Азотная кислота HNO₃ — сильная одноосновная кислота и сильный окислитель. При взаимодействии с большинством металлов она образует нитрат металла, воду и продукт восстановления азота. В стандартных школьных задачах водород среди продуктов такой реакции не записывают.
Состав продуктов зависит от:
активности металла;
концентрации азотной кислоты;
температуры;
способности металла к пассивации;
условий, указанных в задаче.
Окислительно-восстановительная природа реакции
В молекуле HNO₃ и нитрат-ионе NO₃⁻ азот имеет степень окисления +5. Определение степеней окисления необходимо для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.
При взаимодействии металла с азотной кислотой:
металл окисляется и отдаёт электроны;
азот в нитрат-ионе восстанавливается и принимает электроны;
образуется нитрат металла;
образуются вода и соединение восстановленного азота.
Общая схема: Me + HNO₃ → Me(NO₃)ₙ + продукт восстановления азота + H₂O
Здесь Me — металл, а n — его степень окисления в образующемся нитрате.
Примеры:
Cu → Cu(NO₃)₂
Ag → AgNO₃
Zn → Zn(NO₃)₂
В типичных школьных реакциях часть нитрат-ионов входит в состав нитрата металла, а другая часть восстанавливается до оксидов азота, молекулярного азота или иона аммония.
Продукты восстановления азота
Азот в нитрат-ионе имеет степень окисления +5. В зависимости от условий реакции он может восстанавливаться до разных степеней окисления.
Продукт | Формула | Степень окисления азота | Характеристика |
|---|---|---|---|
Диоксид азота | NO₂ | +4 | Бурый токсичный газ |
Оксид азота(II) | NO | +2 | Бесцветный газ |
Оксид азота(I) | N₂O | +1 | Бесцветный газ |
Азот | N₂ | 0 | Бесцветный газ |
Ион аммония | NH₄⁺ | −3 | В растворе образует NH₄NO₃ |
Оксид азота(II) NO на воздухе окисляется до диоксида азота: 2NO + O₂ → 2NO₂
Поэтому бесцветный NO, образовавшийся непосредственно в реакции, на воздухе может превращаться в бурый NO₂.
Для школьных задач используют следующую ориентировочную закономерность:
концентрированная HNO₃ чаще восстанавливается до NO₂;
разбавленная HNO₃ с металлами средней активности часто восстанавливается до NO;
при взаимодействии очень разбавленной кислоты с активными металлами возможно более глубокое восстановление азота до N₂O, N₂ или NH₄⁺.
Эта схема является ориентировочной. В конкретной задаче необходимо учитывать металл и условия реакции.
Взаимодействие меди с азотной кислотой
Медь не реагирует с неокисляющими кислотами с выделением водорода, но взаимодействует с азотной кислотой благодаря её окислительным свойствам.
Медь и концентрированная азотная кислота
Cu + 4HNO₃(конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
В этой реакции:
Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺
N⁺⁵ + e⁻ → N⁺⁴
Медь окисляется до Cu²⁺, а азот восстанавливается с +5 до +4.
Признаки реакции:
медь растворяется;
раствор приобретает голубую окраску из-за ионов Cu²⁺;
выделяется бурый газ NO₂.
Медь и разбавленная азотная кислота
3Cu + 8HNO₃(разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
Электронный баланс:
Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺
N⁺⁵ + 3e⁻ → N⁺²
После уравнивания числа электронов:
3Cu⁰ − 6e⁻ → 3Cu²⁺
2N⁺⁵ + 6e⁻ → 2N⁺²
В реакции непосредственно образуется бесцветный газ NO. На воздухе он окисляется до NO₂.
Взаимодействие серебра с азотной кислотой
Серебро реагирует как с концентрированной, так и с разбавленной азотной кислотой.
Серебро и концентрированная кислота
Ag + 2HNO₃(конц.) → AgNO₃ + NO₂↑ + H₂O
Образуются нитрат серебра и бурый газ NO₂.
