Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 21. Особливості взаємодії нітратної і концентрованої сульфатної кислот з металами

Виконуючи досліди в шкільному кабінеті хімії, ви користуєтесь розбавленими розчинами кислот (w < 30 %). У вас була можливість переконатися, що розбавлені розчини нітратної й сульфатної кислот взаємодіють з основними й амфотерними оксидами, основами, амфотерними гідроксидами та солями так само, як й інші кислоти. Проте взаємодія нітратної кислоти різних концентрацій і концентрованої сульфатної кислоти з металами відрізняється від загальних властивостей кислот. По-перше, вони взаємодіють як з металами, розташованими в ряді активності до водню, так і з деякими, розташованими після нього. По-друге, серед продуктів реакції немає водню. Про все це ви дізнаєтесь у цьому параграфі, але спершу ознайомтеся з фізичними властивостями нітратної й сульфатної кислот.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НІТРАТНОЇ Й СУЛЬФАТНОЇ КИСЛОТ. Стійкою у зберіганні є концентрована нітратна кислота HNO3 з масовою часткою розчиненої речовини 60-68 %. Нітратна кислота — безбарвна рідина з різким характерним запахом. Перебуваючи під сонячними променями, набуває бурого кольору внаслідок розкладу з виділенням нітроген(IV) оксиду. У разі потрапляння на шкіру вона зумовлює опіки, утворення жовтих плям (пригадайте кольорові реакції на білки). Під час проведення реакцій з нітратною кислотою потрібно бути дуже обережними.

Безводна сульфатна кислота H2SO4 — важка оліїста рідина, безбарвна, без запаху. Ця дуже гігроскопічна речовина роз'їдає папір і тканини, спричинює опіки шкіри. Працювати із сульфатною кислотою будь-якої концентрації потрібно обережно. Ви вже знаєте, що внаслідок розчинення сульфатної кислоти у воді розчин нагрівається настільки, що може закипіти. Це є дуже небезпечним. Тому під час виготовлення розчину для більш рівномірного змішування кислоти з водою її невеликими порціями ллють у воду, а не навпаки і весь час перемішують. Знайдіть пояснення цьому, порівнявши густину води й кислоти.

Пригадайте фізико-хімічну суть розчинення речовин у воді та поясніть причину розігрівання розчину сульфатної кислоти під час його приготування з кислоти і води.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НІТРАТНОЇ КИСЛОТИ. Нітратна кислота — сильний електроліт, у воді повністю дисоціює на йони, тому реакції з її участю в розчинах відбуваються швидко. Окрім цього, вона сильний окисник. У реакціях з металами її окиснювальна дія пов'язана зі зміною ступеня окиснення Нітрогену, водень не виділяється, а окиснюється з утворенням води.

У кислоті Нітроген має максимальний ступінь окиснення, що дорівнює +5. У реакціях нітратної кислоти з металами атоми Нітрогену приєднують електрони, тобто виконують функцію окисника, а самі відновлюються. Величина ступеня окиснення Нітрогену у продукті реакції залежить від концентрації кислоти, активності металу, температури. Що менша концентрація кислоти і що активніший метал, то більше Нітроген відновлюється.

Під час взаємодії нітратної кислоти з металами серед продуктів реакції буде один із зазначених газоподібних нітрогеновмісних продуктів відновлення Нітрогену.

Крім нітрогеновмісного продукту відновлення нітратної кислоти утворюється сіль (нітрат) і вода.

Реагенти і продукти взаємодії нітратної кислоти з металами відображено на схемі.

Концентрована нітратна кислота під час нагрівання взаємодіє з більшістю металів, крім найбільш хімічно інертних металів (їх ще називають металами платинової групи) — золота, платини, родію та деяких інших. На холоді частина металів, зокрема залізо, хром, алюміній, не взаємодіють з концентрованою нітратною кислотою, тому що на їхній поверхні утворюється захисна плівка з оксидів.

Малоактивні метали — мідь, срібло, ртуть, паладій та інші — взаємодіють з безводною і концентрованою нітратною кислотою з утворенням нітроген(IV) оксиду NO2, наприклад:

Електронний баланс цієї реакції такий:

Ці самі метали з розбавленою нітратною кислотою (реакцію прискорює нагрівання) утворюють нітроген(ІІ) оксид NO:

Напишемо електронний баланс цієї реакції й порівняємо його з попереднім:

Як бачимо, в обох випадках Нітроген, а отже і нітратна кислота, до складу якої він входить, є окисниками.

На відміну від малоактивних металів, хімічно активні метали, наприклад кальцій, залізо, цинк, реагують з утворенням різних нітрогеновмісних продуктів відновлення нітратної кислоти. Усе буде залежати від концентрації кислоти й температури.

Розглянемо приклади.

Mg + HNO3 (конц.) → Mg(NO3)2 + NO2↑ + H2O

Mg + HNO3 (розб.) → Mg(NO3)2 + N2О↑ + H2O

Mg + HNO3 (дуже розб.) → Mg(NO3)2 + NH3↑ + H2O

Zn + HNO3 (розб.) → Zn(NO3)2 + NO↑ + H2O

Zn + HNO3 (дуже розб.) → Zn(NO3)2 + N2↑ + H2O

Примітка. Якщо кислота взаємодіє з металом, утворюючи амоніак, і взята з надлишком, то кінцевим продуктом реакції будуть вода і дві солі — нітрат металічного елемента й амоній нітрат:

Mg + HNO3 (дуже розб.) → Mg(NO3)2 + NH4NO3↑ + H2O

Попрацюйте групами

До розглянутих прикладів доберіть коефіцієнти методом електронного балансу, укажіть процеси окиснення й відновлення.

