Axit nitric (HNO3) là gì? Cấu tạo phân tử, tính chất & Cách điều chế

Axit nitric (HNO3) là một trong những dòng hóa chất nổi bật được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện nay. Vậy axit này là gì? Hãy cùng manta.edu.vn tìm hiểu cấu tạo, tính chất, điều chế và ứng dụng của axit nitric trong bài viết dưới đây.

Axit nitric là gì?

Định nghĩa : Axit nitric là một hợp chất vô cơ có công thức hóa học là HNO3, được coi là dung dịch của hiđro nitrat hay còn gọi là axit nitric khan. Axit nitric được hình thành trong tự nhiên, do sấm sét trong mưa.

Công thức phân tử : HNO3

Cấu trúc phân tử :

• Mũi tên trong công thức cấu tạo Axit nitric ở trên cho biết: Cặp electron liên kết chỉ do nguyên tử nitơ cung cấp.

• Trong hợp chất HNO3, nitơ có số oxi hóa cao nhất là +5, hóa trị IV.

Tính chất vật lý của axit nitric HNO3

Sau đây là những tính chất vật lý cơ bản của axit nitric (HNO3) mà bạn cần nhớ:

• Dạng tồn tại : Axit nitric tinh khiết (khối lượng riêng khoảng 1522 kg/m3) là chất lỏng không màu, bốc khói mạnh trong không khí ẩm. Dung dịch có hơn 86% axit nitric được gọi là axit nitric bốc khói. Chúng có thể thải ra khói trắng và đỏ tùy thuộc vào nồng độ nitơ điôxit. Axit nitric cũng có thể tồn tại dưới dạng khí, không màu. Trong môi trường tự nhiên, do tích tụ nhiều nitơ nên axit nitric có màu vàng nhạt.

• Axit cực độc : Axit nitric là một loại axit độc có tính ăn mòn và dễ cháy. D= 1,53G/cm3

• Độ ổn định thấp : Axit nitric HNO3 kém bền ngay cả ở điều kiện thường. Dung dịch HNO3 đặc bị phân hủy một phần giải phóng khí nitơ dioxit NO2 – khí này khi tan trong dung dịch axit làm dung dịch chuyển sang màu vàng.

4HNO3 → 4NO2 + 2H2O + O2 (ánh sáng mặt trời)

Đây là lý do tại sao điều quan trọng là phải bảo quản axit nitric trong chai và lọ sẫm màu, tránh ánh sáng và ở nhiệt độ dưới 0°C.

• Hòa tan trong nước : Axit nitric hòa tan trong nước theo bất kỳ tỷ lệ nào. (C<65%)

• Nhiệt độ đóng băng : -42°C

• Điểm sôi : 83°C.

Tính chất hóa học của axit nitric

Axit nitric (HNO3) là một trong những axit cực mạnh được nhắc đến nhiều nhất trong lĩnh vực hóa học và ứng dụng thực tế. Chắc hẳn bạn đang vô cùng tò mò về tính chất hóa học của loại axit này? Dưới đây là 3 tính chất hóa học nổi bật nhất của HNO3.

Axit nitric là một trong những axit mạnh nhất

Axit nitric được xếp hạng trong số các axit mạnh nhất.

• Đây là một axit khan – một axit đơn chức mạnh, có thể nitrat hóa nhiều hợp chất vô cơ với hằng số cân bằng axit (pKa) = -2.

• Axit nitric phân li hoàn toàn thành ion H+ và NO3- trong dung dịch loãng.

• Dung dịch HNO3 làm quỳ tím hóa xanh .

• Phản ứng với oxit bazơ, bazơ và muối của axit yếu hơn tạo muối nitrat.

Ví dụ:

CuO + 2HNO3 → Cu(NO3)2 + H2O

CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + H2O + CO2

Ba(OH)2 + 2HNO3 → Ba(NO3)2 + 2H2O

• Axit nitric phản ứng được với oxit bazơ, bazơ, muối nhưng kim loại trong hợp chất này không có hóa trị cao nhất là:

Ví dụ:

FeO + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O

FeCO3 + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O + CO2

Axit nitric là chất oxi hóa

Axit nitric cũng là một trong những axit có tính oxi hóa mạnh nhất . Nó có thể bị khử thành các sản phẩm nitơ khác nhau, tùy thuộc vào tính axit mạnh hay yếu của chất khử. Hãy cùng tìm hiểu tính oxi hóa của axit nitric qua 3 phản ứng:

