Нітратна кислота: взаємодія з магнієм, цинком і міддю

Нітратна кислота HNO₃ — одна з найважливіших неорганічних кислот. Її формула показує, що це одноосновна кислота: у водному розчині вона дисоціює з утворенням одного катіона Гідрогену:

HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻

Нітроген у складі нітратної кислоти має найвищий ступінь окиснення +5. Саме завдяки Нітрогену(+5) ця кислота виявляє сильні окисні властивості, що кардинально відрізняють її від хлоридної або розведеної сульфатної кислоти.

Фізичні властивості

Безводна нітратна кислота — це безбарвна летка рідина з різким задушливим запахом. Вона «димить» на повітрі, тому що її пари утворюють туман із водяною парою повітря. На світлі й під час нагрівання кислота повільно розкладається:

4HNO₃ → 4NO₂↑ + O₂↑ + 2H₂O

Бурий газ NO₂ розчиняється в кислоті, тому концентрована нітратна кислота з часом жовтіє. Через це її зберігають у темному скляному посуді в прохолодному місці.

Кислотні властивості (реакції без зміни ступеня окиснення)

Як типова сильна кислота, HNO₃ реагує з основними оксидами, основами й солями слабших або летких кислот. У цих реакціях ступінь окиснення Нітрогену не змінюється — утворюються солі, які називають нітратами.

• З основним оксидом: CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O

• З основою: NaOH + HNO₃ → NaNO₃ + H₂O

• З сіллю слабшої кислоти: CaCO₃ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂O

У цих реакціях нітратна кислота поводиться так само, як хлоридна або будь-яка інша сильна кислота. Відмінність виявляється лише під час взаємодії з металами — про це йтиметься далі.

Утворення амоній нітрату

З амоніаком нітратна кислота утворює амоній нітрат NH₄NO₃ — цінне азотне добриво:

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

Нітратна кислота — важлива сировина для виробництва добрив (аміачна селітра, калійна селітра), барвників, лікарських препаратів і вибухових речовин.

Щоб зрозуміти, чому нітратна кислота не виділяє водень під час реакції з металами, треба порівняти її з кислотами-неокисниками.

Кислоти-неокисники: окисник — H⁺

У хлоридній кислоті HCl або розведеній сульфатній кислоті H₂SO₄ окисником є катіон Гідрогену H⁺. Метали, що стоять у ряду активності лівіше від водню (Mg, Zn, Fe та ін.), витісняють водень:

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑

Zn + H₂SO₄ (розв.) → ZnSO₄ + H₂↑

Метали, що стоять правіше від водню (Cu, Ag, Au), з цими кислотами не реагують.

Нітратна кислота: окисник — N⁺⁵

У нітратній кислоті HNO₃ є сильніший окисник — Нітроген зі ступенем окиснення +5 у складі нітрат-іона NO₃⁻. Він відновлюється замість H⁺, тому водень, як правило, не виділяється за жодної концентрації кислоти. Загальна схема реакції така:

метал + HNO₃ → нітрат металу + продукт відновлення Нітрогену + H₂O

Частина молекул HNO₃ виконує роль окисника (відновлюється), а решта — роль кислоти (утворює сіль). Це ключовий момент для правильного добору коефіцієнтів.

Ряд продуктів відновлення Нітрогену

Залежно від активності металу й концентрації кислоти Нітроген(+5) може відновлюватися до різних ступенів окиснення. Ось ряд продуктів відновлення:

Закономірність: що активніший метал і що розведеніша кислота, то глибше відновлюється Нітроген. Амоніак NH₃, який утворюється на найглибшому ступені відновлення (−3), у надлишку кислоти одразу зв'язується в амоній нітрат NH₄NO₃.

Які метали розчиняє нітратна кислота

На відміну від HCl, нітратна кислота розчиняє навіть метали, що стоять правіше від водню — мідь Cu, срібло Ag. Золото Au й платина Pt з нею не реагують. Концентрована нітратна кислота на холоді пасивує залізо Fe, алюміній Al і хром Cr — утворює щільну оксидну плівку, тому її перевозять в алюмінієвих цистернах.

Мідь — метал, що стоїть у ряду активності правіше від водню. З хлоридною або розведеною сульфатною кислотою вона не реагує. Однак нітратна кислота окиснює мідь завдяки Нітрогену(+5). Розгляньмо два випадки залежно від концентрації кислоти.

