Отримання азотної кислоти

Тема: Основні метали і неметали

1. Електронна будова атома азоту

Хімічний елемент азот розташований у другому періоді 5 групи, головною підгрупи. Електронна конфігурація атома азоту - 1s 2 2s 2 2p 3. На валентном енергетичному рівні атома азоту немає вакантних орбіталей. Отже, електронна пара 2s-підрівні не може бути розпарені. Див. Рис. 1. Тому азот не може бути 5-ти валентним. Максимальна валентність азоту в сполуках дорівнює 4. При цьому 3 зв'язку утворюються за обмінним механізмом, а одна - по донорно-акцепторного. Азот виявляє ступеня окислення від -3 до +5.

Приклади речовин з різним ступенем окислення см. Рис. 2.

2. Азот - проста речовина

Для азоту нехарактерна аллотропия. Він утворює одне просте речовина, N2. Це молекулярне речовина, з ковалентним неполярной зв'язком. Зв'язок утворена за допомогою трьох загальних електронних пар, потрійний зв'язок - одна сигма і 2 пі-зв'язку. Потрійна зв'язок дуже міцна. Це зумовлює низьку реакційно здатність молекулярного азоту.

Азот - це газ без кольору і запаху, погано розчинний у воді, трохи легший за повітря. Азот вступає в реакцію з деякими речовинами, але умови проведення реакцій дуже жорсткі (високі температура і тиск, використання каталізатора). У звичайних умовах азот взаємодіє тільки з літієм, утворюючи нітрид літію.

6Li + N2 = 2Li3 N, гідролізом якого можна отримати аміак.

Під дією електричного розряду азот здатний окислюватися

N2 + H2 # 8644; 2NH3 (t = 500 0 С, Р = 1000 атм, каталізатор Fe).

У промисловості азот одержують перегонкою рідкого повітря. Так як рідкий азот має температуру кипіння. = -196 0 С, то його використовують в якості охолоджуючого засобу для різних цілей.

У лабораторії азот одержують з нітриту амонію.

Азот застосовується для створення інертної атмосфери в деяких реакціях.

3. Отримання і властивості аміаку

У молекулі аміаку атом азоту знаходиться в sp 3-гібридизації. За допомогою гібридних орбіталей утворюється зв'язок з атомами водню. Див. Мал. 3.Четвертая гібридна орбіталь зайнята неподіленої парою. Оскільки поняття просторової конфігурації молекул враховує розподіл атомів в просторі і не враховує розподіл неподілених електронних пар, то просторова конфігурація молекули азоту - це трігональная піраміда з валентним кутом 107 0. Він відрізняється від тетраедричного кута 109 0. Це відбувається внаслідок відштовхування електронів, що зв'язують електронні пари , від неподіленої електронної пари атома азоту.

Аміак - це безбарвний газ, що володіє різким запахом. Він легший за повітря і дуже добре розчинний у воді. В одному об'ємі води може розчинитися до 700 об'ємів аміаку. Розведений водний розчин аміаку з концентрацією від 3% до 10% називається нашатирним спиртом. Не плутайте з нашатирем. Нашатир - це хлорид амонію NH4 Cl. Концентрований розчин аміаку з концентрацією від 18% до 20% називають аміачною водою. Аміак можна застосовувати в якості холодоагенту в холодильних установках.

У промисловості аміак отримують з азоту і водню. (Синтез Габера - Боша)

N2 + H2 # 8644; 2NH3 + Q (t = 500 0 С, Р = 1000 атм, каталізатор Fe).

Сировиною є азот, отриманий перегонкою рідкого повітря і водень, який отримують розкладанням природного газу.

У лабораторії аміак отримують з солей амонію.

NH4 NO3 + NaOH NH3 ↑ + H2 O + NaNO3. Ця реакція є якісною на іон амонію. Її ознака - це поява запаху аміаку.

Хімічні властивості аміаку

Аміак має тільки відновні властивості, т. К. Азот знаходиться в своїй нижчого ступеня окислення -3.

1. Горіння аміаку

2. Каталітичне окислення аміаку

3. Відновлення металів з їх оксидів

4. Виявляє основні властивості. Водні розчини аміаку мають лужну реакцію. Взаємодіє з кислотами.

Оскільки в молекулі аміаку є неподіленої електронної пари, він може утворювати зв'язок по донорно-акцепторного механізму. Завдяки цьому аміак здатний реагувати з кислотами, утворюючи солі амонію.

NH3 + HCl = NH4 Cl (хлорид амонію)

Особливість солей амонію в тому, що вони легко розкладаються при нагріванні.

4. Отримання і хімічні властивості азотної кислоти

В азотній кислоті ступінь окислення азоту дорівнює N +5 -. HN +5 O3

При звичайних умовах азотна кислота - це безбарвна рідина, в півтора рази важча за воду. Це сильна одноосновная кислота, яка виявляє типові для кислот властивості.

Окисні властивості азотної кислоти

Азотна кислота є дуже сильним окислювачем за рахунок азоту N +5.

1. При взаємодії азотної кислоти з металами утворюється нітрат металу, продукт відновлення азоту і вода. Як продуктів відновлення можуть бути оксиди азоту (N2 O, NO, NO2), азот N2. нітрат амонію NH4 NO3. Глибина відновлення азоту в таких реакціях залежить від концентрації кислоти, від активності металу, від температури. Зниження температури сприяє більш глибокому відновленню азоту. Водень в реакціях кислоти з металами не виділяється тому, що азотна кислота проявляє свої окисні властивості не за рахунок Н +. а за рахунок N +5.

З азотною кислотою будь-якої концентрації не реагують благородні метали, а з концентрованою (не реагують алюміній, хром і залізо через пасивації.

Схема взаємодії азотної кислоти з металами. Див. Рис. 4.

2. Азотна кислота взаємодіє з неметалами. здатними виявляти відновні властивості.

При довгому зберіганні, на світлі або при нагріванні азотна кислота може розкладатися.

Отримання азотної кислоти

У лабораторії азотну кислоту отримують нагріванням кристалічних нітратів калію або натрію з концентрованою сірчаною кислотою.

Промислове отримання азотної кислоти.

Сировиною для отримання азотної кислоти є азот.

I стадія: N2 + H2 # 8644; 2NH3 + Q (t = 500 0 С, Р = 1000 атм, каталізатор Fe).

Азотна кислота є однією з найважливіших неорганічних кислот, її використовують для одержання добрив, при нитровании органічних сполук. Продуктами нітрування може бути нітробензол. Продуктом відновлення нітробензолу є анілін, з якого отримують барвники. При нитровании органічних сполук отримують тринітрофенол, тринітротолуол або трінітрогліцерін. Це вибухові речовини.

Нітрати - це солі азотної кислоти. Вони володіють іонним типом кристалічної решітки. Це тверді кристалічні речовини, добре розчинні у воді, температура плавлення у нітратів порівняно низька. Вони можуть бути пофарбовані, але тільки за рахунок катіонів відповідного металу. Важливою особливістю хімічних властивостей нітратів є їхня здатність розкладатися при нагріванні.