硝酸

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硝酸
IUPAC名
Nitric acid
別名 硝鏹水
識別
CAS號 7697-37-2
SMILES
RTECS QU5775000
性質
化學式 HNO3
摩爾質量 63.012 g·mol⁻¹
外觀 無色清澈液體
密度 1.51 g/cm³
熔點 -42 °C(231 K)
沸點 83 °C(356 K)(純酸)
(68%aq沸點120.5 °C)
溶解性 混溶
偶極矩 2.17±0.02D
危險性
歐盟危險性符號
氧化性氧化性 O
腐蝕性腐蝕性 C
警示術語 R:R8-R35
安全術語 S:S1/2-S23-S26-S36-S45
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
4
0
OX
閃點 可燃
相關物質
相關化學品 亞硝酸
五氧化二氮
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

硝酸(分子式:HNO3)是一種強,其水溶液俗稱硝鏹水鏹水。純硝酸為無色液體,沸點83℃,在-42℃時凝結為無色晶體,與水混溶,有強氧化性和腐蝕性。其不同濃度水溶液性質有別,市售濃硝酸為恆沸溶液,溶質質量分數為69.2%,大氣壓下沸點為121.6℃,密度為1.42g·cm-3,約16mol·L-1,溶質質量分數足夠大(市售濃度最高為98%以上)的,稱為發煙硝酸,硝酸是一種重要的化工原料。

硝酸的酸酐五氧化二氮N2O5)。

歷史[編輯]

硝酸和硫酸一樣由公元8世紀阿拉伯煉金術阿布·穆薩·賈比爾·伊本·哈揚(Jabir ibn Hayyan)在乾餾綠礬硝石混合物時發現,也是一種化肥。[1]

自然存在[編輯]

雷雨時能產生少量的硝酸。打雷時放出的能量讓空氣中的N2和O2發生反應,產生NO

N2 + O2 → 2NO
2NO + O2 → 2NO2
N2 + 2O2 → 2NO2

NO2和水反應產生硝酸和一氧化氮:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

有些海鞘Ciona intestinalis)也能分泌硝酸禦敵[2]

結構[編輯]

硝酸是平面分子,其中心原子N原子為sp2雜化。由於羥基上的氫原子與另外一個氧原子形成了氫鍵,分子才呈平面結構,而且N的三根鍵長都不相同。N原子垂直於分子平面的一個p軌道是滿的,它與未連接H的兩個氧原子上的p軌道共軛,形成 \Pi_3^4 大Π鍵。分子內氫鍵也是硝酸沸點較低的原因。

硝酸去掉一個氫原子的結構是硝酸根,一般帶一個負電荷(硝酸根離子)。硝酸根具有對稱的平面等邊三角形結構,4個原子形成大 \Pi_4^6 鍵,多出來的1個電子在離域Π鍵裡。[來源請求]

硝酸去掉一個羥基的結構是硝基-NO2。硝基的正離子叫硝醯正離子

物理性質[編輯]

純硝酸為無色、容易揮發的液體,沸點約為83 °C,凝固點約為-42 °C,密度為1.51g/ml。可以與水以任意比混溶。濃硝酸因溶有NO2而顯棕紅色,也會揮發出棕紅色的NO2。一般的濃硝酸指的是16mol/L的HNO3水溶液,密度為1.42g/ml。

化學性質[編輯]

純硝酸可以發生自偶電離:2HNO3<==>H2O+NO2++NO3-

硝酸作為氮的最高價(+5)水化物,具有很強的酸性,一般情況下認為硝酸的水溶液是完全電離的。硝酸可以與發生酯化反應,如硝化甘油的製備。(實際上我們會使用濃硫酸,產生大量NO2+),成本較低而且較容易處理,與其他更強的脫水劑,例如P4O10,也可以產生大量的硝醯陽離子,這是硝化反應能進行的本質。

HNO3 + H2O → H3O+ + NO3- (水中)
HO-NO2 + 2H2SO4 → NO2+ + 2HSO4- + H3O+ (濃硫酸中)

硝酸的水溶液無論濃稀均具強氧化性腐蝕性,溶液越濃其氧化性越強。硝酸在光照條件下分解成水、NO2和O2,方程式如下:

