SALPETERSÄURE (HNO3): STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, SYNTHESE UND VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Die Salpetersäure ist eine anorganische Verbindung, die aus einer Oxosäure von Stickstoff besteht. Es wird als starke Säure angesehen, obwohl sein pKa (-1,4) dem pKa des Hydroniumions (-1,74) ähnlich ist. Ab diesem Zeitpunkt ist es vielleicht die "schwächste" von vielen bekannten starken Säuren.

Sein physikalisches Erscheinungsbild besteht aus einer farblosen Flüssigkeit, die sich bei Lagerung aufgrund der Bildung von Stickstoffgasen gelblich verfärbt. Seine chemische Formel lautet HNO ₃ .

Quelle: Aleksander Sobolewski über Wikimedia Commons

Es ist etwas instabil und zersetzt sich leicht, wenn es dem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Darüber hinaus kann es durch Erhitzen vollständig zersetzt werden, wodurch Stickstoffdioxid, Wasser und Sauerstoff entstehen.

Das Bild oben zeigt etwas Salpetersäure, die in einem Messkolben enthalten ist. Es ist eine gelbe Färbung festzustellen, die auf eine teilweise Zersetzung hinweist.

Es wird zur Herstellung von anorganischen und organischen Nitraten sowie von Nitrosoverbindungen verwendet, die zur Herstellung von Düngemitteln, Sprengstoffen, Zwischenprodukten für Farbstoffe und verschiedenen organischen chemischen Verbindungen verwendet werden.

Diese Säure war den Alchemisten des 8. Jahrhunderts bereits bekannt, die sie "agua fortis" nannten. Der deutsche Chemiker Johan Rudolf Glauber (1648) entwarf eine Methode zu seiner Herstellung, die darin bestand, Kaliumnitrat mit Schwefelsäure zu erhitzen.

Es wird industriell nach der von Wilhelm Oswald (1901) entworfenen Methode hergestellt. Das Verfahren besteht im Allgemeinen aus der katalytischen Oxidation von Ammonium mit der sukzessiven Erzeugung von Stickoxid und Stickstoffdioxid unter Bildung von Salpetersäure.

In der Atmosphäre reagiert NO _2, das durch menschliche Aktivität erzeugt wird, mit Wasser in Wolken und bildet HNO ₃ . Während des sauren Regens fällt es dann zusammen mit Wassertropfen aus und frisst beispielsweise die Statuen auf öffentlichen Plätzen weg.

Salpetersäure ist eine sehr giftige Verbindung, und eine kontinuierliche Exposition gegenüber ihren Dämpfen kann chronische Bronchitis und chemische Lungenentzündung verursachen.

Salpetersäurestruktur

Quelle: Ben Mills, aus Wikimedia Commons

Das obere Bild zeigt die Struktur eines HNO ₃ -Moleküls mit einem Kugel- und Balkenmodell. Das Stickstoffatom, die blaue Kugel, befindet sich in der Mitte, umgeben von einer Geometrie der trigonalen Ebene. Das Dreieck ist jedoch um einen seiner längsten Eckpunkte verzerrt.

Salpetersäuremoleküle sind dann flach. Die N = O-, NO- und N-OH-Bindungen bilden die Eckpunkte des flachen Dreiecks. Wenn Sie genau hinschauen, ist die N-OH-Bindung länger als die beiden anderen (wo sich die weiße Kugel befindet, die das H-Atom darstellt).

Resonanzstrukturen

Es gibt zwei gleich lange Links: N = 0 und NO. Diese Tatsache widerspricht der Valenzbindungstheorie, bei der Doppelbindungen voraussichtlich kürzer sind als Einfachbindungen. Die Erklärung dafür liegt im Phänomen der Resonanz, wie im Bild unten zu sehen.

Quelle: Ben Mills, aus Wikimedia Commons

Beide Bindungen, N = O und NO, sind daher hinsichtlich der Resonanz äquivalent. Dies wird im Strukturmodell grafisch dargestellt, indem eine gestrichelte Linie zwischen zwei O-Atomen verwendet wird (siehe Struktur).

Bei der Deprotonierung von HNO ₃ entsteht das stabile Nitratanion NO ₃ ^- . Darin sind jetzt alle drei O-Atome an der Resonanz beteiligt. Dies ist der Grund, warum HNO ₃ eine hohe Bronsted-Lowry-Acidität (H ⁺ -Ionendonorspezies ) aufweist.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Chemische Namen

-Salpetersäure

-Azotinsäure

-Wasserstoffnitrat

-Agua fortis.

