硝酸

硝酸是一种强酸。其化学式为HNO₃，也称为硝镪水和强水。纯净时无色，但老化后会变成黄色。黄色是硝酸分解为氮氧化物和水的结果。

硝酸结构

硝酸分子由3个氧原子、1个氮原子和1个氢原子组成。在其分子中，一个氧原子通过双键与中心氮原子键合。而另一个氧原子通过单键与中心氮原子和氢原子键合。第三个也是最后一个氧分子带-1电荷，并通过单键与中心氮键合。

由于中心氮原子参与了与三个氧原子的四个共价键，它带+1电荷。因此，硝酸的净电荷为0，因为氮原子上的正电荷被第三个氧原子上的负电荷抵消或中和。

硝酸分子呈平面形状，其中氮原子与三个氧原子键合；其中一个氧原子带有一个质子。其余两个N-O键是等价的，并显示出具有双键特征的共振。

硝酸 (HNO₃) 的物理性质

• 液态时，它有刺鼻的窒息性气味。
• 硝酸的颜色，取决于其浓度，可以是黄色、红色或无色。
• 工业级硝酸在水中含量为68%，而商业级硝酸在水中含量为52%至68%。
• 发烟硝酸在水中含量约为86%，而白色发烟硝酸或红色发烟硝酸在水中含量超过95%。
• 其pH值接近3.0。
• 硝酸的分子量（摩尔质量）为63.01克/摩尔。
• 其密度为1.51克/立方厘米。
• 其沸点为83摄氏度。
• 其熔点为-42摄氏度。

硝酸的化学性质

1. 它是一种强一元酸或一元碱。它在水溶液中电离，如下所示：

HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO^-3

它还与金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐反应生成硝酸盐，例如：

CaO + 2HNO₃ → Ca (NO₃)₂ + H₂O

NaHCO₃ + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O + CO₂

Na₂CO₃ + 2HNO₃ → 2NaNO₃ + H₂O + CO₂

2. 它将蓝色石蕊试纸变为红色。它很容易形成固体水合物，如一水合硝酸HNO₃·H₂O和三水合硝酸HNO₃·3H₂O。

3. 在光照下或受热时，它容易分解形成棕色二氧化氮。因此，新鲜的白色硝酸会随着时间变棕。反应如下：

4HNO₃ + 热 → 2H₂O + 4NO₂ + O₂

4. 它是一种强氧化剂，因为它在浓缩和稀释形式下都能产生新生态氧。例如：

2HNO₃ (浓) → 2NO₂ + H₂O + (O)

2HNO₃ (稀) → 2NO + H₂O + 3 (O)

因此，它也迅速与各种非金属化合物反应并氧化它们。例如：

C+4HNO₃ → 4NO₂ + 2H₂O + CO₂

3H₂S + 2HNO₃ → 3S + 4H₂O + 2NO

5. 当硝酸与金属活性序列中位于氢上方的金属反应时，会释放出氢气。例如：

Mg + 2HNO₃ → Mg (NO₃)2 + H₂

Mn + 2HNO₃ → Mn (NO₃)2 + H₂

硝酸的用途

1. 它广泛用于生产肥料，如硝酸铵和聚合物，如尼龙。
2. 它用作硝化剂，与硫酸一起使用时引入硝基。
3. 它可用于生产炸药，如TNT。
4. 它还用作液体燃料火箭的氧化剂。
5. 纯净形式的硝酸可去除疣。
6. 在电化学中，它可用作化学掺杂剂。
7. 它还用于提纯金和银。

硝酸的制备

硝酸的实验室制备

在此方法中，硝酸在实验室中通过在玻璃容器中加热硝酸盐（如硝酸钠、硝酸钾等）与浓硫酸制备。化学反应如下：

NaNO₃ + H₂SO₄ + 热 → NaHSO₄ + HNO₃

反应中产生的硝酸蒸气通过在冷水下冷却的容器冷凝成棕色液体。

硝酸的商业生产

由于硝酸在商业上非常重要，因此也通过商业生产大量生产。通常，首选经济高效且能确保更高产量的方案。其中一些方案描述如下：

1) 伯克兰-艾德法

此过程的工作原理如下：

i) 空气通过电弧使氮与氧反应。反应如下所示：

N₂ + O₂ → 2NO + 能量

N₂和O₂之间发生的反应是吸热且可逆的。此外，根据勒沙特列原理，高温有利于NO的形成。因此，电弧保持约3000摄氏度的温度。

ii) 形成的NO迅速冷却至1000摄氏度以防止其分解。

iii) 现在，生成的NO与氧气结合形成NO₂，如下所示：

2NO + O₂ → 2NO₂

iv) NO₂蒸气通过水产生HNO₃。

2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂

3HNO₂ → HNO₃ + 2NO + H₂O

2) 奥斯特瓦尔德法

奥斯特瓦尔德法的装置包括一个催化室或转化器、氧化塔和吸收塔。

转化器：它由铝制成，含有一个铂-铑纱网圆筒，底部用二氧化硅盖封闭。纱网被加热到800摄氏度。然后氨气和空气的混合物从顶部通过纱网进入，出口在底部以释放产物。

冷却器：从转化器出来的硝酸在此时被冷却。

氧化室：在这个室中，硝酸（NO）氧化成二氧化氮（NO₂）。

吸收塔：NO₂从下部进入吸收塔，水从顶部进入。在这个塔中，二氧化氮被水吸收。

奥斯特瓦尔德法涉及的反应如下：

i) 比例为1:10的氨气和空气混合物在750至900摄氏度的温度下通过Pt纱网催化剂进入催化室。这导致氨氧化成NO，产率超过90%。反应如下所示：

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O + 能量

此外，此反应中氨的氧化是放热的，因为它伴随着能量的释放。

ii) 产生的NO被冷却并在氧化室中与空气混合。这导致NO氧化成NO₂，然后将其冷却到50摄氏度。

2NO + O₂ → 2NO₂

iii) 现在，NO₂在空气存在下被吸收塔中的水吸收。

4NO₂ + H₂O + O2 → 4HNO₃

上述步骤中产生的硝酸通过蒸馏浓缩至约68%。此外，通过与浓H₂SO₄蒸馏，可以使其浓度高达98%。