Struktura, właściwości, synteza i zastosowania kwasu azotowego (HNO3)

The kwas azotowy jest związkiem nieorganicznym składającym się z oksokwasu azotowego. Jest uważany za silny kwas, chociaż jego pKa (-1,4) jest podobne do pKa jonu hydroniowego (-1,74). Od tego momentu jest to prawdopodobnie „najsłabszy” z wielu znanych silnych kwasów.

Jego wygląd fizyczny składa się z bezbarwnej cieczy, która przez przechowywanie zmienia się w żółtawy kolor z powodu tworzenia się gazów azotu. Jego wzór chemiczny to HNO₃. 

Jest nieco niestabilny, doświadczając lekkiego rozkładu w wyniku ekspozycji na światło słoneczne. Ponadto może się całkowicie rozkładać przez ogrzewanie, powodując dwutlenek azotu, wodę i tlen.

Górny obraz pokazuje trochę kwasu azotowego zawartego w kolbie miarowej. Można zauważyć żółte zabarwienie, wskazujące na częściowy rozkład.

Jest on używany do produkcji azotanów nieorganicznych i organicznych, jak również związków azotowych, które są stosowane w produkcji nawozów, materiałów wybuchowych, półproduktów barwników i różnych organicznych związków chemicznych.

Kwas ten był już znany alchemikom z VIII wieku, które nazwali „water fortis”. Niemiecki chemik Johan Rudolf Glauber (1648) opracował metodę jego przygotowania, polegającą na ogrzewaniu azotanu potasu kwasem siarkowym.

Przygotowywany jest przemysłowo zgodnie z metodą zaprojektowaną przez Wilhelma Oswalda (1901). Metoda ta polega zasadniczo na katalitycznym utlenianiu amonu, z kolejnym wytwarzaniem tlenku azotu i dwutlenku azotu z wytworzeniem kwasu azotowego.

W atmosferze NO₂ wytwarzany przez ludzką aktywność reaguje z wodą chmury, tworząc HNO₃. Następnie, podczas kwaśnych deszczów, wytrąca się wraz z odpadającymi kroplami wody, na przykład posągami placów publicznych.

Kwas azotowy jest bardzo toksycznym związkiem, a ciągła ekspozycja na jego opary może prowadzić do przewlekłego zapalenia oskrzeli i chemicznego zapalenia płuc..

Indeks

• 1 Struktura kwasu azotowego
  • 1.1 Struktury rezonansowe
• 2 Właściwości fizyczne i chemiczne
  • 2.1 Nazwy chemiczne
  • 2.2 Masa cząsteczkowa
  • 2.3 Wygląd fizyczny
  • 2.4 Zapach
  • 2.5 Temperatura wrzenia
  • 2.6 Temperatura topnienia
  • 2.7 Rozpuszczalność w wodzie
  • 2.8 Gęstość
  • 2.9 Gęstość względna
  • 2.10 Względna gęstość oparów
  • 2.11 Ciśnienie pary
  • 2.12 Rozkład
  • 2.13 Lepkość
  • 2.14 Korozja
  • 2.15 Entalpia parowania molowego
  • 2.16 Standardowa entalpia molowa
  • 2.17 Standardowa entropia molowa
  • 2.18 Napięcie powierzchniowe
  • 2.19 Próg zapachu
  • 2,20 Stała dysocjacji
  • 2,21 Współczynnik załamania światła (η / D)
  • 2.22 Reakcje chemiczne
• 3 Podsumowanie
  • 3.1 Przemysłowe
  • 3.2 W laboratorium
• 4 zastosowania
  • 4.1 Produkcja nawozów
  • 4.2 Przemysłowe
  • 4.3 Oczyszczacz metalu
  • 4.4 Woda Regia
  • 4.5 Meble
  • 4.6 Czyszczenie
  • 4.7 Fotografia
  • 4.8 Inne
• 5 Toksyczność
• 6 referencji

Struktura kwasu azotowego

Struktura cząsteczki HNO jest pokazana na górnym obrazie₃ z modelem kulek i słupków. Atom azotu, niebieska kula, znajduje się w środku, otoczony geometrią płaszczyzny trygonalnej; jednak trójkąt jest zniekształcony przez jeden z najdłuższych wierzchołków.

Cząsteczki kwasu azotowego są wtedy płaskie. Wiązania N = O, N-O i N-OH tworzą wierzchołki trójkąta płaskiego. Jeśli zostanie szczegółowo zaobserwowane, wiązanie N-OH jest bardziej wydłużone niż pozostałe dwa (gdzie biała kula znajduje się reprezentująca atom H).