Molekulargewicht

63,012 g / mol.

Aussehen

Farblose oder hellgelbe Flüssigkeit, die rotbraun werden kann.

Geruch

Scharfe, erstickende Eigenschaft.

Siedepunkt

181 ° F bis 760 mmHg (83 ° C).

Schmelzpunkt

-41,6 ° C

Wasserlöslichkeit

Sehr löslich und mit Wasser mischbar.

Dichte

1,513 g / cm ³ bei 20 ° C.

Relative Dichte

1,50 (bezogen auf Wasser = 1).

Relative Dampfdichte

2 oder 3 mal geschätzt (bezogen auf Luft = 1).

Dampfdruck

63,1 mmHg bei 25 ° C.

Zersetzung

Bei Einwirkung von Luftfeuchtigkeit oder Hitze kann es sich unter Bildung von Stickstoffperoxid zersetzen. Beim Erhitzen bis zur Zersetzung entsteht ein hochgiftiger Rauch aus Stickoxiden und Wasserstoffnitrat.

Salpetersäure ist nicht stabil und kann sich bei Kontakt mit Hitze und Sonnenlicht zersetzen und Stickstoffdioxid, Sauerstoff und Wasser abgeben.

Viskosität

1.092 mPa bei 0 ° C und 0,617 mPa bei 40 ° C.

Korrosion

Es kann alle unedlen Metalle außer Aluminium und Chromstahl angreifen. Greift einige der verschiedenen Arten von Kunststoffen, Gummi und Beschichtungen an. Es ist eine ätzende und ätzende Substanz, daher muss mit äußerster Vorsicht umgegangen werden.

Molare Verdampfungsenthalpie

39,1 kJ / mol bei 25 ° C.

Standard molare Enthalpie

-207 kJ / mol (298ºF).

Standard molare Entropie

146 kJ / mol (298ºF).

Oberflächenspannung

-0,04356 N / m bei 0 ° C.

-0,04115 N / m bei 20 ºC

-0,0376 N / m bei 40 ºC

Geruchsschwelle

- Geringer Geruch: 0,75 mg / m ³

-Hoher Geruch: 250 mg / m ³

- Reizkonzentration: 155 mg / m ³ .

Dissoziationskonstante

pKa = -1,38.

Brechungsindex (η / D)

1,393 (16,5 ° C).

Chemische Reaktionen

Flüssigkeitszufuhr

-Es kann feste Hydrate wie HNO ₃ ∙ H ₂ O und HNO ₃ ∙ 3H ₂ O bilden: „Salpetersäure“.

Dissoziation in Wasser

Salpetersäure ist eine starke Säure, die auf folgende Weise schnell in Wasser ionisiert:

HNO ₃ (1) + H ₂ O (1) => H ₃ O ⁺ (aq) + NO ₃ ^-

Salzbildung

Reagiert mit basischen Oxiden unter Bildung eines Nitratsalzes und Wassers.

CaO (s) + 2 HNO ₃ (l) => Ca (NO ₃ ) ₂ (aq) + H ₂ O (l)

Ebenso reagiert es mit Basen (Hydroxiden) und bildet ein Salz aus Nitrat und Wasser.

NaOH (aq) + HNO ₃ (l) => NaNO ₃ (aq) + H ₂ O (l)

Und auch mit Carbonaten und Säurecarbonaten (Bicarbonaten), die ebenfalls Kohlendioxid bilden.

Na ₂ CO ₃ (aq) + HNO ₃ (l) => NaNO ₃ (aq) + H ₂ O (l) + CO ₂ (g)

Protonierung

Salpetersäure kann sich auch als Base verhalten. Aus diesem Grund kann es mit Schwefelsäure reagieren.

HNO ₃ + 2H ₂ SO ₄ <=> NO ₂ ⁺ + H ₃ O ⁺ + 2HSO ₄ ^-

Autoprotolyse

Salpetersäure wird autoprotolysiert.

2HNO ₃ <=> NO ₂ ⁺ + NO ₃ ^- + H ₂ O.

Metalloxidation

Bei der Reaktion mit Metallen verhält sich Salpetersäure nicht wie starke Säuren, die mit Metallen reagieren, das entsprechende Salz bilden und Wasserstoff in gasförmiger Form freisetzen.

Magnesium und Mangan reagieren jedoch heiß mit Salpetersäure, genau wie die anderen starken Säuren.

