Азотная кислота: свойства и реакции,
лежащие в основе производства
9 класс
Приходя на урок химии, ребята хотят узнать
новое и применить свои знания, особенно им
нравится самостоятельно добывать информацию и
экспериментировать. Данный урок построен так,
чтобы, изучая новый материал, учащиеся могли
привлечь ранее приобретенные знания: строение
атома азота, типы химической связи,
электролитическая диссоциация,
окислительно-восстановительные реакции, техника
безопасности при проведении эксперимента.
Цели. Повторить классификацию и свойства
оксидов азота, а также общие свойства азотной
кислоты в свете теории электролитической
диссоциации (ТЭД). Познакомить учащихся с
окислительными свойствами азотной кислоты на
примере взаимодействия разбавленной и
концентрированной кислоты с металлами. Дать
понятие о способах получения азотной кислоты и
областях ее применения.
Оборудование. На каждом столе перед
учащимися план урока, схема взаимодействия
азотной кислоты с металлами, набор реактивов,
тесты для закрепления изученного материала.
П л а н у р о к а
• Оксиды азота.
• Состав и строение молекулы азотной кислоты.
• Физические свойства азотной кислоты.
• Химические свойства азотной кислоты.
• Получение азотной кислоты.
• Применение азотной кислоты.
• Закрепление материала (тест по вариантам).
ХОД УРОКА
 Оксиды
азота
Учитель. Вспомните и напишите
формулы оксидов азота. Какие оксиды называются
солеобразующими, какие – несолеобразующими?
Почему?
Ученики самостоятельно записывают формулы
пяти оксидов азота, называют их, вспоминают
азотсодержащие кислородные кислоты и
устанавливают соответствие между оксидами и
кислотами. Один из учеников записывает на доске
(таблица).
Таблица
Сопоставление оксидов азота, кислот и
солей
Демонстрационный опыт:
взаимодействие оксида азота(IV) с водой
Учитель. В сосуд с NO2
приливаем немного воды и взбалтываем содержимое,
затем испытываем полученный раствор лакмусом.
Что наблюдаем? Раствор краснеет из-за
образовавшихся двух кислот.
2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3.
Степень окисления азота в NO2 равна +4,
т.е. она является промежуточной между +3 и +5,
которые в растворе более устойчивы, поэтому
оксиду азота(IV) соответствуют сразу две кислоты
– азотистая и азотная.
Состав и
строение молекулы
Учитель. На доске запишите
молекулярную формулу азотной кислоты, вычислите
ее молекулярную массу и отметьте степени
окисления элементов. Составьте структурную и
электронную формулы.
Ученики составляют следующие формулы (рис. 1).
Рис. 1. Неверные структурная и
электронная формулы азотной кислоты
Учитель. Согласно этим формулам
вокруг азота вращается десять электронов, но
этого не может быть, т.к. азот находится во втором
периоде и максимально на внешнем слое у него
может быть только восемь электронов. Это
противоречие устраняется, если предположить, что
между атомом азота и одним из атомов кислорода
образуется ковалентная связь по
донорно-акцепторному механизму (рис. 2).
Рис. 2. Электронная формула азотной
кислоты.
Электроны атома азота обозначены черными
точками
Тогда структурную формулу азотной кислоты
можно было бы изобразить так (рис. 3):
Рис. 3. Структурная формула азотной
кислоты
(донорно-акцепторная связь показана стрелкой)
Однако опытным путем доказано, что двойная
связь равномерно распределена между двумя
атомами кислорода. Степень окисления азота в
азотной кислоте равна +5, а валентность (обратите
внимание) равна четырем, ибо имеются только
четыре общие электронные пары.
Физические
свойства азотной кислоты
Учитель. Перед вами флаконы с
разбавленной и концентрированной азотной
кислотой. Опишите физические свойства, которые
вы наблюдаете.
Ученики описывают азотную кислоту как жидкость
тяжелее воды, желтоватого цвета, с резким
запахом. Раствор азотной кислоты без цвета и без
запаха.
Учитель. Я добавлю, что температура
кипения азотной кислоты +83 °С, температура
замерзания –41 °С, т.е. при обычных условиях это
жидкость. Резкий запах и то, что при хранении она
желтеет, объясняется тем, что концентрированная
кислота малоустойчива и под действием света или
при нагревании частично разлагается.
Химические
свойства кислоты
Учитель. Вспомните, с какими
веществами взаимодействуют кислоты? (Учащиеся
называют.)
Перед вами реактивы, проделайте
перечисленные реакции* и
запишите свои наблюдения (реакции записывать
надо в свете ТЭД).
А теперь обратимся к специфическим свойствам
азотной кислоты.
Мы отметили, что кислота при хранении желтеет,
теперь докажем это химической реакцией:
4HNO3 = 2H2O + 4NO2 + O2.
(Учащиеся самостоятельно записывают
электронный баланс реакции.)
Выделяющийся «бурый газ» (NO2) окрашивает
кислоту.
Особо ведет себя эта кислота по отношению к
металлам. Вы знаете, что металлы вытесняют
водород из растворов кислот, но при
взаимодействии с азотной кислотой этого не
происходит.
Посмотрите на схему у вас на парте (рис. 4), где
показано, какие газы выделяются при реакции
кислоты различной концентрации с металлами.
(Работа со схемой.)
Рис. 4. Схема взаимодействия азотной
кислоты с металлами
Демонстрационный опыт:
взаимодействие концентрированной азотной
кислоты с медью
Очень эффективна демонстрация реакции азотной
кислоты (конц.) с порошком меди или мелко
нарезанными кусочками медной проволоки:
Учащиеся самостоятельно записывают
электронный баланс реакции:
Получение
кислоты
Учитель. Урок будет неполным, если мы
не рассмотрим вопрос получения азотной кислоты.
