Взаимодействие металлов с азотной кислотой
Азотная кислота взаимодействует с металлами как сильный окислитель: металл отдаёт электроны, а азот в составе нитрат-иона восстанавливается. Главная задача в экзаменационных заданиях — определить продукт восстановления азотной кислоты по её концентрации и правильно уравнять ОВР.
Общая схема реакции
В реакциях с металлами азотная кислота обычно не выделяет водород, в отличие от неокисляющих кислот. Нитрат-ион принимает электроны и превращается в соединение азота с меньшей степенью окисления. Металл окисляется до катиона, а кислотный остаток образует нитрат металла.
ОВР — реакция, в которой изменяются степени окисления элементов: восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется, а окислитель принимает электроны и восстанавливается. В реакции металла с азотной кислотой металл является восстановителем, а азотная кислота — окислителем.
Продукт реакции зависит прежде всего от концентрации кислоты. Чем более разбавлена кислота, тем глубже обычно восстанавливается азот. Однако конкретный продукт может зависеть от металла, температуры и соотношения веществ.
| Условия | Основной продукт восстановления | Степень окисления азота |
|---|---|---|
| Концентрированная HNO₃ | NO₂ | +4 |
| Разбавленная HNO₃ | NO | +2 |
| Очень разбавленная HNO₃ с активными металлами | NH₄NO₃ (ион NH₄⁺) | −3 |
| Отдельные условия | N₂O или N₂ | +1 или 0 |
Продукты восстановления азотной кислоты
При взаимодействии большинства металлов с концентрированной азотной кислотой выделяется бурый газ диоксид азота NO₂. Азот изменяет степень окисления с +5 до +4 и принимает один электрон на атом азота.
При взаимодействии с разбавленной кислотой чаще образуется оксид азота(II) NO. Он почти бесцветен, но на воздухе быстро окисляется кислородом до бурого NO₂.
С очень разбавленной азотной кислотой активные металлы могут восстанавливать азот до аммоний-иона. В растворе он соединяется с нитрат-ионом, поэтому продукт записывают как аммиачную селитру NH₄NO₃.
Концентрированная HNO₃ обычно даёт NO₂, разбавленная — NO, очень разбавленная с активными металлами — NH₄NO₃. Водород при реакции металлов с азотной кислотой обычно не выделяется.
Какой продукт восстановления азотной кислоты наиболее вероятен при взаимодействии меди с концентрированной HNO₃?
Роль металла и исключения
Металлы, стоящие после водорода в ряду активности, например медь и серебро, реагируют с азотной кислотой, хотя не вытесняют водород из неокисляющих кислот. Это объясняется окислительными свойствами нитрат-иона в кислой среде.
В обеих реакциях медь окисляется от степени окисления 0 до +2. Отличается только число электронов, принимаемых азотом: при образовании NO₂ один атом азота принимает один электрон, а при образовании NO — три электрона.
Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, железо и хром: на поверхности образуется плотная защитная плёнка, поэтому при обычных условиях видимая реакция прекращается.
1. Записывать H₂ как продукт реакции металла с HNO₃. 2. Путать NO и NO₂: концентрация кислоты указана не случайно. 3. Забывать, что NO на воздухе превращается в NO₂. 4. Считать, что Al, Fe и Cr всегда реагируют с концентрированной HNO₃. 5. Уравнивать только атомы, но не проверять электронный баланс.
Как составлять уравнение по электронному балансу
Сначала определите степень окисления металла в соли, затем составьте полуреакции отдачи и принятия электронов. После этого расставьте коэффициенты перед веществами, а водород и кислород уравняйте с помощью воды и азотной кислоты.
Число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых окислителем. Коэффициенты подбирают так, чтобы суммарная отдача и суммарное принятие электронов совпадали.
Разберём реакцию меди с разбавленной азотной кислотой, если продукт восстановления — NO.
Итоговое уравнение: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O. Медь отдала 6e⁻, два атома азота приняли 6e⁻.
Подробный метод составления ОВР в кислой среде разобран на странице ОВР в кислой среде. Связь степеней окисления азота с другими его соединениями рассматривается в теме окислительно-восстановительных превращений соединений азота.
Признаки реакции и выводы для заданий
Для NO₂ характерен бурый цвет и резкий запах; газ токсичен. NO бесцветен, но при контакте с воздухом быстро становится бурым из-за образования NO₂. Раствор после реакции содержит нитрат металла, а при очень глубоком восстановлении азота — также нитрат аммония.
- Уточнить концентрацию HNO₃.
- Определить продукт восстановления азота.
- Найти степень окисления металла в соли.
- Составить электронный баланс.
- Уравнять H и O водой и проверить все атомы.
- Учесть пассивацию Al, Fe и Cr в концентрированной кислоте.
Для общего различения окислителя и восстановителя сначала повторите страницу об окислителе и восстановителе, а свойства самой кислоты систематизированы на странице об окислительных свойствах азотной кислоты.
Быстрая проверка
Главное
- Азотная кислота — окислитель, металл — восстановитель; водород обычно не выделяется.
- Концентрированная HNO₃ обычно восстанавливается до NO₂, разбавленная — до NO.
- Очень разбавленная кислота с активными металлами может образовывать NH₄NO₃.
- Уравнение составляют по электронному балансу: отданные и принятые электроны должны быть равны.
- Al, Fe и Cr пассивируются концентрированной азотной кислотой при обычных условиях.
- NO на воздухе окисляется до бурого NO₂.