Серебро и разбавленная кислота
3Ag + 4HNO₃(разб.) → 3AgNO₃ + NO↑ + 2H₂O
При разбавлении кислоты продуктом восстановления азота обычно является NO.
Взаимодействие цинка с азотной кислотой
Цинк — активный металл. Поэтому в зависимости от условий азот может восстанавливаться глубже, чем при реакции с медью или серебром.
Цинк и концентрированная кислота
Zn + 4HNO₃(конц.) → Zn(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
Образуется бурый газ NO₂.
Цинк и разбавленная кислота
В одной из типичных школьных схем образуется оксид азота(II):
3Zn + 8HNO₃(разб.) → 3Zn(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
Более глубокое восстановление азота
При использовании очень разбавленной азотной кислоты возможно образование оксида азота(I): 4Zn + 10HNO₃(очень разб.) → 4Zn(NO₃)₂ + N₂O↑ + 5H₂O
При других условиях глубокого восстановления продуктом может быть нитрат аммония: 4Zn + 10HNO₃(очень разб.) → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O
Эти уравнения не следует рассматривать как реакции, протекающие при одинаковых условиях. В задании ЕГЭ продукт определяется концентрацией кислоты, активностью металла и другими условиями.
Пассивирование металлов
Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, железо и хром. На поверхности металла образуется плотная защитная плёнка, препятствующая дальнейшему взаимодействию с кислотой.
Металл | Действие холодной концентрированной HNO₃ |
|---|---|
Al | Пассивируется |
Fe | Пассивируется |
Cr | Пассивируется |
В школьной записи:
Al + HNO₃(конц., холодн.) → реакция не идёт
Fe + HNO₃(конц., холодн.) → реакция не идёт
Cr + HNO₃(конц., холодн.) → реакция не идёт
При нагревании или изменении состава среды пассивное состояние может нарушаться. Например, при нагревании железа с концентрированной азотной кислотой возможна реакция: Fe + 6HNO₃(конц.) → Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O
Условие нагревания можно указать над стрелкой: Fe + 6HNO₃(конц.) —t→ Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O
Для обычного копирования также допустима запись: Fe + 6HNO₃(конц.) → Fe(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O, t
В условии задачи необходимо обращать внимание на слова «холодная», «концентрированная» и «при нагревании».
Металлы, не реагирующие с азотной кислотой
В школьном курсе считают, что золото и платина не реагируют с азотной кислотой:
Au + HNO₃ → реакция не идёт
Pt + HNO₃ → реакция не идёт
Они растворяются в царской водке — смеси концентрированных азотной и соляной кислот. Для данной темы достаточно запомнить, что Au и Pt с HNO₃ не взаимодействуют.
Сравнение с другими кислотами
Кислота | Особенность взаимодействия с металлами | Типичный продукт |
|---|---|---|
HCl | Активные металлы до водорода вытесняют водород | H₂ |
H₂SO₄(разб.) | Активные металлы до водорода вытесняют водород | H₂ |
HNO₃(конц.) | Окисляет металлы; часто образуется бурый газ | NO₂ |
HNO₃(разб.) | Окисляет также медь и серебро | Обычно NO |
H₂SO₄(конц.) | Проявляет окислительные свойства, обычно при нагревании | Часто SO₂ |
Главное отличие азотной кислоты состоит в том, что она реагирует со многими металлами, расположенными после водорода в ряду активности. В этих реакциях металл не вытесняет водород, а восстанавливает азот из степени окисления +5 до более низкой.
Алгоритм решения заданий ЕГЭ
Определите металл и степень его окисления в образующемся нитрате.
Проверьте условия реакции:
кислота концентрированная, разбавленная или очень разбавленная;
реакция идёт на холоде или при нагревании;
относится ли металл к пассивируемым.
Выберите возможный продукт восстановления азота:
NO₂ — типичный продукт концентрированной кислоты;
NO — типичный продукт разбавленной кислоты с медью и серебром;
N₂O, N₂ или NH₄NO₃ — возможные продукты более глубокого восстановления азота активными металлами.
