этот рост. А поскольку Китай и США имеют большое количество химических производств, в обеих странах прогнозируется значительный рост рынка азотной кислоты в течение прогнозируемого периода.

Вопросы-Ответы

Есть ли HNO3 проводит электричество?

Как и другие сильные кислоты, азотная кислота является хорошим проводником электричества. Исследования показывают, что обработка материала этой кислотой может улучшить его электропроводность до 200 раз.

Есть ли HNO3 растворить золото?

Азотная кислота не реагирует с некоторыми драгоценными металлами, такими как металлы платиновой группы и чистое золото. Однако он может растворять некоторые сплавы золота, содержащие менее благородные металлы, такие как серебро и медь. Цветное золото, например, растворяется в азотной кислоте и меняет цвет своей поверхности.

Хотя чистое золото не проявляет никакого эффекта при контакте с азотной кислотой, оно реагирует с царской водкой, смесью азотной и соляной кислот, оптимально в молярном соотношении 1: 3. Некоторые ювелирные магазины используют азотную кислоту как дешевое средство для быстрого обнаружения сплавов с низким содержанием золота (менее 14 карат).

Прочтите: 8 самых сильных кислот, когда-либо известных нам

Как HNO3 нейтрализовано?

При более высоких концентрациях выделение азотной кислоты может быть весьма значительным, и поэтому необходима хорошая вентиляция. Его можно нейтрализовать любым неорганическим основанием, например, гидроксидом натрия или известью.

Такие реакции нейтрализации выделяют много тепла. Например, нейтрализация 10% раствора азотной кислоты приведет к повышению температуры на 20 ° C, а нейтрализация 70% раствора приведет к повышению температуры на 120 ° C, что достаточно для того, чтобы вызвать паровые взрывы.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *