Lý thuyết Hóa học Lớp 11 - Axit Nitric

Axít nitric Axit nitric Thông tin chung Danh pháp IUPAC Axít nitric Tên khác Aqua fortis Spirit of nitre Salpetre acid công thức phân tử HNO3 SMILES O[N+](=O)[O-] Acidic Ion Concentration pH = -2 (1 N) Phân tử gam 63.01 g/mol Biểu hiện Chất lỏng trong, không màu Số CAS 7697-37-2 Đặc tính Tỷ trọng và phase 1.51 g/cm³ Độ hòa tan trong nước miscible Điểm nóng chảy -42 °C (231 K) Điểm sôi 83 °C (356 K) Độ axít (pKa) -2 Độ nhớt  ? cP at ? °C Cấu trúc Molecular shape trigonal planar Dipole moment  ? D Nguy hiểm MSDS MSDS ngoài Phân loại của EU Oxidant (O) Corrosive (C) NFPA 704 (≤40%) 0 0 0 NFPA 704 (> 40%) 0 0 0 NFPA 704 (bóc khói) 0 0 0 Các pha R R8, R35 các pha S (S1/2), S23, S26, S36, S45 Điểm bốc cháy không cháy Sô RTECS QU5775000 Trang dữ liệu bổ sung Cấu trúc và thuộc tính n, εr, etc. Dữ liệu nhiệt động học Các trạng thái rắn, lỏng, khí Dữ liệu quang phổ UV, IR, NMR, MS Các hợp chất liên quan Các hợp chất liên quan Axít nitrous Dinitrogen pentoxide Except where noted otherwise, data are given for materials in their standard state (at 25 °C, 100 kPa) Infobox disclaimer and references Axít nitric là một hợp chất hóa học có công thức hóa học (HNO3), là một dung dịch nitrat hiđrô (axít nitric khan). Trong tự nhiên, axít nitric hinh thành trong những cơn mưa giông kèm sấm chớp và hiện nay chúng là một trong những tác nhân gây ra mưa axít. Nó là một chất axít độc và ăn mòn có thể dễ gây cháy. Axit nitric tinh khiết không màu sắc còn nếu để lâu sẽ có màu hơi vàng do sự tích tụ của các ôxít nitơ. Nếu một dung dịch có hơn 86% axít nitric, nó được gọi là axít nitric bốc khói. Axít nitric bốc khói có đặc trưng axít nitric bốc khói trắng và axít nitric bốc khói đỏ, tùy thuộc vào số lượng điôxít nitơ hiện diện. Lý tính Axít nitric khan tinh khiết (100%) là một chất lỏng với tỷ trọng khoảng 1522 kg/m3 đông đặc ở nhiệt độ -42 °C tạo thành các tinh thể trắng, sôi ở nhiệt độ 83 °C. Khi sôi trong ánh sáng, kể cả tại nhiệt độ trong phòng, sẽ xảy ra một sự phân hủy một phần với sự tạo ra nitơ điôxít theo phản ứng sau: 4HNO3 → 2H2O + 4NO2 + O2 (72 °C) điều này có nghĩa axít nitric khan nên được cất chứa ở nhiệt độ dưới 0 °C để tránh bị phân hủy. Chất nitơ điôxít (NO2) vẫn hòa tan trong axít nitric tạo cho nó có màu vàng, hoặc đỏ ở nhiệt độ cao hơn. Trong khi axít tinh khiết có xu hướng bốc khói trắng khi để ra không khí, axít với điôxít nitơ bốc khói hơi có màu nâu hơi đỏ cho nên mới có tên axít bốc khói trắng và axít bốc khói đỏ như nêu trên. [cần dẫn nguồn] Axít nitric có thể pha trộn với nước với bất kỳ tỷ lệ nào và khi chưng cất tạo ra một azeotrope một nồng độ 68% HNO3 và có nhiệt độ sôi ở 120,5 °C tại áp suất 1 atm. Có hai chất hydrat được biết đến; monohydrat (HNO3·H2O) và trihydrat (HNO3·3H2O). Ôxít nitơ (NOx) tan được trong axít nitric và đặc điểm này ảnh hưởng ít nhiều đến tất cả các đặc trưng lý tính phụ thuộc vào nồng độ của các ôxít này, chủ yếu bao gồm áp suất hơi trên chất lỏng và nhiệt độ sôi cũng như màu sắc được đề cập ở trên. Axít nitric bị phân hủy khi có nhiệt độ cao hoặc ánh sáng với nồng độ tăng lên mà điều này có thể làm tăng lên sự biến đổi tương đối áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng do các ôxít nitơ tạo ra một phần hoặc toàn bộ trong axít. Hóa tính Axít nitric là một monoaxít mạnh, một chất ôxi hóa mạnh