Взаємодія міді з концентрованою HNO₃

Концентрована нітратна кислота реагує з міддю з утворенням нітроген(IV) оксиду (NO₂) — бурого газу з різким запахом:

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

Сума коефіцієнтів у цьому рівнянні: 1 + 4 + 1 + 2 + 2 = 10. Під час реакції розчин набуває синьо-зеленого кольору через утворення солі Купруму(II).

Взаємодія міді з розведеною HNO₃

Розведена нітратна кислота реагує з міддю інакше — виділяється безбарвний газ нітроген(II) оксид (NO):

3Cu + 8HNO₃ (розв.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

Сума коефіцієнтів: 3 + 8 + 3 + 2 + 4 = 20. Безбарвний NO біля отвору пробірки окиснюється киснем повітря до бурого NO₂: 2NO + O₂ → 2NO₂. Саме тому в досліді спостерігають спочатку безбарвний газ, який буріє вгорі.

Електронний баланс для розведеної кислоти

Розберімо, як добирають коефіцієнти методом електронного балансу на прикладі реакції міді з розведеною HNO₃.

Крок 1. Визначаємо ступені окиснення елементів, що змінюються:

Cu⁰ → Cu⁺² (мідь віддає 2 електрони)

N⁺⁵ → N⁺² (Нітроген приймає 3 електрони)

Крок 2. Складаємо електронний баланс:

Крок 3. Ставимо коефіцієнти в рівняння. Перед Cu ставимо 3, перед NO — 2. Далі врівноважуємо Нітроген: у 3Cu(NO₃)₂ міститься 6 атомів N у нітрат-іонах, плюс 2 атоми N у NO — разом 8 атомів N, отже, перед HNO₃ ставимо 8. Врівноважуємо Гідроген і Оксиген — отримуємо 4H₂O.

Важливо: з 8 молекул HNO₃ лише 2 виконують роль окисника (відновлюються до NO), а решта 6 утворюють сіль Cu(NO₃)₂. Це загальне правило для всіх реакцій металів з нітратною кислотою.

Ознаки реакції: мідь розчиняється, розчин забарвлюється в синьо-зелений колір солями Купруму(II), виділяється газ (бурий NO₂ або безбарвний NO, що буріє на повітрі).

Магній і цинк — активні метали, що стоять у ряду активності лівіше від водню. З хлоридною або розведеною сульфатною кислотою вони витісняють водень. Однак з нітратною кислотою водень не виділяється — натомість Нітроген(+5) відновлюється глибше, ніж у випадку міді.

Магній з розведеною нітратною кислотою

Магній — дуже активний метал. З розведеною нітратною кислотою він відновлює Нітроген до ступеня окиснення +1, утворюючи нітроген(I) оксид N₂O:

4Mg + 10HNO₃ (розв.) → 4Mg(NO₃)₂ + N₂O↑ + 5H₂O

N₂O — безбарвний газ зі слабким приємним запахом, його називають «веселильним газом». Сума коефіцієнтів у цьому рівнянні: 4 + 10 + 4 + 1 + 5 = 24.

Цинк з розведеною нітратною кислотою

Цинк з розведеною нітратною кислотою може відновлювати Нітроген до різних ступенів. У шкільних рівняннях найчастіше розглядають утворення азоту N₂:

5Zn + 12HNO₃ (розв.) → 5Zn(NO₃)₂ + N₂↑ + 6H₂O

Сума коефіцієнтів: 5 + 12 + 5 + 1 + 6 = 29. Азот N₂ — безбарвний газ без запаху, основна складова повітря.

Цинк з дуже розведеною нітратною кислотою

Якщо кислота дуже розведена, Нітроген(+5) відновлюється до найглибшого ступеня −3, утворюючи амоніак NH₃, який одразу реагує з надлишком кислоти, даючи амоній нітрат NH₄NO₃. Газу в цій реакції не виділяється:

4Zn + 10HNO₃ (дуже розв.) → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Сума коефіцієнтів: 4 + 10 + 4 + 1 + 3 = 22.

Електронний баланс для NH₄NO₃

Розгляньмо, як добирають коефіцієнти для реакції цинку з дуже розведеною HNO₃.

Крок 1. Визначаємо зміну ступенів окиснення:

Zn⁰ → Zn⁺² (цинк віддає 2 електрони)

N⁺⁵ → N⁻³ (Нітроген приймає 8 електронів)

Крок 2. Електронний баланс:

Крок 3. Ставимо коефіцієнти. Перед Zn ставимо 4, а перед NH₄NO₃ — 1. Далі врівноважуємо Нітроген: у 4Zn(NO₃)₂ міститься 8 атомів N, у NH₄NO₃ — 2 атоми N (один зі ступенем −3, інший +5), разом 10 атомів N, отже, перед HNO₃ ставимо 10. Врівноважуємо Гідроген і Оксиген — отримуємо 3H₂O.

