질산 (HNO3) : 구조, 특성, 합성 및 용도 - 화학 - 2025

질산 질소의 옥소 산으로 이루어지는 무기 화합물이다. pKa (-1.4)는 하이드로 늄 이온 (-1.74)의 pKa와 유사하지만 강산으로 간주됩니다. 이 시점부터는 알려진 많은 강산 중 "가장 약한"것입니다.

물리적 외관은 질소 가스의 형성으로 인해 저장시 황색으로 변하는 무색 액체로 구성됩니다. 그것의 화학 공식은 HNO ₃ 입니다.

출처 : Wikimedia Commons를 통한 Aleksander Sobolewski

그것은 다소 불안정하며 햇빛에 노출되어 약간의 분해를 겪습니다. 또한 가열에 의해 완전히 분해되어 이산화질소, 물 및 산소를 발생시킬 수 있습니다.

위의 이미지는 부피 플라스크에 포함 된 질산을 보여줍니다. 노란색으로 착색되어 부분 분해를 나타냅니다.

비료, 폭발물, 염료 중간 제 및 다양한 유기 화합물의 제조에 사용되는 니트로 소 화합물뿐만 아니라 무기 및 유기 질산염의 제조에도 사용됩니다.

이 산은 이미 8 세기의 연금술사들에게 알려 졌는데, 그들은 "agua fortis"라고 불렀습니다. 독일의 화학자 Johan Rudolf Glauber (1648)는 황산으로 질산 칼륨을 가열하는 것으로 구성된 제조 방법을 설계했습니다.

Wilhelm Oswald (1901)가 설계 한 방법에 따라 산업적으로 준비됩니다. 일반적으로이 방법은 산화 질소와 이산화질소를 연속적으로 생성하여 질산을 형성하는 암모늄의 촉매 산화로 구성됩니다.

대기 중, NO ₂ HNO 형성 구름 물과 반응하여 인간의 활동에 의해 생성 된 ₃ . 그런 다음 산성비가 내리는 동안 물방울과 함께 침전되어 예를 들어 광장의 조각상을 먹어 치 웁니다.

질산은 매우 독성이 강한 화합물이며 증기에 지속적으로 노출되면 만성 기관지염과 화학적 폐렴을 유발할 수 있습니다.

질산 구조

출처 : Ben Mills, Wikimedia Commons

상단 이미지는 구형 및 막대 모델 이있는 HNO ₃ 분자의 구조를 보여줍니다 . 질소 원자, 파란색 구체는 삼각형 평면 기하학으로 둘러싸인 중앙에 위치합니다. 그러나 삼각형은 가장 긴 정점 중 하나에 의해 왜곡됩니다.

그러면 질산 분자가 평평 해집니다. N = O, NO 및 N-OH 결합은 평평한 삼각형의 꼭지점을 구성합니다. 자세히 보면 N-OH 결합이 다른 두 결합보다 더 길다 (H 원자를 나타내는 흰색 구가있는 곳).

공명 구조

길이가 같은 두 개의 링크가 있습니다. N = 0 및 NO. 이 사실은 이중 결합이 단일 결합보다 짧을 것으로 예측되는 원자가 결합 이론에 위배됩니다. 이에 대한 설명은 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 공명 현상에 있습니다.

출처 : Ben Mills, Wikimedia Commons

따라서 두 결합, N = O 및 NO는 공진 측면에서 동일합니다. 이것은 두 개의 O 원자 사이에 점선을 사용하여 구조 모델에서 그래픽으로 표시됩니다 (구조 참조).

HNO ₃ 가 탈 양성자 화되면 안정한 질산 음이온 NO _3- ^{가 형성} 됩니다. 그 안에서 공명은 이제 3 개의 O 원자를 모두 포함하는데, 이것이 HNO ₃ 이 높은 Bronsted-Lowry 산도 (H ⁺ 이온 공 여종 )를 갖는 이유 입니다.

물리 화학적 특성

화학명

-질산

-아 조트 산

-질산 수소

-아구아 포티스.

