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硝酸

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硝酸
IUPAC名
Nitric acid
别名 硝镪水
识别
CAS号 7697-37-2  ✓
PubChem 944
ChemSpider 919
SMILES
InChI
InChIKey GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYAO
Gmelin 1576
3DMet B00068
UN编号 2031
EINECS 231-714-2
ChEBI 48107
RTECS QU5775000
KEGG D02313
MeSH Nitric+acid
性质
化学式 HNO3
摩尔质量 63.012 g·mol⁻¹
外观 无色清澈液体
密度 1.51 g/cm³
熔点 -42 °C(231 K)
沸点 83 °C(356 K)(纯酸)
(68%aq沸点120.5℃)
溶解性 完全混溶
偶极矩 2.17±0.02D
危险性
欧盟危险性符号
氧化性
氧化性 O
腐蚀性
腐蚀性 C
警示术语 R:R8-R35
安全术语 S:S1/2-S23-S26-S36-S45
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
4
0
OX
闪点 可燃
相关物质
相关化学品 亚硝酸
五氧化二氮
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

硝酸(分子式:HNO3)是一种强,是三大强酸其一,其水溶液俗称硝镪水。纯硝酸为无色液体,沸点83℃,味苦,在-42℃时凝结为无色晶体,与水混溶,有强氧化性和腐蚀性。其不同浓度水溶液性质有别,市售浓硝酸为共沸物,溶质质量分数为69.2%,一大气压下沸点为121.6℃,密度为1.42g·cm-3,约16mol·L-1,溶质重量百分比足够大(市售浓度最高为98%以上)的,称为发烟硝酸,硝酸是一种重要的化工原料。

硝酸的酸酐五氧化二氮N2O5)。

历史

硝酸和硫酸一样由公元8世纪阿拉伯炼金术阿布·穆萨·贾比尔·伊本·哈扬(Jabir ibn Hayyan)在干馏绿矾硝石混合物时发现,也是一种化学肥料[1]因为硝酸是在硝石中发现的,所以含氧氮酸不叫氮酸,叫硝酸。

自然存在

雷雨时能产生少量的硝酸。打雷时放出的能量让空气中的N2和O2发生反应,产生NO

N2 + O2 → 2NO
2NO + O2 → 2NO2
N2 + 2O2 → 2NO2

NO2和水反应产生硝酸和一氧化氮:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

有些海鞘Ciona intestinalis)也能分泌硝酸御敌[2]

结构

硝酸是平面分子,其中心原子N原子为sp2杂化。由于羟基上的氢原子与另外一个氧原子形成了氢键,分子才呈平面结构,而且N的三根键长都不相同。N原子垂直于分子平面的一个p轨道是满的,它与未连接H的两个氧原子上的p轨道共轭,形成大Π键。分子内氢键也是硝酸沸点较低的原因。

硝酸去掉一个氢原子的结构是硝酸根,一般带一个负电荷(硝酸根离子)。硝酸根具有对称的平面等边三角形结构,4个原子形成大键,多出来的1个电子在离域Π键里。[来源请求]

硝酸去掉一个羟基的结构是硝基-NO2。硝基的正离子叫硝酰正离子

物理性质

纯硝酸为无色、容易挥发液体,沸点约为83℃,凝固点约为-42℃,密度为1.51g/ml。可以与水以任意比例互溶。硝酸是二氧化氮溶于水生成的,但由于二氧化氮溶于水并不会完全水解成硝酸,会有少量的二氧化氮分子存在,因此硝酸水溶液呈淡黄色,也会挥发出棕红色的NO2。一般的浓硝酸指的是16mol/L的HNO3水溶液,密度为1.42g/ml。

  • 发烟硝酸
    发烟硝酸
  • 70%硝酸
    70%硝酸

化学性质

纯硝酸可以发生自偶电离:2HNO3⇌H2O+NO2++NO3-

硝酸作为氮的最高价(+5)水化物,具有很强的酸性,一般情况下认为硝酸的水溶液是完全电离的。硝酸可以与发生酯化反应,如硝酸甘油的制备。(实际上我们会使用浓硫酸,产生大量NO2+),成本较低而且较容易处理,与其他更强的脱水剂,例如P4O10,也可以产生大量的硝酰阳离子,这是硝化反应能进行的本质。

HNO3 + H2O → H3O+ + NO3- (水中)
HO-NO2 + 2H2SO4 → NO2+ + 2HSO4- + H3O+ (浓硫酸中)

硝酸的水溶液无论浓稀均具强氧化性腐蚀性,溶液越浓其氧化性越强。硝酸在光照条件下分解成水、NO2和O2,方程式如下:

