硝酸

历史

硝酸和硫酸一样由公元8世纪阿拉伯炼金术士阿布·穆萨·贾比尔·伊本·哈扬（Jabir ibn Hayyan）在干馏绿矾和硝石混合物时发现，也是一种化学肥料。

自然存在

雷雨时能产生少量的硝酸。打雷时放出的能量让空气中的N 2 和O 2 发生反应，产生NO：

NO 2 和水反应产生硝酸和一氧化氮：

有些海鞘（ Ciona intestinalis ）也能分泌硝酸御敌 。

结构

硝酸是平面分子，其中心原子N原子为sp 杂化。由于羟基上的氢原子与另外一个氧原子形成了氢键，分子才呈平面结构，而且N的三根键长都不相同。N原子垂直于分子平面的一个p轨道是满的，它与未连接H的两个氧原子上的p轨道共轭，形成 Π Π --> 3 4 {\displaystyle \Pi _{3}^{4}} 大Π键。分子内氢键也是硝酸沸点较低的原因。

硝酸去掉一个氢原子的结构是 硝酸根 ，一般带一个负电荷（硝酸根离子）。硝酸根具有对称的平面等边三角形结构， 4个原子形成大 Π Π --> 4 6 {\displaystyle \Pi _{4}^{6}} 键，多出来的1个电子在离域Π键里。

硝酸去掉一个羟基的结构是 硝基 -NO 2 。硝基的正离子叫硝酰正离子。

物理性质

纯硝酸为无色、容易挥发的液体，沸点约为83 °C，凝固点约为-42 °C，密度为1.51g/ml。可以与水以任意比混溶。硝酸是二氧化氮溶于水生成的，但由于二氧化氮溶于水并不会完全水解成硝酸，会有少量的二氧化氮分子存在，因此硝酸水溶液呈淡黄色，也会挥发出棕红色的NO 2 。一般的浓硝酸指的是16mol/L的HNO 3 水溶液，密度为1.42g/ml。

发烟硝酸

70％硝酸

化学性质

纯硝酸可以发生自偶电离：2HNO 3 H 2 O+NO 2 +NO 3

硝酸作为氮的最高价(+5)水化物，具有很强的酸性，一般情况下认为硝酸的水溶液是完全电离的。硝酸可以与醇发生酯化反应，如硝化甘油的制备。（实际上我们会使用浓硫酸，产生大量NO 2 ），成本较低而且较容易处理，与其他更强的脱水剂，例如P 4 O 10 ，也可以产生大量的硝酰阳离子，这是硝化反应能进行的本质。

硝酸的水溶液无论浓稀均具强氧化性及腐蚀性，溶液越浓其氧化性越强。硝酸在光照条件下分解成水、NO 2 和O 2 ，方程式如下：

因此硝酸一定要盛放在棕色瓶中，并置于阴凉处保存。硝酸能溶解许多种金属（可以溶解银），生成盐、水、氮氧化物。随着溶液浓度的减小，其还原产物逐渐由高价向低价过渡，从最浓到最稀可生成NO 2 、NO、N 2 O、N 2 、NH 4 NO 3 。还原产物一般是混合物，金属与浓硝酸反应多生成NO 2 ，与稀硝酸反应下生成如NO等较低价化合物。

铁、铝、铬等金属遇冷的浓硝酸可以发生钝化现象，只在表面形成一层致密的氧化膜，不会完全反应掉。

浓硝酸和浓盐酸的物质的量按1:3混合，即为王水，能溶解金、铂等稳定金属。

硝酸盐大多易遇热分解，生成氧气、氮氧化物、金属氧化物（也可能生成亚硝酸盐等）。

硝酸铵中的硝酸根与铵根，平均能量大于有其平均价数之一氧化二氮，在固态时发生均化反应（因为动力学原因，在溶液内不发生）(NH 4 NO 3 )即加热或撞击分解生成一氧化二氮和水，一般使用现代合成炸药引爆，威力与TNT相去不远，但成本极低。因此被用于国防工业及工程上而被誉为国防工业之母（主要制造硝基含能化合物（现代合成炸药）。硝酸钾就是黑火药的成分之一）。

制备

工业上用二氧化氮与水混合制备硝酸：奥士华法

4NH 3(g) +5O 2(g) →4NO (g) +6H 2 O (g) （铂铑催化）(ΔH=−905.2kJ)

2NO (g) +O 2(g) →2NO 2(g) (ΔH=−114kJ/mol)

3NO 2(g) +H 2 O (l) →2HNO 3(aq) +NO (g) (ΔH=−117kJ/mol)

总式：NH 3(g) +2O 2(g) →2NO (g) +2HNO 3(g) （铂铑催化）

反复把生成的气体通入水中，即可得到较纯的硝酸。其原料二氧化氮是由氨氧化而得，因此硝酸工业与制氨工业密不可分。

纯硝酸制备

制造纯硝酸则是把浓硫酸与硝酸盐混合加热，反应式为：

NaNO 3 +H 2 SO 4 →NaHSO 4 +HNO 3

工业用途

硝酸是在工业上和实验室中都很常用的一种酸。

作为硝酸盐和硝酸酯的必需原料，硝酸被用来制取一系列硝酸盐类氮肥，如硝酸铵、硝酸钾等；也用来制取硝酸酯类或含硝基的炸药，如三硝基甲苯（TNT）、硝化甘油。

由于它同时具有氧化性和酸性，硝酸也被用来精炼金属：即先把不纯的金属氧化成硝酸盐，排除杂质后再还原。

人体影响

硝酸不论浓稀溶液都有氧化性和腐蚀性，因此对人很危险，仅溅到皮肤上也会引起严重烧伤。皮肤接触硝酸后会慢慢变黄，最后变黄的表皮会起皮脱落（硝酸和蛋白质接触后，会导致黄蛋白反应而变性）。此外，浓硝酸需以深色玻璃瓶盛装，避免受到光照反应释出有毒的NO 2。

与金属的反应

一般的酸与活泼金属反应，生成氢气：

而硝酸与金属反应，不会生成氢气。 这是因为硝酸根（NO 3 ）的氧化性比氢离子（H ）强。

浓硝酸（约16mol/L）与金属反应，主要生成红棕色的二氧化氮气体：

稀硝酸（约6mol/L）与金属反应，主要生成一氧化氮气体：

更稀的硝酸（约2mol/L以下）与金属反应，产物从一氧化二氮到氮气到铵根离子不等。

普遍认为，硝酸与金属反应时，各还原产物（NO 2 、NO、N 2 O、N 2 、NH 3 ）都可以生成。 但由于硝酸、水、氮氧化物、亚硝酸、连二次硝酸等物质间的多个平衡，不同浓度硝酸的还原产物有很大差异。

极稀硝酸和活泼金属生成氢气的说法，没有得到证实。

参看

硝酸盐

亚硝酸、连二次硝酸

镪水——硫酸、盐酸、硝酸

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