Struktury rezonansowe

Istnieją dwa łącza o tej samej długości: N = O i N-O. Fakt ten jest sprzeczny z teorią wiązania walencyjnego, gdzie przewiduje się, że podwójne wiązania będą krótsze niż proste wiązania. Wyjaśnienie w tym tkwi w zjawisku rezonansu, jak widać na obrazku poniżej.

Oba wiązania, N = O i N-O, są zatem równoważne pod względem rezonansu. Jest to przedstawione graficznie w modelu struktury za pomocą linii przerywanej między dwoma atomami O (patrz struktura).

Gdy HNO jest deprotonowany₃, tworzy się stabilny azotan anionowy₃^-. W rezonansie biorą teraz udział trzy atomy O. Z tego powodu HNO₃ ma wielką kwasowość Bronsted-Lowry (dawca gatunkowy jonów H⁺).

Właściwości fizyczne i chemiczne

Nazwy chemiczne

-Kwas azotowy

-Kwas azotyczny

-Azotan wodoru

-Water fortis.

Masa cząsteczkowa

63012 g / mol.

Wygląd fizyczny

Bezbarwny lub jasnożółty płyn, który może przybrać czerwonawo brązowy kolor.

Zapach

Ostre, charakterystyczne duszenie.

Temperatura wrzenia

181 ° F do 760 mmHg (83 ° C).

Temperatura topnienia

-41,6 ° C.

Rozpuszczalność w wodzie

Bardzo rozpuszczalny i mieszalny z wodą.

Gęstość

1,513 g / cm³ w 20 ° C.

Gęstość względna

1,50 (w odniesieniu do wody = 1).

Gęstość względna pary

2 lub 3 razy oszacowane (w odniesieniu do powietrza = 1).

Ciśnienie pary

63,1 mmHg w 25 ° C.

Rozkład

Ze względu na wystawienie na działanie wilgoci atmosferycznej lub ciepła może ulec rozkładowi, tworząc nadtlenek azotu. Gdy ten rozkład jest podgrzewany, emituje on bardzo toksyczny dym tlenku azotu i azotanu wodoru.

Kwas azotowy nie jest stabilny, jest zdolny do rozkładu w kontakcie z ciepłem i ekspozycją na światło słoneczne oraz emituje dwutlenek azotu, tlen i wodę.

Lepkość

1 092 mPa w 0 ° C i 0,617 mPa w 40 ° C.

Korozja

Jest w stanie atakować wszystkie podstawowe metale, z wyjątkiem aluminium i stali chromowej. Atakuje niektóre rodzaje tworzyw sztucznych, gum i powłok. Jest substancją żrącą i żrącą, dlatego należy się z nią obchodzić z najwyższą ostrożnością.

Entalpia molowa odparowania

39,1 kJ / mol w 25 ° C.

Standardowa entalpia molowa

-207 kJ / mol (298 ° F).

Standardowa entropia molowa

146 kJ / mol (298 ° F).

Napięcie powierzchniowe

-0,04356 N / m w 0 ° C

-0,04115 N / m w 20 ° C

-0,0376 N / m w 40 ° C

Próg zapachu

-Niski zapach: 0,75 mg / m³

-Wysoki zapach: 250 mg / m³

-Stężenie drażniącego: 155 mg / m³.

Stała dysocjacji

pKa = -1,38.

Współczynnik załamania światła (η / D)

1393 (16,5 ° C).

Reakcje chemiczne

Nawodnienie

-Może tworzyć stałe hydraty, takie jak HNO₃. H₂O i HNO₃∙ 3H₂Lub: „Lód azotowy”.

Dysocjacja w wodzie

Kwas azotowy jest silnym kwasem, który jest szybko jonizowany w wodzie w następujący sposób:

HNO₃ (l) + H₂O (l) => H₃O⁺ (ac) + NO₃^-

Powstawanie soli

Reaguje z tlenkami zasadowymi tworząc sól azotanową i wodę.

CaO (s) + 2 HNO₃ (l) => Ca (NO₃)₂ (ac) + H₂O (l)

Podobnie reaguje z zasadami (wodorotlenkami), tworząc sól azotanową i wodę.

NaOH (ac) + HNO₃ (l) => NaNO₃ (ac) + H₂O (l)

A także z węglanami i kwaśnymi węglanami (wodorowęglanami), także tworzącymi dwutlenek węgla.

