硝酸

具有強氧化性的化合物

硝酸(英語:Nitric acid )為強酸,化學式HNO₃,水溶液俗稱硝鏹水。硝酸是重要的化工原料。純硝酸為無色液體,沸點83℃,味苦,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,市售濃硝酸為共沸物,溶質質量分數為69.2%,一大氣壓沸點為121.6℃,密度1.42g·cm−3,約16mol·L−1,溶質重量百分比夠大(市售濃度最高為98%以上)的叫發煙硝酸。

硝酸
IUPAC名
Nitric acid
別名 硝鏹水
識別
CAS號 7697-37-2  checkY
PubChem 944
ChemSpider 919
SMILES
 
  • O[N+](=O)[O-]
InChI
 
  • 1/HNO3/c2-1(3)4/h(H,2,3,4)
InChIKey GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYAO
Gmelin 1576
3DMet B00068
UN編號 2031
EINECS 231-714-2
ChEBI 48107
RTECS QU5775000
KEGG D02313
MeSH Nitric+acid
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℃)
溶解性 完全混溶
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
H-術語 H272, H300, H310, H330, H373, H411
P-術語 P210, P220, P260, P305+351+338, P310, P370+378
NFPA 704
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,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。

硝酸的酸酐五氧化二氮(N₂O₅)。

歷史

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硝酸和硫酸一樣由公元8世紀阿拉伯鍊金術阿布·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,也是化學肥料[1]硝酸在硝石中發現,故叫硝酸不叫氮酸。

自然存在

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雷雨時能生成少量硝酸。打雷放出的能量讓空氣中的N2和O2高溫反應,生成NO

 
 
 

NO2和水反應生成硝酸:

無氧時: 
含氧時: 

實驗室中,用火焰可以產生少量硝酸,如用高壓電火花隙進行弧光放電效率更高,在工業中曾經用於伯克蘭-艾德法。但因效率低,電能消耗大而不再使用。

有些海鞘Ciona intestinalis)也能分泌硝酸禦敵[2]

結構

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硝酸是平面分子,中心的氮原子為sp2雜化。羥基的氫原子與另外一粒氧原子形成氫鍵,分子呈平面結構,而且氮的三根鍵長都不相同。氮原子垂直於分子平面的一條p軌道是滿的,它與未連接氫的兩粒氧原子上的p軌道共軛,形成 大Π鍵。分子內氫鍵也是硝酸沸點較低的原因。

硝酸是含氧酸,去掉一粒氫原子的結構是硝酸根,一般帶一粒負電荷(硝酸根離子)。硝酸根有對稱的平面等邊三角形結構,4粒原子形成大 鍵,多出來的1粒電子在離域Π鍵裏。[來源請求]

硝酸去掉一組羥基的結構是硝基-NO2。硝基的正離子叫硝酰正離子

物理性質

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純硝酸為無色、易揮發液體,沸點約83℃,凝固點約−42℃,密度為1.51g/ml。可以與水互溶。硝酸是二氧化氮溶於水生成,但二氧化氮溶於水並不會完全水解成硝酸,會有少量二氧化氮分子留存,因此硝酸水溶液呈淡黃色,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

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純硝酸可以自偶電離:2HNO₃ ⇌ H₂O+NO₂⁺+NO₃⁻

硝酸作為氮的最高價(+5)水化物,其酸性很強,一般情況認為硝酸在水溶液中完全電離。硝酸可以與酯化反應,如製備硝酸甘油。(實際會用濃硫酸生成大量NO₂⁺),成本較低且較易處理,與其他更強的脫水劑,例如P₄O₁₀,也可以生成大量硝酰陽離子,這是硝化反應的本質。

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有強氧化力腐蝕力,溶液越濃其氧化力越強。硝酸經光照分解成水、NO2和O2,方程式如下:

4HNO₃ → 4NO₂+O₂+2H₂O

一定要盛放在棕色瓶中,並置於陰涼處保存。硝酸能溶解多種金屬(例如),生成、水、氮氧化物。隨着溶液變稀,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、H₂。還原產物一般是混合物,金屬與濃硝酸反應多生成NO2,與稀硝酸反應生成如NO等較低價化合物。

等金屬遇冷的濃硝酸可以鈍化,只在表面形成緻密的氧化膜,不會繼續反應。

濃硝酸和濃鹽酸的物質量按1比3混合,即為王水,能溶解等穩定金屬。

硝酸鹽大多易遇熱分解,生成氧氣氮氧化物、金屬氧化物(中途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,在固態時均化反應(動力學所限,在溶液內不反應)(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,因此用於國防工業及工程而獲美譽「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)。

硝酸也屬強酸,可以和鹼酸鹼中和反應。

HNO₃+NaOH → NaNO₃+H₂O

上為硝酸和氫氧化鈉複分解反應

製備

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歷史上,曾使用伯克蘭-艾德法,但因能耗大、效率低,後被取代。

現代工業用二氧化氮混合製備硝酸:奧士華法。其原料二氧化氮是由氧化而得,硝酸工業製氨工業密不可分。

 催化)(ΔH=−905.2kJ/mol)

  (ΔH=−114kJ/mol)

 (ΔH=−117kJ/mol)

總式: 催化)

反覆把生成的氣體通入水中即可得到甚純的硝酸,不過工業一般用稀硝酸吸收二氧化氮。這樣製得的硝酸濃度通常為68%。

製備純硝酸

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製造純硝酸則是把濃硫酸硝酸鹽混合加熱,反應式為:

NaNO₃+H₂SO₄ → NaHSO₄+HNO₃

其二步反應是硫酸氫鹽與硝酸鹽反應,值得注意的是,反應溫度更高,硝酸會分解,影響產率。

人體影響

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硝酸不論濃稀溶液都有氧化力和腐蝕力,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,會引起黃蛋白反應而變性)。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NO2

與金屬反應

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一般的與活潑金屬反應生成氫氣

2HCl(水)+Zn(固) → ZnCl₂(水)+H₂(氣)

硝酸根(NO₃⁻)的氧化力氫離子(H⁺)強,硝酸與金屬反應不會生成氫氣。

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(固)+4HNO₃(水) → Zn(NO₃)₂(水)+2NO₂(氣)+2H₂O(液)

稀硝酸(約6mol/L)與金屬反應,主要生成一氧化氮氣體:

3Zn(固)+8HNO₃(水) → 3Zn(NO₃)₂(水)+2NO(氣)+4H₂O(液)

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。但硝酸、水、氮氧化物亞硝酸連二次硝酸等物質間的多對平衡,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。[來源請求]

工業用途

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硝酸在工業和實驗室都是很常用的酸。

作為硝酸鹽和硝酸酯的必需原料,硝酸用來製取硝酸銨硝酸鉀等一系列硝酸鹽類氮肥;也用來製取三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油等硝酸酯類或含硝基的炸藥

它同時是氧化劑,也用來精煉金屬:先把不純的金屬氧化成硝酸鹽,排除雜質後再還原。

參見

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註釋

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  1. ^ Nitric Acid. [2020-09-15]. (原始內容存檔於2010-01-29). 
  2. ^ P. W. Atkins, Molecules, 1987, ISBN 0-7167-5019-8