có thể nitrat hóa nhiều hợp chất vô cơ và là một axít monoproton vì chỉ có một sự phân ly. Các tính chất axít Là một axít điển hình, axít nitric phản ứng với chất kiềm, ôxít bazơ và cacbonat để tạo thành các muối, trong số đó quan trọng nhất là muốis amoni nitrat. Do tính chất ôxi hóa của nó, axít nitric không (ngoại trừ một số ngoại lệ) giải phóng hiđrô khi phản ứng với kim loại và tạo ra các muối thường có trạng thái ôxi hóa cao hơn. Vì lý do này, tình trạng ăn mòn nặng có thể xảy ra và cần phải bảo vệ thích hợp bằng cách sử dụng các kim loại hoặc hợp kim chống ăn mòn khi chứa axít này. Axít nitric là một axít mạnh với một hắng số cân bằng axít (pKa) = −2: trong dung dịch nước, nó hoàn toàn điện ly thành các ion nitrat NO3− và một proton hydrat, hay còn gọi là ion hiđrôni, H3O+. HNO3 + H2O → H3O+ + NO3- Các đặc tính ôxi hóa Phản ứng với kim loại Là một chất ôxi hóa mạnh, axít nitric phản ứng mãnh liệt với nhiều chất hữu cơ và phản ứng có thể gây nổ. Tùy thuộc vào nồng độ axít, nhiệt độ và tác nhân gây giảm liên quan, sản phẩm tạo ra cuối cùng có thể gồm nhiều loại. Phản ứng xảy ra với tất cả kim loại, ngoại trừ dãy kim loại quý và một số hợp kim. Trong phần lớn các trường hợp, các phản ứng ôxi hóa chủ yếu với axít đặc thường tạo ra điôxít nitơ (NO2). Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O Tính chất axít thể hiện rõ đối với axít loãng, đi đôi với việc tạo ra ôxít nitơ (NO). 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O Do axít nitric là một chất ôxi hóa, hiđrô (H) thường hiếm khi được tạo ra. Cho nên khi kim loại phản ứng với axít nitric loãng và lạnh ( gần 0°C ) thì mới giải phóng hiđrô: Mg(rắn) + 2HNO3 (lỏng) → Mg(NO3)2 (lỏng) + H2 (khí) Sự thụ động hóa Dù Crôm (Cr), sắt (Fe) và nhôm (Al) dễ hòa tan trong dung dịch axít nitric loãng, nhưng đối với axít đặc nguội lại tạo một lớp ôxít kim loại bảo vệ chúng khỏi bị ôxi hóa thêm, hiện tượng này gọ là sự thụ động hóa. Phản ứng với phi kim Khi phản ứng với các nguyên tố á kim, ngoại trừ silic và halogen, các nguyên tố này thường bị ôxi hóa đến trạng thái ôxi hóa cao nhất và tạo ra điôxít nitơ đối với axít đặc và ôxít nitơ đối với axít loãng. C + 4HNO3 → CO2 + 4NO2 + 2H2O hoặc 3C + 4HNO3 → 3CO2 + 4NO + 2H2O Tổng hợp và sản xuất axit nitric Axit nitric được tạo ra bằng cách pha trộn điôxit nitơ (NO2) với nước với sự có mặt của ôxi hay sử dụng không khí để ôxi hóa axít nitrơ cũng tạo ra axit nitric. Axit nitric loãng có thể cô đặc đến 68% axit với một hỗn hợp azeotropic với 32% nước. Việc cô đặc hơn được thực hiện bằng cách chưng cất với axit sulfuric với vai trò là chất khử nước. Trong quy mô phòng thí nghiệm, cách chưng cất như thế phải được tiến hành bằng dụng cụ thủy tinh với áp suất thấp để tránh phân hủy axit này. Các mối nối bằng thủy tinh và nút bần cũng nên tránh dùng do axit nitric tấn công các chất này. Dung dịch axit nitric cấp thương mại thường có nồng độ giữa 52% và 68% axit nitric. Việc sản xuất axit nitric được thực hiện bằng công nghệ Ostwald do Wilhelm Ostwald phát minh. Trong phòng thí nghiệm, axit nitric có thể điều chế bằng cách cho nitrat đồng (II) hoặc cho phản ứng những khối lượng bằng nhau nitrat kali (KNO3) vơi axit sulfuric (H2SO4) 96%, và chưng cất hỗn hợp này tại nhiệt độ sôi của axit nitric là 83 °C cho đến khi còn lại chất kết tinh màu trắng, potassium hydrogen sulfate (KHSO4), còn lưu lại trong bình. Axit nitric bốc khói đỏ thu được có thể chuyển thành axit nitric màu trắng. Cần lưu ý khi thí nghiệm thì phải dùng các trang thiết bị bằng thủy tinh, hay nhất là bình cổ cong nguyên khối do axit nitric khan tấn công cả nút bần, cáou và da và sự rò rỉ có thể cực kỳ nguy hiểm. H2SO4 + KNO3 → KHSO4 + HNO3 Chất NOx hòa tan được loại bỏ bằng cách sử dụng áp suất giảm tại nhiệt độ phòng (10-30 phút với áp suất 200 mmHg hay 27 kPa). Axit nitric bốc khói trắng thu được có tỷ trọng 1.51 g/cm³. Quy trình này cũng được thực hiện dưới áp suất và nhiệt độ giảm trong một bước để tạo ra ít khí điôxit nitơ hơn. axit này cũng có thể được tổng hợp bằng cách ôxi hóa ammoniac, nhưng sản phẩm bị pha loãng bởi nước do phản ứng tạo ra. Tuy nhiên, phương pháp tổng hợp này quan trọng trong việc sản xuất nitrat ammoni từ amôniăc theo công nghệ Haber, do sản phẩm cuối cùng có thể sản xuất từ nitơ, hyđrô và ôxi là nguyên liệu đầu vào chính. Axit nitric bốc khói trắng, cũng gọi là axit nitric 100% hay WFNA, rất gần giống với sản phẩm axit nitric khan. Một đặc tính kỹ thuật của axit nitric bốc khói trắng là nó có tối đa 2% nước và tối đa 0,5% NO2 hòa tan. Axit nitric bốc khói đỏ hay RFNA, chứa một lượng điôxit nitơ (NO2) đáng kể thoát khỏi dung dịch với màu nâu đỏ. Một công thức của RFNA thể hiện ít nhất 17% NO2, nhóm khác là 13% NO2. Trong trường hợp, axit nitric bị ức chế bốc khói (hoặc IWFNA, hoặc IRFNA) có thể làm tăng khi cho thêm thêm khoảng 0,6 đến 0,7% hiđro florit, HF. Chất florit này được bổ sung vào để chống ăn mòn trong các bồn chứa kim loại (chất florit tạo ra một lớp florit kim loại bảo vệ kim loại đó). Sử dụng Nitric acid trong phòng thí nghiệm. Thường được dùng làm thuốc thử trong phòng thí nghiệm, axit nitric được sử dụng để sản xuất thuốc nổ bao gồm nitroglycerin, trinitrotoluen (TNT) và cyclotrimethylenetrinitramin (RDX), cũng như phân bón (như phân đạm một lá nitrat amoni). Axit nitric cũng được sử dụng trong phòng thí nghiệm trường học để tiến hành các thí nghiệm liên quan đến việc thử clorit. Cho axit nitric tác dụng với mẫu thử, sau đó cho dung dịch bạc nitrat vào để tìm kết tủa trắng của bạc clorua. Trong kỹ thuật ICP-MS và ICP-AES, axit nitric (với nồng độ từ 0,5% đến 2,0%) được sử dụng như một hợp chất nền để xác định dấu vết kim loại trong các dung dịch. Trong kỹ thuật này cần phải dùng axit nitric cực tinh khiết vì một số lượng ion kim loại nhỏ có thể gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Axít này còn được sử dụng trong ngành luyện kim và tinh lọc vì nó phản ứng với phần lớn kim loại và trong các tổng hợp chất hữu cơ. Khi kết hợp với axít clohyđric, nó tạo thành nước cường toan, một trong những chất phản ứng có thể hòa tan vàng và bạch kim (platinum). Một trong những ứng dụng cho IWFNA là một chất ôxi hóa trong nhiên liệu lỏng tên lửa. Ngoài ra, axit nitric còn được dùng làm chất thử màu (colorometric test) để phân biệt heroin và morphine. Nguy hiểm Axít Nitric là một chất ôxi hóa mạnh, và các phản ứng của axít nitric với các hợp chất như cyanit, carbit, và bột kim loại có thể gây nổ. Các phản ứng của axít nitric với nhiều hợp chất vô cơ như turpentine, rất mãnh liệt và tự bốc cháy. Axít đặc làm cho màu da người chuyển qua màu vàng do phản ứng với chất protein keratin. Vết màu vàng này sẽ chuyển thành màu cam khi được trung hòa .