Mg (s) + 2 HNO ₃ (l) => Mg (NO ₃ ) ₂ (aq) + H ₂ (g)

Andere

Salpetersäure reagiert mit Metallsulfiten unter Bildung eines Nitratsalzes, Schwefeldioxids und Wassers.

Na ₂ SO ₃ (s) + 2 HNO ₃ (l) => 2 NaNO ₃ (aq) + SO ₂ (g) + H ₂ O (l)

Und es reagiert auch mit organischen Verbindungen und ersetzt eine Nitrogruppe durch Wasserstoff. Dies bildet die Grundlage für die Synthese explosiver Verbindungen wie Nitroglycerin und Trinitrotoluol (TNT).

Synthese

Industriell

Es wird auf industrieller Ebene durch katalytische Oxidation von Ammonium nach dem von Oswald 1901 beschriebenen Verfahren hergestellt. Das Verfahren besteht aus drei Stufen oder Schritten.

Stufe 1: Oxidation von Ammonium zu Stickoxid

Ammonium wird durch Luftsauerstoff oxidiert. Die Reaktion wird bei 800ºC und einem Druck von 6 bis 7 atm unter Verwendung von Platin als Katalysator durchgeführt. Ammoniak wird mit Luft im folgenden Verhältnis gemischt: 1 Volumen Ammoniak zu 8 Volumen Luft.

4NH ₃ (g) + 5O ₂ (g) => 4NO (g) + 6H ₂ O (l)

Bei der Reaktion entsteht Stickstoffmonoxid, das für die nächste Stufe in die Oxidationskammer gebracht wird.

Stufe 2. Oxidation von Stickoxid zu Stickstoffdioxid

Die Oxidation wird durch den in der Luft vorhandenen Sauerstoff bei einer Temperatur unter 100ºC durchgeführt.

2NO (g) + O ₂ (g) => 2NO ₂ (g)

Stufe 3. Auflösung von Stickstoffdioxid in Wasser

In diesem Stadium tritt die Bildung von Salpetersäure auf.

4NO ₂ + 2H ₂ O + O ₂ => 4HNO ₃

Es gibt verschiedene Methoden zur Absorption von Stickstoffdioxid (NO ₂ ) in Wasser.

Unter anderem: NO ₂ wird bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck zu N ₂ O ₄ dimerisiert, um seine Löslichkeit in Wasser zu erhöhen und Salpetersäure zu produzieren.

3N ₂ O ₄ + 2H ₂ O => 4HNO ₃ + 2NO

Die durch Oxidation von Ammonium erzeugte Salpetersäure hat eine Konzentration zwischen 50 und 70%, die durch Verwendung von konzentrierter Schwefelsäure als Dehydratisierungsmittel auf 98% gebracht werden kann, wodurch die Salpetersäurekonzentration erhöht werden kann.

Im Labor

Thermische Zersetzung von Kupfer (II) -nitrat unter Bildung von Stickstoffdioxid und Sauerstoffgasen, die durch Wasser unter Bildung von Salpetersäure geleitet werden; wie bei der zuvor beschriebenen Oswald-Methode.

2Cu (NO ₃ ) ₂ => 2CuO + 4NO ₂ + O ₂

Reaktion eines Nitratsalzes mit konzentriertem H ₂ SO ₄ . Die gebildete Salpetersäure wird durch Destillation bei 83 ° C (Siedepunkt der Salpetersäure) von H ₂ SO ₄ getrennt .

KNO ₃ + H ₂ SO ₄ => HNO ₃ + KHSO ₄

Anwendungen

Düngemittelproduktion

60% der Salpetersäureproduktion wird zur Herstellung von Düngemitteln verwendet, insbesondere Ammoniumnitrat.

Dies ist gekennzeichnet durch seine hohe Stickstoffkonzentration, einen der drei wichtigsten Pflanzennährstoffe, wobei das Nitrat sofort von den Pflanzen verwendet wird. Währenddessen wird Ammoniak durch im Boden vorhandene Mikroorganismen oxidiert und als Langzeitdünger verwendet.

Industriell

-15% der Salpetersäureproduktion werden zur Herstellung von synthetischen Fasern verwendet.

-Es wird zur Herstellung von Salpetersäureestern und Nitroderivaten verwendet; wie Nitrocellulose, Acrylfarben, Nitrobenzol, Nitrotoluol, Acrylnitrile usw.

-Sie können organischen Verbindungen Nitrogruppen hinzufügen, und diese Eigenschaft kann zur Herstellung von Sprengstoffen wie Nitroglycerin und Trinitrotoluol (TNT) verwendet werden.