Лабораторный способ: действие
концентрированной серной кислоты на нитраты
(рис. 5).
NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3.
В промышленности кислоту в основном получают
аммиачным способом.
Рис. 5. Для получения азотной кислоты в
лаборатории до сих пор
удобно использовать старинную химическую посуду
– реторту
Способ получения кислоты из азота и кислорода
при температуре свыше 2000 °С (электродуговой)
особого распространения не получил.
В России история получения азотной кислоты
связана с именем химика-технолога Ивана
Ивановича Андреева (1880–1919).
Он в 1915 г. создал первую установку по
производству кислоты из аммиака и реализовал
разработанный способ в заводском масштабе в
1917 г. Первый завод был построен в Донецке.
Этот метод включает несколько этапов.
1) Подготовка аммиачно-воздушной смеси.
2) Окисление аммиака кислородом воздуха на
платиновой сетке:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O.
3) Дальнейшее окисление оксида азота(II) до
оксида азота(IV):
2NO + O2 = 2NO2.
4) Растворение оксида азота(IV) в воде и
получение кислоты:
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO.
Если растворение проводить в присутствии
кислорода, то весь оксид азота(IV) переходит в
азотную кислоту.
5) Заключительный этап получения азотной
кислоты – очистка газов, выходящих в атмосферу,
от оксидов азота. Состав этих газов: до 98% азота,
2–5% кислорода и 0,02–0,15% оксидов азота. (Азот
изначально был в воздухе, взятом для окисления
аммиака.) Если оксидов азота в этих отходящих
газах больше 0,02%, то специально проводят
каталитическое восстановление их до азота,
потому что даже такие малые количества этих
оксидов приводят к большим экологическим
проблемам.
После всего сказанного возникает вопрос: а
зачем нам нужна кислота?
Применение
кислоты
Учитель. Азотную кислоту используют
для производства: азотных удобрений, и в первую
очередь аммиачной селитры (как ее получают?);
взрывчатых веществ (почему?); красителей;
нитратов, о которых речь пойдет на следующем
уроке.
Закрепление
материала
Фронтальный опрос класса
– Почему степень окисления азота в азотной
кислоте +5, а валентность четыре?
– С какими металлами азотная кислота не
вступает в реакцию?
– Вам нужно распознать соляную и азотную
кислоты, на столе три металла – медь, алюминий и
железо. Как вы поступите и почему?
Тест
В а р и а н т 1
1. Какой ряд чисел соответствует
распределению электронов по энергетическим
уровням в атоме азота?
1) 2, 8, 1; 2) 2, 8, 2; 3) 2, 4; 4) 2, 5.
2. Закончите уравнения практически
осуществимых реакций:
1) HNO3 (разб.) + Cu  … ;
2) Zn + HNO3 (конц.) … ;
3) HNO3 + MgCO3 …
;
4) CuO + KNO3 … .
3. Укажите, какое уравнение иллюстрирует
одну из стадий процесса промышленного
производства азотной кислоты.
1) 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O;
2) 5HNO3 + 3P + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO;
3) N2 + O2 = 2NO.
4. Отрицательная степень окисления
проявляется азотом в соединении:
1) N2O; 2) NO; 3) NO2; 4) Na3N.
5. Взаимодействие медной стружки с
концентрированной азотной кислотой приводит к
образованию:
1) NO2; 2) NO; 3) N2; 4) NH3.
В а р и а н т 2
1. Значение высшей валентности азота равно:
1) 1; 2) 2; 3) 5; 4) 4.
2. Запишите возможное взаимодействие
концентрированной азотной кислоты со следующими
металлами: натрий, алюминий, цинк, железо, хром.
3. Выберите вещества, являющиеся сырьем для
производства азотной кислоты:
1) азот и водород;
2) аммиак, воздух и вода;
3) нитраты.
4. Концентрированная азотная кислота не
реагирует с:
1) углекислым газом;
2) соляной кислотой;
3) углеродом;
4) гидроксидом бария.
5. При взаимодействии очень разбавленной
кислоты с магнием образуется:
1) NO2; 2) NO; 3) N2O; 4) NH4NO3.
Ответы на тесты
В а р и а н т 1.
1 – 4;
2.
1) 8HNO3 (разб.) + 3Cu = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O;
2) Zn + 4HNO3 (конц.) = Zn(NO3)2 + 2NO2
+ 2H2O;
3) 2HNO3 + MgCO3 = Mg(NO3)2 + CO2
+ H2O;
3 – 1; 4 – 4; 5 – 1.
В а р и а н т 2.
1 – 4;
2.
Na + 2HNO3 (конц.) = NaNO3 + NO2 + H2O,
Zn + 4HNO3 (конц.) = Zn(NO3)2 + 2NO2 +
2H2O;
3 – 2; 4 – 1; 5 – 4. |
Домашнее задание.
Прочитать по учебнику «Химия-9» (Рудзитис Г.Е.,
Фельдман Ф.Г. М.: Просвещение, 2002) § 21, повторить
конспект урока и схему взаимодействия кислоты с
металлами.
* Например, можно предложить
ребятам проделать следующие лабораторные опыты.
1) В пробирку с раствором азотной кислоты
добавьте лакмус и постепенно добавляйте раствор
гидроксида натрия. Наблюдения запишите.
2) Положите в пробирку немного мела, добавьте
разбавленную азотную кислоту.
3) Положите в пробирку немного оксида меди(II),
добавьте разбавленную азотную кислоту. Какого
цвета раствор? Зажмите пробирку в держателе и
погрейте. Как изменяется цвет раствора? О чем
говорит изменение цвета? – Прим. ред.
Н.В.КРАСНОВА,
учитель химии средней школы № 2
(с. Приволжье, Самарская обл.)
|