Виділення в реакціях металів з нітратною кислотою різної концентрації не водню, а одного із продуктів відновлення Нітрогену, свідчить про особливі окиснювальні властивості цієї речовини.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОНЦЕНТРОВАНОЇ СУЛЬФАТНОЇ КИСЛОТИ. Розбавлена сульфатна кислота не взаємодіє з міддю, цим вона виявляє загальну властивість кислот відносно металів, що розташовані в ряді активності праворуч від водню. На відміну від розбавленої, концентрована сульфатна кислота є сильним окисником і взаємодіє з ними.

Унаслідок взаємодії концентрованої сульфатної кислоти з металами утворюється сіль сульфатної кислоти (сульфат), вода й один із продуктів відновлення Сульфуру (мал. 46).

Мал. 46. Схема взаємодії концентрованої сульфатної кислоти з металами

У взаємодії концентрованої сульфатної кислоти з міддю переконує такий дослід. У концентровану сульфатну кислоту вносять мідні стружки. Через деякий час (реакцію можна прискорити нагріванням) розчин у пробірці набуває блакитного забарвлення, а простір над розчином заповнюється безбарвним газом сульфур(IV) оксидом.

Зверніть увагу: Через шкідливість сульфур(IV) оксиду цю реакцію проводять у витяжній шафі.

Розглянемо окисно-відновні процеси в цій реакції.

Відбулася зміна ступенів окиснення Купруму й Сульфуру. На підставі цього напишемо електронний баланс, установимо коефіцієнти за кількістю відданих і приєднаних електронів, укажемо процеси окиснення і відновлення, окисника і відновника.

Взаємодія розбавленої сульфатної кислоти з металами, розташованими в ряді активності ліворуч від водню, теж є окисно-відновним процесом, проте в ньому відновлюється Гідроген, а не Сульфур, ступінь окиснення якого залишається без змін.

Mg + H2SO4 (розб.) = MgSO4 + H2

Складіть самостійно електронний баланс цієї реакції.

Нітратна кислота й концентрована сульфатна кислота — сильні окисники. Під час їхньої взаємодії з металами утворюється три продукти: сіль, вода й продукт відновлення кислоти.

Біографічна довідка

Нітратна й сульфатна кислоти широко використовуються у промисловості, виробництві добрив, тканин тощо. В удосконалення технології їхнього виробництва зробили внесок вітчизняні вчені І. Є. Ададуров і В. І. Атрощенко.

Іван Євграфович Ададуров (1879-1938) — удосконалив технологію виробництва сульфатної та нітратної кислот, а також технологію приготування каталізаторів для процесів окиснення сульфур(ІV) оксиду й амоніаку. За його участі з'явилися цехи контактного виробництва сульфатної кислоти, цинкових білил, натрій сульфіту на Костянтинівському хімічному заводі. Багато зусиль учений доклав до підготовки висококваліфікованих фахівців для хімічної промисловості. У 1928-1933 рр. І. Є. Ададуров завідував кафедрою основної хімічної технології Одеського хіміко-технологічного інституту. У 1933-1938 рр. працював завідувачем кафедри технології неорганічних речовин Харківського хіміко-технологічного інституту. Водночас він читав курс каталізу в Харківському університеті.

Василь Іванович Атрощенко (1906-1991) удосконалив технологію виробництва нітратної кислоти з азоту повітря, досліджував окиснення амоніаку контактним методом, що є однією зі стадій у виробництві нітратної кислоти, вивчав адсорбцію оксидів Нітрогену, конструював адсорбційні апарати.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Схарактеризуйте фізичні властивості нітратної та сульфатної кислот. Яких засобів безпеки слід дотримуватися під час роботи з ними?
  • 2. У чому полягають особливості хімічних властивостей нітратної кислоти?
  • 3. Назвіть можливі продукти відновлення Нітрогену в реакціях нітратної кислоти з металами та Сульфуру в реакціях концентрованої сульфатної кислоти з металами.
  • 4. Чим відрізняються взаємодії з металами концентрованої й розбавленої сульфатної кислоти?

Застосовуємо

  • 1. Складіть план дослідження з розпізнавання концентрованої й розбавленої сульфатної кислоти. Спрогнозуйте очікувані результати.
  • 2. Укажіть правильне твердження щодо нітратної кислоти.

А Нітроген у її молекулі має ступінь окиснення -3

Б добре розчиняється у воді

В сильний окисник

Г не взаємодіє з міддю

  • 3. Укажіть назви речовин, з якими реагує концентрована сульфатна кислота.

А водень

Б барій хлорид

В мідь

Г кисень

  • 4. Укажіть правильне твердження.

А концентрована нітратна кислота взаємодіє з цинком з виділенням нітроген(ІІ) оксиду

Б у реакції дуже розбавленої нітратної кислоти з магнієм ступінь окиснення Нітрогену змінюється від +5 до -3

В нітратна й сульфатна кислоти погано розчиняються у воді

Г концентрована сульфатна кислота реагує з металами з виділенням водню

  • 5. Укажіть схему, у якій атом Нітрогену приєднує 5 електронів.

А NO-3 → NH3

Б N2 → NO

В NO → NO2

Г NO-3 → N2

  • 6. Використовуючи метод електронного балансу, перетворіть схему в рівняння реакції, розгляньте окисно-відновні процеси.

Zn + H2SO4 (конц.) → А + Б + SO2

  • 7. Обчисліть, чи вистачить міді масою 32 г для одержання купрум(II) нітрату, якщо для реакції використати концентровану нітратну кислоту масою 600 г з масовою часткою розчиненої речовини 50 %.