• Tác dụng với kim loại

• Tác dụng với phi kim

• Tác dụng với hợp chất

Tác dụng với kim loại

Axit nitric có khả năng oxi hóa hầu hết các kim loại tạo muối nitrat, kể cả các kim loại có tính khử yếu (Cu, Ag)…, trừ Pt và Au. Lúc này kim loại bị oxi hóa ở mức cao nhất. Sản phẩm của phản ứng này sẽ là NO2(+4) đối với HNO3 đặc và NO(+2) đối với HNO3 loãng. Nhôm, sắt và crom được thụ động hóa bằng axit nitric đậm đặc để làm nguội vì một màng oxit mạnh được tạo ra bảo vệ chúng khỏi quá trình oxy hóa tiếp theo. Đây cũng là lý do tại sao người ta dùng bình nhôm hoặc sắt để đựng HNO3 đặc.

Phương trình phản ứng:

• Kim loại + HNO3 đặc → muối nitrat + NO + H2O (nhiệt độ)

• Kim loại + HNO3 loãng → muối nitrat + NO + H2O

• Kim loại + HNO3 loãng nguội → muối nitrat + H2

• Mg(rắn) + 2HNO3 loãng nguội → Mg(NO3)2 + H2 (khí)

Ví dụ:

Cu + 4HNO3 rắn → Cu(NO3)2 + 2NO2(↑) + 2H2O

0 +5 +2 +4

Pha loãng 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO (↑) + 4H2O

0 +5 +2 +2

Tác dụng với phi kim

Khi đun nóng, HNO3 đặc có khả năng oxi hóa các phi kim như S, C, P … (các nguyên tố kim loại, trừ halogen và silic). Sản phẩm tạo thành là nitơ đioxit (nếu là axit nitric đặc) và nitơ oxit (với axit loãng và nước).

Ví dụ:

S + 6HNO3 rắn → H2SO4 + 6NO2(↑) + 2H2O (nhiệt độ)

0 +5 +6 +4

C + 4HNO3 rắn → 4NO2 + 2H2O + CO2

P đặc + 5HNO3 → 5NO2 + H2O + H3PO4

loãng 3C + 4HNO3 → 3CO2 + 4NO + 2H2O

Tác dụng với hợp chất

Là một trong những axit cực mạnh, axit nitric (HNO3) đặc có khả năng oxi hóa – phá hủy nhiều loại hợp chất vô cơ và hữu cơ khác nhau . Vải, giấy, mùn cưa,… bị hủy hoại hoặc bốc hơi. bỏng khi tiếp xúc với HNO3 đặc. Do đó, việc để axit nitric (HNO3) tiếp xúc với cơ thể con người là vô cùng nguy hiểm.

Ví dụ:

3H2S + 2HNO3 (>5%) → 3S (↓) + 2NO + 4H2O

PbS + 8HNO3 rắn → PbSO4(↓) + 8NO2 + 4H2O

HNO3 hòa tan Ag3PO4, không phản ứng với HgS.

Cách điều chế axit nitric HNO3

Trong tự nhiên, axit nitric (HNO3) hình thành từ những trận mưa lớn kèm theo sấm sét, tạo ra mưa axit. Vậy trong công nghiệp và phòng thí nghiệm, cách điều chế axit nitric là gì?

Điều chế axit nitric trong phòng thí nghiệm

Axit nitric trong phòng thí nghiệm được điều chế bằng cách đun nóng hỗn hợp natri nitrat hoặc kali nitrat rắn với axit sunfuric đặc (H2SO4) cho đến khi còn lại chất kết tinh màu trắng.

Phương trình: NaNO3 (tinh thể) + H2SO4 (đặc) → HNO3 + NaHSO4 (nhiệt độ)

HNO3 thoát ra được dẫn vào bình cầu, làm nguội và ngưng tụ. Lưu ý khi tiến hành thí nghiệm: Các dụng cụ phải bằng thủy tinh vì axit nitric khan.

Ngoài ra, axit nitric cũng có thể được điều chế trong phòng thí nghiệm bằng cách phân hủy nhiệt đồng(II) nitrat thành nitơ điôxít và khí oxy, sau đó được dẫn qua nước để tạo ra axit nitric.

Thủ tục như sau:

2Cu(NO3)2 → 2CuO + 4 NO2 + O2

4 NO2 + O2 → HNO2 + HNO3

3 giai đoạn sản xuất axit nitric công nghiệp

Để điều chế axit nitric trong công nghiệp người ta dùng amoniac qua 3 giai đoạn :

• Giai đoạn 1 : Oxy hóa khí amoniac thành nitơ monoxit bằng oxy ở nhiệt độ 850-900 độ C với chất xúc tác bạch kim.