Na₂CO₃ (ac) + HNO₃ (l) => NaNO₃ (ac) + H₂O (l) + CO₂ (g)

Protonacja

Kwas azotowy może również zachowywać się jak baza. Z tego powodu może reagować z kwasem siarkowym.

HNO₃   +   2H₂TAK₄    <=>      NIE₂⁺    +     H₃O⁺     +      2HSO₄^-

Selfprotoxicity

Kwas azotowy ulega autoprotoisie.

2HNO₃  <=>  NIE₂⁺   +    NIE₃^-    +      H₂O

Utlenianie metalu

W reakcji z metalami kwas azotowy nie zachowuje się jak silne kwasy, które reagują z metalami tworzącymi odpowiednią sól i uwalniają wodór w postaci gazowej.

Jednak magnez i mangan reagują na gorąco z kwasem azotowym, podobnie jak inne silne kwasy.

Mg (s) + 2 HNO₃ (l) => Mg (NO₃)₂ (ac) + H₂ (g)

Inne

Kwas azotowy reaguje z siarczynami metali, powodując sól azotanu, dwutlenku siarki i wody.

Na₂TAK₃ (s) + 2 HNO₃ (l) => 2 NaNO₃ (ac) + SO₂ (g) + H₂O (l)

A także reaguje ze związkami organicznymi, zastępując atom wodoru grupą nitrową; stanowiąc podstawę do syntezy związków wybuchowych, takich jak nitrogliceryna i trinitrotoluen (TNT).

Synteza

Przemysłowe

Jest wytwarzany na poziomie przemysłowym przez katalityczne utlenianie amonu, zgodnie z metodą opisaną przez Oswalda w 1901 r. Procedura składa się z trzech etapów lub etapów.

Etap 1: Utlenianie amonu do tlenku azotu

Amon jest utleniany przez tlen obecny w powietrzu. Reakcję prowadzi się w 800 ° C i pod ciśnieniem 6-7 atm, z zastosowaniem platyny jako katalizatora. Amon miesza się z powietrzem w następującym stosunku: 1 objętość amonu na 8 objętości powietrza.

4NH₃ (g) + 5O₂ (g) => 4 NO (g) + 6H₂O (l)

W reakcji powstaje tlenek azotu, który jest przenoszony do komory utleniania na następny etap.

Etap 2. Utlenianie tlenku azotu w dwutlenku azotu

Utlenianie jest realizowane przez tlen obecny w powietrzu w temperaturze poniżej 100 ° C.

2NO (g) + O₂ (g) => 2 NO₂ (g)

Etap 3. Rozpuszczanie dwutlenku azotu w wodzie

Na tym etapie zachodzi tworzenie się kwasu azotowego.

4NO₂     +      2H₂O + O₂         => 4HNO₃

Istnieje kilka metod absorpcji dwutlenku azotu (NO₂) w wodzie.

Wśród innych metod: NIE₂ jest dimeryzowany do N₂O₄ w niskich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem, w celu zwiększenia jego rozpuszczalności w wodzie i wytworzenia kwasu azotowego.

3N₂O₄   +     2H₂O => 4HNO₃    +      2NO

Kwas azotowy wytwarzany przez utlenianie amonu ma stężenie między 50-70%, które można doprowadzić do 98% przez zastosowanie stężonego kwasu siarkowego jako odwodnienia, co pozwala na zwiększenie stężenia kwasu azotowego.

W laboratorium

Termiczny rozkład azotanu miedzi (II), wytwarzający dwutlenek azotu i gazy tlenowe, które są przepuszczane przez wodę z wytworzeniem kwasu azotowego; jak to się dzieje w opisanej wcześniej metodzie Oswalda.

2Cu (NIE₃)₂    => 2CuO + 4NO₂    +     O₂

Reakcja soli azotanowej z H₂TAK₄ koncentrat Utworzony kwas azotowy oddziela się od H₂TAK₄ przez destylację w 83 ° C (temperatura wrzenia kwasu azotowego).

KNO₃   +    H₂TAK₄     => HNO₃    +     KHSO₄

Używa

Produkcja nawozów

60% produkcji kwasu azotowego wykorzystuje się do produkcji nawozów, zwłaszcza azotanu amonu.

Charakteryzuje się wysokim stężeniem azotu, jednym z trzech głównych składników odżywczych roślin, wykorzystującym bezpośrednio azotany przez rośliny. Tymczasem amon jest utleniany przez mikroorganizmy obecne w glebie i jest używany jako nawóz długoterminowy.

Przemysłowe

-15% produkcji kwasu azotowego jest wykorzystywane do produkcji włókien syntetycznych.

