Zacznijmy przygodę z jednym z ważniejszych kwasów w chemii: kwasem azotowym(V), o wzorze HNO3. To silny kwas, który znajdziemy w wielu zastosowaniach, od produkcji nawozów po materiały wybuchowe. Zanim jednak przejdziemy do właściwości, wyjaśnijmy kilka podstawowych pojęć.
Kwas to substancja, która w roztworze wodnym oddaje jony wodorowe (H+). Im więcej jonów wodorowych się uwalnia, tym mocniejszy jest kwas. Kwasowość mierzymy za pomocą skali pH, gdzie wartości poniżej 7 oznaczają kwas, 7 to obojętny, a powyżej 7 to zasada. Ocet, który mamy w kuchni, jest przykładem słabego kwasu.
Kwas azotowy(V), znany również jako kwas azotowy lub kwas azotowy, jest mineralnym kwasem. Oznacza to, że pochodzi od związków nieorganicznych, a nie od żywych organizmów. Jest to ciecz bezbarwna (choć z czasem może stać się żółta pod wpływem rozkładu i wydzielania tlenków azotu), dymiąca na powietrzu i bardzo żrąca. Jest silnym utleniaczem.
Właściwości fizyczne kwasu azotowego(V)
Zacznijmy od tego, co możemy zaobserwować gołym okiem. Czysty HNO3 jest cieczą bezbarwną. Jednak ze względu na to, że łatwo ulega rozkładowi pod wpływem światła, zazwyczaj spotykamy go w roztworach o lekko żółtawym zabarwieniu. Powstaje ono w wyniku obecności tlenków azotu (NO2), które są produktem rozkładu kwasu.
Kwas azotowy(V) ma charakterystyczny, ostry zapach. Pamiętajmy jednak, że wdychanie jego oparów jest niebezpieczne i należy tego unikać. Jest także higroskopijny, co oznacza, że pochłania wilgoć z powietrza. Stąd "dymienie" kwasu na powietrzu – opary kwasu reagują z wilgocią w powietrzu, tworząc drobne kropelki.
Temperatura wrzenia HNO3 to około 83°C. Ważne jest, aby pamiętać, że podczas ogrzewania kwas azotowy(V) ulega rozkładowi, co prowadzi do powstawania tlenków azotu, wody i tlenu. Dlatego należy zachować szczególną ostrożność podczas pracy z nim w podwyższonych temperaturach.
Właściwości chemiczne kwasu azotowego(V)
Silny kwas
Jak już wspomnieliśmy, HNO3 jest bardzo silnym kwasem. Oznacza to, że w roztworach wodnych ulega niemal całkowitej dysocjacji na jony wodorowe (H+) i jony azotanowe (NO3-). Ta wysoka koncentracja jonów wodorowych odpowiada za jego silne właściwości korozyjne.
Silne kwasy reagują gwałtownie z metalami, zasadami i węglanami. Na przykład, reakcja kwasu azotowego(V) z wodorotlenkiem sodu (NaOH), silną zasadą, prowadzi do neutralizacji i powstania azotanu sodu (NaNO3) i wody (H2O). To przykład typowej reakcji kwasu z zasadą.
Utleniacz
Kwas azotowy(V) jest silnym utleniaczem. Oznacza to, że ma zdolność do odbierania elektronów od innych substancji, powodując ich utlenienie. W reakcjach utleniania kwas azotowy(V) ulega redukcji, czyli sam pobiera elektrony. Siła utleniająca HNO3 zależy od jego stężenia i temperatury.
Dzięki swoim właściwościom utleniającym, kwas azotowy(V) reaguje z większością metali, nawet z tymi, które są stosunkowo odporne na działanie innych kwasów. Przykładowo, miedź (Cu) reaguje z kwasem azotowym(V), dając azotan miedzi(II) (Cu(NO3)2), tlenek azotu(IV) (NO2) (dlatego roztwór staje się brunatny) i wodę (H2O). Reakcja ta jest dość gwałtowna, szczególnie przy wysokich stężeniach kwasu.
Warto zaznaczyć, że niektóre metale, takie jak żelazo (Fe) i aluminium (Al), ulegają pasywacji pod wpływem stężonego kwasu azotowego(V). Oznacza to, że na ich powierzchni tworzy się cienka warstwa tlenku, która chroni metal przed dalszą reakcją z kwasem. Pasywacja jest ważna w kontekście przechowywania i transportu kwasu azotowego(V).
Reakcje z substancjami organicznymi
Kwas azotowy(V) reaguje również z substancjami organicznymi. Reakcje te mogą być bardzo gwałtowne, a nawet prowadzić do wybuchu. Jedną z ważniejszych reakcji jest nitrowanie, czyli wprowadzenie grupy nitrowej (-NO2) do cząsteczki organicznej. Nitrowanie jest wykorzystywane do produkcji wielu materiałów wybuchowych, np. nitrogliceryny z glicerolu.
Reakcja kwasu azotowego(V) z białkami powoduje ich ksantoproteinową reakcję. Dodanie stężonego HNO3 do białka powoduje powstanie żółtego zabarwienia. Dzieje się tak, ponieważ pierścień aromatyczny w aminokwasach (takich jak fenyloalanina, tyrozyna i tryptofan) ulega nitrowaniu. Ta reakcja jest używana jako test na obecność białek.
Działanie na tkaniny i skórę
Kwas azotowy(V) jest silnie żrący i powoduje poważne oparzenia skóry i uszkodzenia oczu. Kontakt z tkaninami również powoduje ich zniszczenie. Należy zawsze zachowywać szczególną ostrożność podczas pracy z kwasem azotowym(V) i stosować odpowiednie środki ochrony osobistej, takie jak okulary ochronne, rękawice i fartuch.
W przypadku kontaktu kwasu azotowego(V) ze skórą, należy natychmiast przemyć miejsce oparzenia dużą ilością wody przez co najmniej 15 minut. Następnie należy skonsultować się z lekarzem. Nie należy stosować żadnych neutralizatorów (np. zasad), ponieważ reakcja neutralizacji może spowodować dodatkowe uszkodzenia.
Zastosowania kwasu azotowego(V)
Mimo swojej żrącej natury, HNO3 ma wiele ważnych zastosowań. Wykorzystuje się go przede wszystkim w przemyśle chemicznym do produkcji nawozów sztucznych (np. azotan amonu), materiałów wybuchowych (np. nitrogliceryna, trotyl), tworzyw sztucznych, barwników, leków oraz w procesach trawienia metali.
W laboratoriach chemicznych kwas azotowy(V) jest używany jako odczynnik analityczny, np. do oznaczania zawartości metali w próbkach. Służy również do wytrawiania powierzchni metali, co jest wykorzystywane w przemyśle elektronicznym.
Podsumowując, kwas azotowy(V) jest substancją o szerokim spektrum właściwości, zarówno fizycznych, jak i chemicznych. Znajomość tych właściwości jest kluczowa do zrozumienia jego zastosowań i bezpiecznego obchodzenia się z nim.