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (850-900*C + Pt) (H<0)

-3 +2

• Giai đoạn 2 : Oxy hóa nitơ monoxit thành nitơ dioxit bằng oxy trong khí quyển ở điều kiện bình thường.

2NO + O2 → 2NO2

• Giai đoạn 3: Để nitơ đioxit phản ứng với nước và oxi, tạo ra axit nitric.

4NO2 + O2 + H2O –> 4HNO3

Dung dịch axit nitric thu được có nồng độ 52 – 68%. Người ta tiếp tục chưng cất dung dịch này với H2SO4 đặc thu được HNO3 có nồng độ lớn hơn là 68%. Axit nitric công nghiệp, thường ở nồng độ 52% và 68%, được sản xuất bằng công nghệ Ostwald do Wilhelm Ostwald phát minh.

Ứng dụng phổ biến nhất của axit nitric (HNO3) trong thực tế

Axit nitric HNO3 được nhắc đến như một loại axit cực độc với khả năng ăn mòn và phá hủy cao nhưng không thể phủ nhận những ứng dụng quan trọng của nó trong thực tế. Những ứng dụng đó là gì?

Ứng dụng của axit nitric trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm, axit nitric là một tác nhân quan trọng có vai trò:

• Là thuốc thử : Là thuốc thử chính được sử dụng trong quá trình nitrat hóa – việc bổ sung nhóm nitro, điển hình là phân tử hữu cơ. Axit nitric cũng thường được sử dụng như một chất oxy hóa mạnh.

• Thí nghiệm tại trường học : Axit nitric được sử dụng tại các trường học để tiến hành các thí nghiệm liên quan đến thử nghiệm clorit. Điển hình nhất là cho phản ứng với HNO3 trên mẫu thử, sau đó thêm dung dịch bạc nitrat vào để tìm kết tủa trắng bạc clorua.

Ứng dụng công nghiệp của axit nitric

Axit nitric (HNO3) có vai trò quan trọng trong công nghiệp:

• Sản xuất chất nổ : Axit nitric 68% dùng để chế tạo chất nổ bao gồm: Nitroglycerin, trinitrotoluene (TNT) và cyclotrimethylenetrinitramine (RDX).

• Sản xuất phân bón : Axit nitric còn được dùng để tạo ra các loại phân bón chứa nitơ như: Nitrat amoni nitrat NH4NO3, các muối nitrat như KNO3, Ca(NO3)2,…

• Hợp chất nền trong kỹ thuật ICP-MS và ICP-AES : Axit nitric với nồng độ 0,5-2% được dùng làm chất nền để xác định sự có mặt của kim loại trong dung dịch. Kỹ thuật này được gọi là ICP-MS và ICP-AES. Trong kỹ thuật này cần sử dụng axit nitric 100% tinh khiết vì một lượng nhỏ các ion kim loại có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích.

• Ứng dụng trong luyện kim, xi mạ, tinh luyện : Vì axit nitric phản ứng với hầu hết các kim loại trong các hợp chất hữu cơ nên nó được sử dụng rộng rãi trong luyện kim, xi mạ và tinh luyện. Khi cho HNO3 tác dụng với clorua axit thu được dung dịch nước có khả năng hòa tan bạch kim và vàng, được gọi là nước cường toan.

• Sản xuất chất hữu cơ : Trong công nghiệp, người ta sử dụng axit nitric để sản xuất các chất hữu cơ, bột màu, sơn hay thuốc nhuộm vải.

• Thuốc tẩy màu : HNO3 cũng được dùng làm chất thử màu. Bên cạnh đó, nó còn giúp phân biệt heroin và morphine.

• Chất trung gian sản xuất bọt polyurethane, sợi aramid và dược phẩm: HNO3 được dùng để sản xuất nitrobenzene – tiền chất để sản xuất anilin, một dẫn xuất của anilin với các ứng dụng chính trong công nghiệp dược phẩm và bọt. bọt polyurethane, sợi aramid và các sản phẩm polyurethane khác như chất kết dính, chất bịt kín, lớp phủ, chất đàn hồi, v.v.

• Chất tẩy rửa : Axit nitric được dùng làm chất tẩy rửa đường ống và bề mặt kim loại, thường được sử dụng trong các nhà máy sữa.

• Cân bằng tiêu chuẩn nước : Axit nitric còn được dùng để loại bỏ tạp chất và cân bằng lại tiêu chuẩn nước. Ngoài ra, nó còn là chất oxy hóa trong nhiên liệu tên lửa lỏng.