Запишите формулу нитрата металла.
Определите изменения степеней окисления.
Составьте электронный баланс.
Доуравняйте остальные элементы.
Проверьте число атомов каждого элемента и соответствие уравнения условию задачи.
Типичные ошибки
Ошибка 1. Запись водорода
Неверно: Zn + 2HNO₃ → Zn(NO₃)₂ + H₂
В стандартной школьной схеме азотная кислота окисляет металл, а азот восстанавливается. Поэтому вместо H₂ записывают продукт восстановления азота.
Ошибка 2. Автоматический выбор NO₂
Концентрированная кислота часто образует NO₂, но разбавленная азотная кислота с медью и серебром обычно даёт NO.
Ошибка 3. Путаница между NO и NO₂
NO — бесцветный газ.
NO₂ — бурый газ.
Если при реакции образуется NO, бурый цвет может появиться после его окисления кислородом воздуха.
Ошибка 4. Игнорирование пассивации
При взаимодействии Al, Fe и Cr с холодной концентрированной HNO₃ реакцию обычно не записывают: металл пассивируется.
Ошибка 5. Игнорирование концентрации кислоты
Один и тот же металл при разной концентрации HNO₃ может образовывать разные продукты восстановления азота.
Ошибка 6. Неправильная запись иона аммония
При глубоком восстановлении азота в кислой среде образуется ион аммония NH₄⁺, который связывается с нитрат-ионом: NH₄⁺ + NO₃⁻ → NH₄NO₃
Поэтому в молекулярном уравнении записывают NH₄NO₃, а не свободный NH₃.
Сводная таблица реакций
Металл | Условия | Продукт восстановления | Уравнение |
|---|---|---|---|
Cu | Концентрированная HNO₃ | NO₂ | Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O |
Cu | Разбавленная HNO₃ | NO | 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O |
Ag | Концентрированная HNO₃ | NO₂ | Ag + 2HNO₃ → AgNO₃ + NO₂↑ + H₂O |
Ag | Разбавленная HNO₃ | NO | 3Ag + 4HNO₃ → 3AgNO₃ + NO↑ + 2H₂O |
Zn | Концентрированная HNO₃ | NO₂ | Zn + 4HNO₃ → Zn(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O |
Zn | Разбавленная HNO₃ | NO | 3Zn + 8HNO₃ → 3Zn(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O |
Zn | Очень разбавленная HNO₃ | N₂O | 4Zn + 10HNO₃ → 4Zn(NO₃)₂ + N₂O↑ + 5H₂O |
Fe | Холодная концентрированная HNO₃ | — | Пассивирование, реакция не идёт |
Al | Холодная концентрированная HNO₃ | — | Пассивирование, реакция не идёт |
Cr | Холодная концентрированная HNO₃ | — | Пассивирование, реакция не идёт |
Au, Pt | HNO₃ | — | Реакция не идёт |
Уравнения с активными металлами в таблице являются типичными школьными схемами. В реальных условиях может образовываться смесь продуктов, но в заданиях ЕГЭ используют продукт, указанный или подразумеваемый условием.
Краткая памятка
HNO₃ — сильная кислота и сильный окислитель.
В стандартных школьных реакциях металлов с HNO₃ водород не выделяется.
Образуются нитрат металла, вода и продукт восстановления азота.
Концентрированная HNO₃ часто даёт NO₂.
Разбавленная HNO₃ с Cu и Ag обычно даёт NO.
Активные металлы могут восстанавливать азот до N₂O, N₂ или NH₄⁺.
NO — бесцветный газ.
NO₂ — бурый газ.
Холодная концентрированная HNO₃ пассивирует Al, Fe и Cr.
Au и Pt с азотной кислотой не реагируют.
Коэффициенты в уравнениях ОВР расставляют методом электронного баланса.
Комментарии