Зверни увагу: у NH₄NO₃ два атоми Нітрогену мають різні ступені окиснення: −3 у катіоні амонію NH₄⁺ і +5 у нітрат-іоні NO₃⁻. У рівнянні електронного балансу враховується лише той атом Нітрогену, що змінив ступінь окиснення (N⁺⁵ → N⁻³).

Цинк з концентрованою нітратною кислотою

З концентрованою нітратною кислотою цинк реагує з утворенням NO₂, як і менш активні метали:

Zn + 4HNO₃ (конц.) → Zn(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

У реальних реакціях утворюється суміш продуктів, але в завданні НМТ продукт визначається умовою — концентрацією кислоти або названим газом.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему взаємодії нітратної кислоти з металами.

Приклад 1. Вибір однієї відповіді з чотирьох

Завдання: Який газ виділяється під час взаємодії міді з концентрованою нітратною кислотою?

Розв'язання: Мідь з концентрованою HNO₃ утворює нітроген(IV) оксид NO₂ — бурий газ з різким запахом. Рівняння реакції: Cu + 4HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O.

Відповідь: NO₂ (нітроген(IV) оксид).

Чому інші варіанти неправильні:

• H₂ — з нітратною кислотою будь-якої концентрації водень не виділяється, окисником є N⁺⁵, а не H⁺.

• NO — цей газ утворюється з розведеною, а не концентрованою кислотою.

• NH₃ — амоніак утворюється лише з дуже розведеною кислотою й активними металами, та й то зв'язується в NH₄NO₃.

Приклад 2. Логічні пари 1–3 → А–Д

Завдання: Установи відповідність між реагентами (1–3) і продуктом відновлення Нітрогену (А–Д).

Серед запропонованих варіантів: Г H₂, Д N₂O₅.

Розв'язання: 1 — концентрована кислота з міддю дає NO₂; 2 — розведена кислота з міддю дає NO; 3 — дуже розведена кислота з активним металом (цинком) дає NH₄NO₃.

Відповідь: 1А, 2Б, 3В.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді — сума коефіцієнтів

Завдання: Яка сума коефіцієнтів у рівнянні Cu + HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O після врівноваження?

Розв'язання: Записуємо врівноважене рівняння: Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O. Сума коефіцієнтів: 1 + 4 + 1 + 2 + 2 = 10.

Відповідь: 10.

Чому інші варіанти неправильні:

• 20 — це сума коефіцієнтів для реакції міді з розведеною HNO₃ (3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O).

• 6 або 8 — помилки, коли не враховують кислоту, що утворює сіль, і неправильно врівноважують Нітроген.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді — два твердження

Завдання: Оціни правильність двох тверджень.

I. Цинк витісняє водень з розведеної нітратної кислоти, бо стоїть у ряду активності лівіше від водню.

II. Мідь розчиняється в нітратній кислоті, хоча з хлоридною не реагує.

Розв'язання: Твердження I хибне — з нітратною кислотою водень не виділяється за жодної концентрації, окисником є N⁺⁵, а не H⁺. Твердження II правильне — нітратна кислота окиснює мідь завдяки N⁺⁵, а хлоридна кислота не окиснює метали правіше від водню.

Відповідь: правильне лише II.

Приклад 5. Вибір однієї відповіді — коефіцієнт перед HNO₃

Завдання: Який коефіцієнт стоїть перед HNO₃ у рівнянні взаємодії цинку з дуже розведеною нітратною кислотою, якщо утворюються Zn(NO₃)₂, NH₄NO₃ і H₂O?

Розв'язання: Записуємо схему: Zn + HNO₃ (дуже розв.) → Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O. Складаємо електронний баланс: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn⁺² (×4), N⁺⁵ + 8e⁻ → N⁻³ (×1). Отже, перед Zn ставимо 4, перед NH₄NO₃ — 1. У 4Zn(NO₃)₂ — 8 атомів N, у NH₄NO₃ — 2 атоми N, разом 10, тому перед HNO₃ ставимо 10. Врівноважене рівняння: 4Zn + 10HNO₃ → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Відповідь: 10.

Чому інші варіанти неправильні:

• 8 — не враховано два атоми Нітрогену в NH₄NO₃.

• 9 — помилка в підрахунку атомів Нітрогену в солях.

• 12 — цей коефіцієнт відповідає реакції 5Zn + 12HNO₃ → 5Zn(NO₃)₂ + N₂ + 6H₂O.