4HNO3 → 4NO2 + O2 + 2H2O

因此硝酸一定要盛放在棕色瓶中,并置于阴凉处保存。硝酸能溶解许多种金属(例如),生成、水、氮氧化物。随着溶液浓度的减小,其还原产物逐渐由高价向低价过渡,从最浓到最稀可生成NO2、NO、N2O、N2、NH4NO3。还原产物一般是混合物,金属与浓硝酸反应多生成NO2,与稀硝酸反应下生成如NO等较低价化合物。

等金属遇冷的浓硝酸可以发生钝化现象,只在表面形成一层致密的氧化膜,不会完全反应掉。

浓硝酸和浓盐酸的物质的量按1:3混合,即为王水,能溶解等稳定金属。

硝酸盐大多易遇热分解,生成氧气氮氧化物、金属氧化物(也可能生成亚硝酸盐等)。

硝酸铵中的硝酸根与铵根,平均能量大于有其平均价数之一氧化二氮,在固态时发生均化反应(因为动力学原因,在溶液内不发生)(NH4NO3)即加热或撞击分解生成一氧化二氮,一般使用现代合成炸药引爆,威力与TNT相去不远,但成本极低。因此被用于国防工业及工程上而被誉为国防工业之母(主要制造硝基含能化合物(现代合成炸药)。硝酸钾就是黑火药的成分之一)。

由于硝酸也属于强酸,所以可以和碱发生酸碱中和反应。

HNO3+NaOH→NaNO3+H2O

上为硝酸和氢氧化钠复分解反应

制备

工业上用二氧化氮混合制备硝酸:奥士华法

4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O(g)催化)(ΔH=−905.2kJ/mol)

2NO(g)+O2(g)→2NO2(g) (ΔH=−114kJ/mol)

3NO2(g)+H2O(l)→2HNO3(aq)+NO(g) (ΔH=−117kJ/mol)

总式:NH3(g)+2O2(g)→H2O(l)+HNO3(aq)催化)

反复把生成的气体通入水中,即可得到较纯的硝酸。其原料二氧化氮是由氧化而得,因此硝酸工业与制氨工业密不可分。

纯硝酸制备

制造纯硝酸则是把浓硫酸硝酸盐混合加热,反应式为:

NaNO3+H2SO4→NaHSO4+HNO3

其二步反应是硫酸氢盐与硝酸盐反应,值得注意的是,因为反应温度更高,所以硝酸会分解,影响产率。

工业用途

硝酸是在工业上和实验室中都很常用的一种酸。

作为硝酸盐和硝酸酯的必需原料,硝酸被用来制取一系列硝酸盐类氮肥,如硝酸铵硝酸钾等;也用来制取硝酸酯类或含硝基的炸药,如三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油

由于它同时具有氧化性酸性,硝酸也被用来精炼金属:即先把不纯的金属氧化成硝酸盐,排除杂质后再还原。

人体影响

硝酸不论浓稀溶液都有氧化性和腐蚀性,因此对人很危险,仅溅到皮肤上也会引起严重烧伤。皮肤接触硝酸后会慢慢变黄,最后变黄的表皮会起皮脱落(硝酸和蛋白质接触后,会导致黄蛋白反应而变性)。此外,浓硝酸需以深色玻璃瓶盛装,避免受到光照反应释出有毒的NO2

与金属的反应

一般的与活泼金属反应,生成氢气

2HCl(aq) + Zn(s) → ZnCl2(aq) + H2(g)

而硝酸与金属反应,不会生成氢气。这是因为硝酸根(NO3-)的氧化性氢离子(H+)强。

浓硝酸(约16mol/L)与金属反应,主要生成红棕色的二氧化氮气体:

Zn(s) + 4HNO3(aq) → Zn(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(l)

稀硝酸(约6mol/L)与金属反应,主要生成一氧化氮气体:

3Zn(s) + 8HNO3(aq) → 3Zn(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)

更稀的硝酸(约2mol/L以下)与金属反应,产物从一氧化二氮氮气铵根离子不等。

普遍认为,硝酸与金属反应时,各还原产物(NO2、NO、N2O、N2、NH3)都可以生成。 但由于硝酸、水、氮氧化物亚硝酸连二次硝酸等物质间的多个平衡,不同浓度硝酸的还原产物有很大差异。

极稀硝酸和活泼金属生成氢气的说法,没有得到证实。

参考

注释

  1. ^ Nitric Acid. [2020-09-15]. (原始内容存档于2010-01-29). 
  2. ^ P. W. Atkins, Molecules, 1987, ISBN 0-7167-5019-8
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硝酸
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