硝酸

具有強氧化性的化合物

硝酸(英語:Nitric acid )為強酸,化学式HNO₃,水溶液俗称硝镪水。硝酸是重要的化工原料。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%,一大气压沸点为121.6℃,密度1.42g·cm−3,约16mol·L−1,溶质重量百分比够大(市售浓度最高为98%以上)的叫发烟硝酸。

硝酸
IUPAC名
Nitric acid
别名 硝镪水
识别
CAS号 7697-37-2  checkY
PubChem 944
ChemSpider 919
SMILES
 
  • O[N+](=O)[O-]
InChI
 
  • 1/HNO3/c2-1(3)4/h(H,2,3,4)
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
H-术语 H272, H300, H310, H330, H373, H411
P-术语 P210, P220, P260, P305+351+338, P310, P370+378
NFPA 704
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,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。

硝酸的酸酐五氧化二氮(N₂O₅)。

歷史

硝酸和硫酸一样由公元8世纪阿拉伯鍊金術阿布·穆薩·賈比爾·伊本·哈揚(Jabir ibn Hayyan)在乾餾綠矾硝石混合物時發現,也是化學肥料[1]硝酸在硝石中發現,故叫硝酸不叫氮酸。

自然存在

雷雨时能生成少量硝酸。打雷放出的能量讓空氣中的N2和O2高温反應,生成NO

 
 
 

NO2和水反應生成硝酸:

无氧時: 
含氧時: 

实验室中,用火焰可以产生少量硝酸,如用高压电火花隙进行弧光放电效率更高,在工业中曾经用于伯克兰-艾德法。但因效率低,电能消耗大而不再使用。

有些海鞘Ciona intestinalis)也能分泌硝酸御敌[2]

结构

硝酸是平面分子,中心的氮原子为sp2杂化。羟基的氢原子与另外一粒氧原子形成氢键,分子呈平面结构,而且氮的三根键长都不相同。氮原子垂直于分子平面的一條p轨道是满的,它与未连接氫的两粒氧原子上的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。

硝酸是含氧酸,去掉一粒氢原子的结构是硝酸根,一般带一粒负电荷(硝酸根离子)。硝酸根有对称的平面等边三角形结构,4粒原子形成大 键,多出来的1粒电子在离域Π键裡。[來源請求]

硝酸去掉一組羟基的结构是硝基-NO2。硝基的正离子叫硝酰正离子

物理性质

純硝酸為無色、易揮發液體,沸點約83℃,凝固点约−42℃,密度为1.51g/ml。可以与水互溶。硝酸是二氧化氮溶於水生成,但二氧化氮溶於水並不會完全水解成硝酸,會有少量二氧化氮分子留存,因此硝酸水溶液呈淡黃色,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。

化学性质

纯硝酸可以自偶电离:2HNO₃ ⇌ H₂O+NO₂⁺+NO₃⁻

硝酸作为氮的最高价(+5)水化物,其酸性很强,一般情况认为硝酸在水溶液中完全电离。硝酸可以与酯化反应,如制备硝酸甘油。(實際會用浓硫酸生成大量NO₂⁺),成本較低且較易處理,與其他更強的脫水劑,例如P₄O₁₀,也可以生成大量硝醯陽離子,这是硝化反应的本质。

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有强氧化力腐蚀力,溶液越浓其氧化力越强。硝酸經光照分解成水、NO2和O2,方程式如下:

4HNO₃ → 4NO₂+O₂+2H₂O

一定要盛放在棕色瓶中,並置於阴凉处保存。硝酸能溶解多种金属(例如),生成、水、氮氧化物。随着溶液變稀,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、H₂。还原产物一般是混合物,金属与濃硝酸反应多生成NO2,與稀硝酸反應生成如NO等較低價化合物。

等金属遇冷的浓硝酸可以钝化,只在表面形成致密的氧化膜,不会繼續反应。

浓硝酸和浓盐酸的物質量按1比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(中途也可能生成亚硝酸盐等)。

硝酸铵中的硝酸根與銨根,平均能量大於有其平均價數之一氧化二氮,在固態時均化反應(動力學所限,在溶液內不反應)(即加热或撞击分解生成一氧化二氮),一般使用現代合成炸藥引爆,威力與TNT相去不遠,但成本極低,因此用于国防工业及工程而獲美譽「國防工業之母」(主要製造硝基含能化合物(現代合成炸藥)。硝酸钾就是黑火药的成分之一)。

硝酸也屬強酸,可以和鹼酸鹼中和反應。

HNO₃+NaOH → NaNO₃+H₂O

上為硝酸和氫氧化鈉複分解反應

制备

历史上,曾使用伯克兰-艾德法,但因能耗大、效率低,后被取代。

现代工业用二氧化氮混合制备硝酸:奧士華法。其原料二氧化氮是由氧化而得,硝酸工业製氨工业密不可分。

 催化)(ΔH=−905.2kJ/mol)

  (ΔH=−114kJ/mol)

 (ΔH=−117kJ/mol)

總式: 催化)

反复把生成的气体通入水中即可得到甚纯的硝酸,不过工业一般用稀硝酸吸收二氧化氮。这样制得的硝酸浓度通常为68%。

製備純硝酸

製造純硝酸則是把濃硫酸硝酸鹽混合加熱,反應式為:

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,反应温度更高,硝酸会分解,影响产率。

人体影响

硝酸不论浓稀溶液都有氧化力和腐蚀力,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(硝酸和蛋白質接觸後,會引起黄蛋白反应而變性)。此外,濃硝酸需以深色玻璃瓶盛裝,避免受到光照反應釋出有毒NO2

与金属反应

一般的与活泼金属反应生成氢气

2HCl(水)+Zn(固) → ZnCl₂(水)+H₂(氣)

硝酸根(NO₃⁻)的氧化力氢离子(H⁺)强,硝酸与金属反应不会生成氢气。

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(固)+4HNO₃(水) → Zn(NO₃)₂(水)+2NO₂(氣)+2H₂O(液)

稀硝酸(约6mol/L)与金属反应,主要生成一氧化氮气体:

3Zn(固)+8HNO₃(水) → 3Zn(NO₃)₂(水)+2NO(氣)+4H₂O(液)

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。但硝酸、水、氮氧化物亚硝酸连二次硝酸等物质间的多對平衡,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。[來源請求]

工业用途

硝酸在工业和实验室都是很常用的酸。

作为硝酸盐和硝酸酯的必需原料,硝酸用来制取硝酸铵硝酸钾等一系列硝酸盐类氮肥;也用来制取三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油等硝酸酯类或含硝基的炸药

它同时是氧化劑,也用来精炼金属:先把不纯的金属氧化成硝酸盐,排除杂质后再还原。

参見

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