Під час вивчення теми та виконання завдань НМТ учні часто припускаються однотипних помилок. Ось найпоширеніші з них.

• Записувати водень продуктом реакції металу з нітратною кислотою будь-якої концентрації. Наприклад, Zn + 2HNO₃ → Zn(NO₃)₂ + H₂ — це хибне рівняння. Правильно: з нітратною кислотою водень, як правило, не виділяється, окисником є N⁺⁵, а не H⁺.

• Вважати, що мідь не реагує з нітратною кислотою, бо стоїть правіше від водню в ряду активності. Це правило діє лише для кислот-неокисників (HCl, розведена H₂SO₄). Нітратна кислота окиснює мідь завдяки N⁺⁵.

• Плутати продукти для міді: з концентрованою кислотою утворюється NO₂ (бурий газ), з розведеною — NO (безбарвний газ, що буріє на повітрі). Запам'ятай: концентрована → NO₂, розведена → NO.

• В електронному балансі ставити коефіцієнт окисника перед усією HNO₃, забуваючи кислоту, що утворює сіль. Наприклад, у реакції Cu + HNO₃ (розв.) окисником є лише 2 молекули HNO₃, а ще 6 утворюють сіль. Загальний коефіцієнт перед HNO₃ — 8.

• Вважати NH₄NO₃ газом або не помічати в ньому двох ступенів окиснення Нітрогену (−3 у катіоні NH₄⁺ і +5 в аніоні NO₃⁻). NH₄NO₃ — кристалічна сіль, а не газ.

• Переносити на нітратну кислоту правило ряду активності для HCl і розведеної H₂SO₄. Стратегія НМТ: спершу перевір, чи кислота не нітратна, і лише потім шукай метал у ряду активності.

Тема «Нітратна кислота та її взаємодія з металами» входить до програми НМТ з хімії (тема 2.1.1). Від тебе вимагають:

• складати рівняння реакцій нітратної кислоти з магнієм, цинком і міддю;

• порівнювати й характеризувати властивості нітратної й концентрованої сульфатної кислот.

Форми завдань

На НМТ ця тема може перевірятися в кількох форматах:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання № 1–18, 1 бал). У таких завданнях можуть питати: який газ виділяється, який коефіцієнт стоїть перед кислотою, яка сума коефіцієнтів у рівнянні тощо.

• Логічні пари 1–3 → А–Д (завдання № 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару). Можливий варіант такого завдання: «метал + кислота певної концентрації → продукт відновлення Нітрогену».

Окисно-відновна основа

Окисно-відновна суть реакцій нітратної кислоти з металами належить до теми 1.2 програми НМТ. У демоваріанті 2026 року завдання 6 (1 бал) вимагає визначити окисник за зміною ступеня окиснення. Тому важливо вміти визначати, який елемент змінює ступінь окиснення, і правильно записувати напівреакції.

Стратегія виконання

Для нітратної кислоти не діє правило витіснення водню за рядом активності металів (Таблиця 4 довідки НМТ): водень не виділяється. Стратегія така: спершу перевір, чи кислота не нітратна. Якщо це HNO₃ — не шукай водню серед продуктів. Проте ряд активності й далі потрібен: визначай продукт за концентрацією кислоти й активністю металу — що активніший метал, то глибше відновлюється Нітроген у ряду NO₂ → NO → N₂O → N₂ → NH₄NO₃. Золото й платина з HNO₃ не реагують.

• HNO₃ — сильна кислота й сильний окисник за рахунок Нітрогену зі ступенем окиснення +5.

• З металами водень, як правило, не виділяється за будь-якої концентрації кислоти — окисником є N⁺⁵, а не H⁺.

• Cu + HNO₃ (конц.) → Cu(NO₃)₂ + NO₂↑ + H₂O (бурий газ, сума коефіцієнтів 10).

• Cu + HNO₃ (розв.) → Cu(NO₃)₂ + NO↑ + H₂O (безбарвний газ, що буріє на повітрі, сума коефіцієнтів 20).

• Mg і Zn з розведеною HNO₃ дають N₂O або N₂; з дуже розведеною — NH₄NO₃ (газ не виділяється).

• Що активніший метал і що розведеніша кислота, то глибше відновлюється Нітроген: NO₂ → NO → N₂O → N₂ → NH₄NO₃.

• Коефіцієнти добирають методом електронного балансу з урахуванням кислоти, що йде на сіль.

• Нітратна кислота розчиняє мідь і срібло; концентрована HNO₃ на холоді пасивує залізо, алюміній і хром.