Азотная кислота
Общие сведения
Азотная кислота является сильной неорганической одноосновной кислотой, в которой азот проявляет высшую степень окисления, равную плюс пяти. Исторически данное вещество впервые было получено в восьмом веке арабскими химиками с применением метода сухой перегонки селитры с квасцами и медным купоросом. В Средние века состав был широко известен и использовался в качестве растворителя. В семнадцатом веке Иоганн Глаубер впервые получил концентрированную азотную кислоту в результате реакции калийной селитры с концентрированной серной кислотой. В девятнадцатом веке в качестве сырья вместо калийной селитры стали применять натриевую, также известную как чилийская селитра. Историческое название азотной кислоты — крепкая водка. Смесь азотной и соляной кислот традиционно называется царской водкой, а смесь азотной и плавиковой кислот — императорской водкой. Вещество относится к третьему классу опасности. Пары кислоты крайне токсичны, выжигают дыхательные пути, а попадание жидкости на кожу приводит к образованию долго заживающих химических ожогов, сопровождающихся характерным желтым окрашиванием тканей из-за специфической реакции с белками. Для нейтрализации кислоты при попадании на кожу применяется обильное промывание водой и слабый раствор соды.
Свойства и характеристики
Чистая азотная кислота представляет собой жидкость, температура плавления которой составляет около минус сорока двух градусов Цельсия, а температура кипения достигает плюс восьмидесяти двух градусов Цельсия. Температура кристаллизации водных растворов зависит от концентрации вещества. При кристаллизации из водных растворов образуются кристаллогидраты. Твердая азотная кислота существует в двух кристаллических модификациях: ромбической и моноклинной, при этом моногидрат образует кристаллы ромбической сингонии. Плотность водных растворов находится в сложной линейной зависимости от концентрации кислоты. Концентрированная кислота активно выделяет ядовитые пары, из-за чего ее называют дымящейся. Вещество нестабильно на свету и при нагревании разлагается на воду и оксид азота, приобретая бурую окраску. По этой причине перегонка кислоты осуществляется исключительно при пониженном давлении. Азотная кислота не вступает в реакцию со стеклом, что позволяет использовать стеклянную тару для ее хранения. В химическом отношении соединение проявляет свойства сильного окислителя в любой концентрации, при этом азот может восстанавливаться от степени окисления плюс пять до минус трех. Кислота вступает во взаимодействие с подавляющим большинством металлов, за исключением благородных, таких как золото, платина, иридий, родий и тантал. Степень восстановления азота и характер продуктов реакции зависят от концентрации кислоты и активности металла в электрохимическом ряду напряжений. При реакции с неметаллами, например с серой или фосфором, образуются соответствующие кислоты и выделяются оксиды азота. Смесь концентрированных азотной и соляной кислот способна растворять золото и платину благодаря присутствию атомарного хлора. Соли азотной кислоты называются нитратами. При нагревании они разлагаются с выделением оксида азота, кислорода и воды, выступая сильными окислителями в твердом состоянии при высоких температурах.
Нахождение в природе
Соли азотной кислоты обладают исключительно высокой растворимостью в воде. Из-за повсеместного присутствия воды на планете минералы на основе нитратов практически не встречаются в природе в виде масштабных залежей. Исторически значимые скопления природных нитратов, служившие основным источником соединений азота, формировались только в регионах с сухим климатом. К таким месторождениям относились залежи чилийской селитры в Южной Америке и индийской селитры, которые в прошлом активно разрабатывались, в том числе для производства пороха. В современных условиях промышленная зависимость от природных месторождений селитры практически исчезла.
Получение
Современный промышленный способ производства азотной кислоты базируется на процессе Оствальда, который представляет собой каталитическое окисление синтетического аммиака. Аммиак окисляется на платино-родиевых катализаторах с образованием оксидов азота. Полученная смесь оксидов затем поглощается водой, что приводит к образованию азотной кислоты. Поскольку первичная концентрация получаемого продукта оказывается низкой, применяются специальные методы концентрирования. Для повышения концентрации реакции поглощения оксидов водой могут проводиться под давлением до пятидесяти атмосфер. Альтернативный способ заключается в добавлении серной кислоты к разбавленной азотной кислоте с последующим нагреванием. В результате азотная кислота испаряется, и ее необходимо быстро собрать для предотвращения разложения газообразной фазы. Исторически масштабное производство азотной кислоты могло осуществляться с использованием коксового газа. Подобный процесс был впервые реализован на территории Российской империи в Донецке в тысяча девятьсот семнадцатом году, где аммиак синтезировался из коксового газа угольных шахт, а затем перерабатывался в кислоту. Современные нитраты преимущественно производятся искусственным путем посредством воздействия азотной кислоты на металлы, неметаллы, оксиды, гидроксиды или карбонаты.
Применение
Азотная кислота и ее соли производятся химической промышленностью в огромных масштабах и транспортируются вагонами для обеспечения нужд смежных отраслей. Основным направлением использования нитратов является производство минеральных удобрений для сельского хозяйства. В военной промышленности азотная кислота применяется в качестве окислителя ракетного топлива, а также выступает критически важным компонентом для производства взрывчатых веществ и отравляющих химических соединений. В пищевой промышленности разбавленные растворы азотной кислоты используются для мытья и дезинфекции производственного оборудования благодаря способности эффективно уничтожать бактерии. В сфере органического синтеза вещество служит основой для получения нитроцеллюлозы, красителей, лекарственных препаратов, нитроглицерина и множества других азотсодержащих соединений. В редких случаях кислота находит применение в процессах фотографии и типографского дела. Кроме того, она является незаменимым сырьем при создании разнообразных продуктов бытовой и промышленной химии, где технологический процесс требует внедрения атомов азота в молекулярную структуру.