4HNO3 → 4NO2 + O2 + 2H2O

因此硝酸一定要盛放在棕色瓶中,並置於陰涼處保存。硝酸能溶解許多種金屬(可以溶解),生成、水、氮氧化物。隨著溶液濃度的減小,其還原產物逐漸由高價向低價過渡,從最濃到最稀可生成NO2、NO、N2O、N2、NH4NO3。還原產物一般是混合物,金屬與濃硝酸反應多生成NO2,與稀硝酸反應下生成如NO等較低價化合物。

等金屬遇冷的濃硝酸可以發生鈍化現象,只在表面形成一層緻密的氧化膜,不會完全反應掉。

濃硝酸和濃鹽酸的物質的量按1:3混合,即為王水,能溶解等穩定金屬。

硝酸鹽大多易熱分解,生成氧氣氮氧化物、金屬氧化物(也可能生成亞硝酸鹽等)。

硝酸銨中的硝酸根與銨根,平均能量大於有其平均價數之一氧化二氮,在固態時發生均化反應(因為動力學原因,在溶液內不發生)(NH4NO3)即加熱或撞擊分解生成一氧化二氮,一般使用現代合成炸藥引爆,威力與TNT相去不遠,但成本極低。因此被用於國防工業及工程上而被譽為國防工業之母(主要製造硝基含能化合物(現代合成炸藥)。硝酸鉀就是黑火藥的成分之一)。

製備[編輯]

工業上用二氧化氮混合製備硝酸:奧士華法

  1. 4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g)(催化)(ΔH = −905.2 kJ)
  2. 2 NO(g) + O2(g) → 2 NO2(g) (ΔH = −114 kJ/mol)
  3. 3 NO2(g) + H2O(l) → 2 HNO3(aq) + NO(g) (ΔH = −117 kJ/mol)
  • 總式:NH3(g) + 2 O2(g) → 2 NO(g) + 2 HNO3(g)(催化)

反覆把生成的氣體通入水中,即可得到較純的硝酸。其原料二氧化氮是由氧化而得,因此硝酸工業製氨工業密不可分。

工業用途[編輯]

硝酸是在工業上和實驗室中都很常用的一種酸。

作為硝酸鹽和硝酸酯的必需原料,硝酸被用來製取一系列硝酸鹽類氮肥,如硝酸銨硝酸鉀等;也用來製取硝酸酯類或含硝基的炸藥,如三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油

由於它同時具有氧化性酸性,硝酸也被用來精鍊金屬:即先把不純的金屬氧化成硝酸鹽,排除雜質後再還原。

人體影響[編輯]

硝酸不論濃稀溶液都有氧化性和腐蝕性,因此對人很危險,僅濺到皮膚上也會引起嚴重燒傷。皮膚接觸硝酸後會慢慢變黃,最後變黃的表皮會起皮脫落(硝酸和蛋白質接觸後,會導致黃蛋白反應而變性)。此外,濃硝酸需以深色玻璃瓶盛裝,避免受到光照反應釋出有毒的NO2

與金屬的反應[編輯]

一般的與活潑金屬反應,生成氫氣

2HCl(aq) + Zn(s) → ZnCl2(aq) + H2(g)

而硝酸與金屬反應,不會生成氫氣。 這是因為硝酸根(NO3-)的氧化性氫離子(H+)強。


濃硝酸(約16mol/L)與金屬反應,主要生成紅棕色的二氧化氮氣體:

Zn(s) + 4HNO3(aq) → Zn(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(l)

稀硝酸(約6mol/L)與金屬反應,主要生成一氧化氮氣體:

3Zn(s) + 8HNO3(aq) → 3Zn(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)

更稀的硝酸(約2mol/L以下)與金屬反應,產物從一氧化二氮氮氣銨根離子不等。


普遍認為,硝酸與金屬反應時,各還原產物(NO2、NO、N2O、N2、NH3)都可以生成。 但由於硝酸、水、氮氧化物亞硝酸連二次硝酸等物質間的多個平衡,不同濃度硝酸的還原產物有很大差異。


極稀硝酸和活潑金屬生成氫氣的說法,沒有得到證實。

參看[編輯]

注釋[編輯]