Những lưu ý quan trọng bạn cần biết khi sử dụng axit nitric

Như chúng ta đã biết, axit nitric HNO3 là một loại axit độc, có tính chất ăn mòn và dễ cháy nổ. Do đó, hãy cẩn thận khi xử lý axit này. Dưới đây là những lưu ý quan trọng bạn cần nhớ.

Tiếp xúc với axit nitric có thể gây ra thiệt hại gì?

Cho mắt tác dụng với HNO3

• Hậu quả: Kích ứng có thể gây bỏng giác mạc và mù lòa.

• Cách xử lý: Trường hợp bị axit nitric bắn vào mắt, cần dùng nước sạch rửa mắt ngay, chớp mắt liên tục trong 15 phút. Sau đó, dùng nước muối natri clorid 0,9% rửa sạch và đến cơ sở y tế để xử lý kịp thời.

Tiếp xúc với HNO3 qua đường thở

• Hậu quả: Gây kích ứng nặng, có thể gây khó thở, viêm phổi và tử vong. Một số triệu chứng khác như ho, sặc, ngứa mũi…

• Cách xử lý: Di chuyển đến nơi thoáng gió, ủ ấm, nằm yên và liên hệ cơ sở y tế gần nhất để được xử lý kịp thời.

Da tiếp xúc với HNO3

• Hậu quả: Gây kích ứng da, mẩn đỏ, đau rát và bỏng nặng. Ở nồng độ đậm đặc, nó làm bỏng da, khiến da chuyển sang màu vàng do phản ứng với chất sừng protein.

• Xử lý: Cởi bỏ ngay quần áo dính axit, dùng khăn khô lau vết thương, sau đó dùng nước sạch (dùng xà phòng nếu có) rửa vết thương nhiều lần. Đưa nạn nhân đến cơ sở y tế để được cứu chữa kịp thời.

Nuốt phải HNO3

• Hậu quả: Nuốt phải axit HNO3 có thể gây bỏng miệng, bỏng dạ dày.

• Cách xử lý: Hòa tan MgO với nước hoặc sữa và lòng trắng trứng gà rồi đưa nạn nhân đến cơ sở y tế gần nhất để điều trị.

Tiếp xúc lâu dài với axit nitric có thể dẫn đến ung thư. Chính vì những hậu quả nghiêm trọng đó, khi làm việc phải tiếp xúc với axit nitric, hãy trang bị bảo hộ lao động như kính, mũ, khẩu trang, găng tay, quần áo dài tay, giày dép… và thường xuyên giữ cho không gian làm việc thoáng mát, sạch sẽ .

Những lưu ý cần nhớ để đảm bảo an toàn khi tiếp xúc với axit nitric

Axit nitric là chất oxi hóa mạnh, có thể phát nổ khi phản ứng với xyanua, bột kim tiêm và tự bốc cháy khi phản ứng với nhựa thông. Ngoài việc chuẩn bị đồ bảo hộ lao động an toàn, để đảm bảo an toàn khi thao tác và sử dụng axit nitric, bạn cần lưu ý những nguyên tắc sau:

• Khi pha loãng HNO3 tuyệt đối không được cho nước vào axit mà phải đổ axit vào nước.

• Sử dụng bình chứa axit bằng nhựa thay vì kim loại vì axit nitric phản ứng với kim loại.

• Các thùng chứa phải có màu tối , được đậy kín và tránh ánh nắng trực tiếp.

• Khu vực bảo quản phải sạch sẽ, thoáng mát , tránh xa nguồn nhiệt hoặc các vật liệu xung khắc như: Hợp chất hữu cơ, kim loại, cồn, v.v.

• Sàn cần phải có khả năng chống axit.

• Trong trường hợp hỏa hoạn : Nếu hỏa hoạn xảy ra do axit nitric, bạn cần xử lý bằng bột khô và bình khí carbon dioxide để dập lửa. Sau đó dùng dung dịch kiềm để trung hòa axit. Di chuyển nhanh các bình chứa HNO3 hoặc dùng nước để làm nguội các bình này để tránh phát nổ.

• Trong trường hợp tràn hoặc rò rỉ axit nitric: Phủ đất hoặc cát lên khu vực axit bị rò rỉ. Sau đó dùng xút hoặc Ca(OH)2 khan để trung hòa. Tiếp tục dùng nước để làm sạch khu vực bị rò rỉ hóa chất HNO3.

Bài tập axit nitric SGK Hóa học 11 có lời giải chi tiết

Để hiểu rõ hơn những kiến thức về axit nitric (HNO3), các em hãy cùng vận dụng những lý thuyết đã học ở trên vào giải bài tập cơ bản SGK Hóa học 11 dưới đây.