-Adipinsäure, eine Vorstufe von Nylon, wird in großem Maßstab durch Oxidation von Cyclohexanon und Cyclohexanol durch Salpetersäure hergestellt.

Metallreiniger

Salpetersäure ist aufgrund ihrer Oxidationskapazität sehr nützlich bei der Reinigung von Metallen, die in Mineralien vorhanden sind. Ebenso wird es verwendet, um Elemente wie Uran, Mangan, Niob und Zirkonium zu erhalten, und bei der Ansäuerung von Phosphorgesteinen, um Phosphorsäure zu erhalten.

Königliches Wasser

Es wird mit konzentrierter Salzsäure gemischt, um "Königswasser" zu bilden. Diese Lösung ist in der Lage, Gold und Platin aufzulösen, was ihre Verwendung bei der Reinigung dieser Metalle ermöglicht.

Möbel

Salpetersäure wird verwendet, um bei Möbeln aus Kiefernholz eine antike Wirkung zu erzielen. Die Behandlung mit einer 10% igen Salpetersäurelösung erzeugt eine graugoldene Färbung im Holz der Möbel.

Reinigung

-Das Gemisch aus wässrigen Lösungen von Salpetersäure 5-30% und Phosphorsäure 15-40% wird zur Reinigung der bei den Melkarbeiten verwendeten Geräte verwendet, um die Rückstände der Niederschläge der Magnesiumverbindungen und zu entfernen Kalzium.

-Es ist nützlich bei der Reinigung von Glaswaren, die im Labor verwendet werden.

Fotografie

-Nitronensäure wurde in der Fotografie verwendet, insbesondere als Additiv für Eisensulfatentwickler im Nassplattenverfahren mit dem Ziel, eine weißere Farbe in Ambrotypen und Farbtypen zu fördern.

-Es wurde verwendet, um den pH-Wert des Silberbades der Kollodiumplatten zu senken, wodurch das Erscheinungsbild eines Nebels, der die Bilder störte, verringert werden konnte.

Andere

- Aufgrund seiner Lösungsmittelkapazität wird es bei der Analyse verschiedener Metalle mittels Flammenatomabsorptionsspektrophotometrie und induktiv gekoppelter Plasmamassenspektrophotometrie verwendet.

-Die Kombination von Salpetersäure und Schwefelsäure wurde zur Umwandlung von gewöhnlicher Baumwolle in Cellulosenitrat (Salpetersäure) verwendet.

-Das Medikament Salcoderm zur äußerlichen Anwendung wird zur Behandlung von gutartigen Neubildungen der Haut (Warzen, Hühneraugen, Kondylome und Papillome) eingesetzt. Es besitzt Eigenschaften von Kauterisation, Schmerzlinderung, Reizung und Juckreiz. Salpetersäure ist der Hauptbestandteil der Arzneimittelformel.

-Rote rauchende Salpetersäure und weiße rauchende Salpetersäure werden als Oxidationsmittel für flüssige Raketentreibstoffe verwendet, insbesondere in der BOMARC-Rakete.

Toxizität

- Bei Hautkontakt kann es zu Hautverbrennungen, starken Schmerzen und Dermatitis kommen.

- Bei Kontakt mit den Augen kann es zu starken Schmerzen, Rissen und in schweren Fällen zu Hornhautschäden und Blindheit kommen.

- Das Einatmen der Dämpfe kann bei intensiver oder chronischer Exposition zu Husten, Atemnot, Nasenbluten, Kehlkopfentzündung, chronischer Bronchitis, Lungenentzündung und Lungenödem führen.

- Aufgrund der Einnahme gibt es Läsionen im Mund, Speichelfluss, starken Durst, Schmerzen beim Schlucken, starke Schmerzen im gesamten Verdauungstrakt und das Risiko einer Perforation der Wand derselben.

Verweise

1. Wikipedia. (2018). Salpetersäure. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
2. PubChem. (2018). Salpetersäure. Wiederhergestellt von: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Die Herausgeber der Encyclopaedia Britannica. (23. November 2018). Salpetersäure. Encyclopædia Britannica. Wiederhergestellt von: britannica.com
4. Shrestha B. (nd). Eigenschaften von Salpetersäure und Verwendungen. Chem Guide: Tutorials zum Erlernen der Chemie. Wiederhergestellt von: chem-guide.blogspot.com
5. Chemisches Buch. (2017). Salpetersäure. Wiederhergestellt von: Chemicalbook.com
6. Imanol. (10. September 2013). Salpetersäureproduktion. Wiederhergestellt von: ingenieriaquimica.net