분자 무게

63.012g / 몰.

외모

무색 또는 담황색 액체로 적갈색으로 변할 수 있습니다.

냄새

매운, 질식하는 특성.

비점

83 ° C (181 ° F ~ 760mmHg).

녹는 점

-41.6 ° C

수용성

물과 매우 잘 녹고 혼합됩니다.

밀도

1.513 g / cm ³ 20 ° C.

상대 밀도

1.50 (물 = 1과 관련하여).

상대 증기 밀도

2 ~ 3 배 추정 (공기 = 1 기준).

증기압

25 ° C에서 63.1mmHg

분해

대기 습도 또는 열에 노출되면 분해되어 과산화 질소를 형성 할 수 있습니다. 가열되어 분해되면 산화 질소와 질산 수소의 독성이 강한 흄을 방출합니다.

질산은 불안정하여 열과 접촉하여 분해되고 햇빛에 노출되어 이산화질소, 산소 및 물을 방출합니다.

점도

0 ° C에서 1,092mPa, 40 ° C에서 0.617mPa

부식

알루미늄과 크롬강을 제외한 모든 비금속을 공격 할 수 있습니다. 다양한 종류의 플라스틱, 고무 및 코팅을 공격합니다. 부식성 및 부식성 물질이므로 매우주의해서 취급해야합니다.

기화의 몰 엔탈피

25 ° C에서 39.1 kJ / mol

표준 몰 엔탈피

-207kJ / mol (298 ° F).

표준 몰 엔트로피

146kJ / mol (298 ° F).

표면 장력

0ºC에서 -0.04356 N / m

20ºC에서 -0.04115 N / m

40ºC에서 -0.0376 N / m

냄새 역치

- 낮은 냄새 : 0.75 밀리그램 / m ³

-높은 냄새 : 250 mg / m ³

-자극 농도 : 155 mg / m ³ .

해리 상수

pKa = -1.38.

굴절률 (η / D)

1.393 (16.5 ° C).

화학 반응

수화

-HNO ₃ ∙ H ₂ O 및 HNO ₃ ∙ 3H ₂ O : "질소 얼음" 과 같은 고체 수화물을 형성 할 수 있습니다 .

물에서의 해리

질산은 다음과 같은 방식으로 물에서 빠르게 이온화되는 강산입니다.

HNO ₃ (l) + H ₂ O (l) => H ₃ O ⁺ (수성) + NO ₃ ^-

소금 형성

염기성 산화물과 반응하여 질산염과 물을 형성합니다.

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

마찬가지로 염기 (수산화물)와 반응하여 질산염과 물의 염을 형성합니다.

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

또한 탄산염과 산성 탄산염 (중탄산염)과 함께 이산화탄소를 형성합니다.

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

양성자 화

질산은 염기로도 작용할 수 있습니다. 이러한 이유로 황산과 반응 할 수 있습니다.

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

Autoprotolysis

질산은자가 프로토 분해를 거칩니다.

2HNO ₃ <=> NO ₂ ⁺ + NO ₃ ^- + H ₂ O

금속 산화

금속과의 반응에서 질산은 금속과 반응하여 해당 염을 형성하고 기체 형태의 수소를 방출하는 강산처럼 행동하지 않습니다.

그러나 마그네슘과 망간은 다른 강산과 마찬가지로 질산과 뜨겁게 반응합니다.

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

다른

질산은 금속 아황산염과 반응하여 질산염, 이산화황 및 물을 형성합니다.

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

그리고 그것은 또한 유기 화합물과 반응하여 수소를 니트로 그룹으로 대체합니다. 따라서 니트로 글리세린 및 트리니트로 톨루엔 (TNT)과 같은 폭발성 화합물 합성의 기초를 구성합니다.

합성

산업

1901 년 Oswald가 기술 한 방법에 따라 암모늄의 촉매 산화에 의해 산업 수준에서 생산됩니다.이 공정은 세 단계 또는 단계로 구성됩니다.