Giải bài 1 trang 45 SGK Hóa học 11

Viết electron và công thức cấu tạo của axit nitric. Hóa trị và số oxi hóa của nguyên tố nitơ là gì?

Câu trả lời:

• Công thức electron:

• Công thức cấu trúc:

• Nguyên tố nitơ có hóa trị 4 và số oxi hóa +5.

Giải bài 2 SGK Hóa 11 trang 45

Lập phương trình hóa học:

một. Ag + HNO3 (đặc) → NO2 ↑ + ? + ?

b. Ag + HNO3 (loãng) → NO ↑ + ? + ?

c. Al + HNO3 → N2O ↑ + ? + ?

d. Zn + HNO3 → NH4NO3 + ? + ?

đ. FeO + HNO3 → NO ↑ + Fe(NO3)3 + ?

f. Fe3O4 + HNO3 → NO↑ + Fe(NO3)3 + ?

Câu trả lời:

Giải bài 3 SGK trang 45 Hóa học 11

Chỉ ra tính chất hóa học chung và khác nhau giữa axit nitric và axit sunfuric. Viết các phương trình hóa học để minh họa?

Câu trả lời:

Tính năng đặc biệt:

• Axit H2SO4 loãng là axit, H2SO4 đặc là chất oxi hóa mạnh còn axit HNO3 dù là axit đặc hay loãng thì khi phản ứng với các chất khử đều là chất oxi hóa mạnh.

• H2SO4 loãng không phản ứng với các kim loại đứng sau hiđro trong dãy phản ứng hoá học như axit HNO3.

Fe + H2SO4 (loãng) → FeSO4 + H2↑

3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Các tính năng chung:

H2SO4 loãng và HNO3 đều có tính axit mạnh

Ví dụ:

• Đổi màu chỉ thị: quỳ chuyển sang màu hồng

• Phản ứng với bazơ, oxit bazơ không có tính khử (nguyên tố có số oxi hóa cao nhất):

2Fe(OH)3 + 3H2SO4 → Fe2(SO4)3+ 6H2O

Fe2O3 + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 + 3H2O

2HNO3 + CaCO3 → Ca(NO3)2 + H2O + CO2↑

H2SO4 + Na2SO3 → Na2SO4 + H2O + SO2↑

H2SO4 (đặc) và axit HNO3 đều là chất oxi hóa mạnh

Ví dụ:

• Tác dụng được với hầu hết các kim loại (kể cả kim loại đứng sau hiđro trong dãy phản ứng hóa học) và đưa kim loại tới số oxi hóa cao nhất.

Fe + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O

Cu + 2H2SO4(rắn) → CuSO4 + SO2↑ + 2H2O

• Phản ứng với một số phi kim (đưa phi kim lên số oxi hóa cao nhất)

C + 2H2SO4(đậm đặc) → CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O

S + 2HNO3 → H2SO4 + 2NO↑

• Phản ứng với hợp chất (tính khử)

3FeO + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO↑ + 5H2O

2FeO + 4H2SO4(rắn) → Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 4H2O

Cả hai axit khi cô đặc đều thụ động hóa Fe và Al (có thể dùng bình làm bằng nhôm và sắt để đựng axit nitric và axit sunfuric đặc).

Giải bài 7 Hóa học lớp 11 trang 45 SGK

Cần bao nhiêu tấn amoniac để điều chế 5.000 tấn axit nitric 60,0%? Biết rằng lượng amoniac bị hao hụt trong quá trình sản xuất là 3,8%.

Câu trả lời:

Khối lượng HNO3 nguyên chất là: 5,60/100 = 3 tấn

Sơ đồ phản ứng điều chế HNO3 từ NH3:

NH3 → NO → NO2 → HNO3

1mol 1mol

17g 63g

x tấn 3 tấn

Theo sơ đồ trên, n(HNO3) = m(NH3)

→ m(NH3) = 3/63 x 17 = 0,809524 tấn

Thể tích NH3 mất đi là 3,8% → Hiệu suất: 100 – 3,8 = 96,2%

Vậy khối lượng amoniac cần dùng là: 0,809524/ 96,2% = 0,8415 tấn

Trên đây là những kiến thức cơ bản và quan trọng nhất mà các em cần lưu ý khi tìm hiểu về axit nitric (HNO3). Hi vọng bài viết giúp các bạn nắm bắt được những thông tin về loại axit thông dụng này và có thể vận dụng chúng vào giải bài tập Hóa học cũng như trong đời sống. Chúc các bạn có quá trình học tập hiệu quả và đừng quên chia sẻ bài viết nếu thấy hữu ích nhé.