-Stosuje się go przy opracowywaniu estrów kwasu azotowego i pochodnych azotowych; takie jak nitroceluloza, farby akrylowe, nitrobenzen, nitrotoluen, akrylonitryle itp..

-Może dodawać grupy nitrowe do związków organicznych, ta właściwość może być używana do wytwarzania materiałów wybuchowych, takich jak nitrogliceryna i trinitrotoluen (TNT).

-Kwas adypinowy, prekursor nylonu, jest wytwarzany na dużą skalę przez utlenianie cykloheksanonu i cykloheksanolu przez kwas azotowy.

Oczyszczacz metalu

Kwas azotowy, dzięki swojej zdolności utleniającej, jest bardzo przydatny w oczyszczaniu metali obecnych w minerałach. Stosuje się go także do otrzymywania pierwiastków takich jak uran, mangan, niob, cyrkon i zakwaszenie skał fosforowych w celu uzyskania kwasu fosforowego..

Regia wodna

Miesza się ze stężonym kwasem solnym, tworząc „agua regia”. To rozwiązanie jest zdolne do rozpuszczania złota i platyny, co pozwala na jego zastosowanie do oczyszczania tych metali.

Meble

Kwas azotowy służy do uzyskania antycznego efektu w meblach z drewna sosnowego. Obróbka roztworem kwasu azotowego do 10% daje szaro-złote zabarwienie drewna mebli.

Czyszczenie

-Mieszanina wodnych roztworów kwasu azotowego 5-30% i kwasu fosforowego 15-40% jest wykorzystywana do czyszczenia sprzętu używanego do pracy dojenia, w celu wyeliminowania pozostałości osadów związków magnezu i wapnia.

-Jest przydatny do czyszczenia materiału szklanego stosowanego w laboratorium.

Fotografia

-Kwas azotowy był wykorzystywany w fotografii, zwłaszcza jako dodatek dla twórców siarczanu żelazawego w procesie mokrej płyty, w celu promowania bielszego koloru w ambrotypach i ferrotypach.

-Został użyty do obniżenia pH srebrnej kąpieli płytek kolodionowych, co pozwoliło na zmniejszenie wyglądu mgły, która przeszkadzała w obrazach.

Inni

-Ze względu na jego pojemność rozpuszczalnikową, jest on wykorzystywany do analizy różnych metali za pomocą technik spektrofotometrii płomieniowej absorpcji atomowej i indukcyjnej sprzężenia plazmowego spektrofotometrii masowej.

-Połączenie kwasu azotowego i kwasu siarkowego zastosowano do konwersji zwykłej bawełny w azotan celulozy (bawełna azotowa).

-Lek Salcoderm do stosowania zewnętrznego jest stosowany w leczeniu łagodnych nowotworów skóry (brodawki, odciski, kłykciny i brodawczaki). Ma właściwości kauteryzacji, łagodzenia bólu, podrażnienia i świądu. Kwas azotowy jest głównym składnikiem formuły leku.

-Dymiący czerwony kwas azotowy i biały dymiący kwas azotowy są używane jako utleniacze do ciekłych paliw rakietowych, zwłaszcza w pocisku BOMARC.

Toksyczność

-W kontakcie ze skórą może powodować oparzenia skóry, silny ból i zapalenie skóry.

-W kontakcie z oczami może powodować silny ból, łzawienie, aw ciężkich przypadkach uszkodzenie rogówki i ślepotę.

-Wdychanie oparów może powodować kaszel, duszność, powodując ciężkie lub przewlekłe krwawienia z nosa, zapalenie krtani, przewlekłe zapalenie oskrzeli, zapalenie płuc i obrzęk płuc..

-Ze względu na połknięcie wywołuje zmiany w jamie ustnej, ślinienie, intensywne pragnienie, ból połykania, intensywne bóle w całym przewodzie pokarmowym i ryzyko perforacji ściany..

Referencje

1. Wikipedia. (2018). Kwas azotowy. Źródło: en.wikipedia.org
2. PubChem. (2018). Kwas azotowy. Źródło: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Redakcja Encyclopaedia Britannica. (23 listopada 2018). Kwas azotowy. Encyclopædia Britannica. Źródło: britannica.com
4. Shrestha B. (s.f.). Właściwości kwasu azotowego i zastosowania. Chem Guide: tutoriale do nauki chemii. Źródło: chem-guide.blogspot.com
5. Książka chemiczna. (2017). Kwas azotowy. Źródło: chemicalbook.com
6. Imanol (10 września 2013 r.). Produkcja kwasu azotowego. Źródło: ingenieriaquimica.net