1 단계 : 암모늄에서 산화 질소로의 산화

암모늄은 공기 중의 산소에 의해 산화됩니다. 반응은 촉매로 백금을 사용하여 800ºC에서 6-7 기압의 압력에서 수행됩니다. 암모니아는 다음의 비율로 공기와 혼합됩니다 : 1 부피의 암모니아와 8 부피의 공기.

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

산화 질소는 반응에서 생성되며 다음 단계를 위해 산화 실로 이동합니다.

2 단계. 산화 질소를 이산화질소로 산화

산화는 100ºC 이하의 온도에서 공기 중에 존재하는 산소에 의해 수행됩니다.

2NO (g) + O ₂ (g) => 2NO ₂ (g)

3 단계. 물에 이산화질소 용해

이 단계에서 질산이 형성됩니다.

4NO ₂ + 2H ₂ O + O ₂ => 4HNO ₃

물에 이산화질소 (NO ₂ )를 흡수하는 방법에는 여러 가지가 있습니다 .

다른 방법들 중 : NO ₂ 는 물에 대한 용해도를 높이고 질산을 생성하기 위해 저온 및 고압에서 N ₂ O ₄ 로 이량 체화됩니다 .

3N ₂ O ₄ + 2H ₂ O => 4HNO ₃ + 2NO

암모늄 산화에 의해 생성되는 질산의 농도는 50 ~ 70 %로 농축 황산을 탈수 제로 사용하여 98 %까지 끌어 올릴 수있어 질산의 농도를 높일 수있다.

실험실에서

질산 구리 (II)의 열분해로 이산화질소와 산소 가스를 생성하며, 물을 통과하여 질산을 형성합니다. 이전에 설명한 Oswald 방법에서와 같이.

2Cu (NO ₃ ) ₂ => 2CuO + 4NO ₂ + O ₂

질산염과 농축 된 H ₂ SO _{4의 반응} . 형성된 질산은 H로부터 분리 ₂ SO ₄ 83 ° C (질산의 비점)에서 증류에 의해.

KNO ₃ + H ₂ SO ₄ => HNO ₃ + KHSO ₄

응용

비료 생산

질산 생산량의 60 %는 비료, 특히 질산 암모늄 제조에 사용됩니다.

이는 식물의 세 가지 주요 영양소 중 하나 인 질소의 농도가 높고 식물에서 즉시 사용되는 질산염이 특징입니다. 한편 암모니아는 토양에 존재하는 미생물에 의해 산화되어 장기 비료로 사용됩니다.

산업

질산 생산량의 -15 %는 합성 섬유 제조에 사용됩니다.

-질산 에스테르 및 니트로 유도체 생산에 사용됩니다. 니트로 셀룰로오스, 아크릴 페인트, 니트로 벤젠, 니트로 톨루엔, 아크릴로 니트릴 등

-유기 화합물에 니트로기를 첨가 할 수 있으며,이 특성은 니트로 글리세린 및 트리니트로 톨루엔 (TNT)과 같은 폭발물을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

-나일론의 전구체 인 아 디프 산은 질산에 의해 시클로 헥사 논과 시클로 헥산 올을 산화시켜 대규모로 생산됩니다.

금속 정수기

질산은 산화 능력으로 인해 미네랄에 존재하는 금속의 정제에 매우 유용합니다. 마찬가지로 우라늄, 망간, 니오븀 및 지르코늄과 같은 원소를 얻고 인산을 얻기 위해 인암을 산성화하는 데 사용됩니다.

로얄 워터

진한 염산과 혼합하여 "왕수"를 형성합니다. 이 용액은 금과 백금을 용해 할 수있어 이러한 금속의 정제에 사용할 수 있습니다.

가구

소나무로 만든 가구에서 골동품 효과를 얻기 위해 질산이 사용됩니다. 10 % 질산 용액으로 처리하면 가구 목재에 회색-금색이 나타납니다.

청소

-질산 5-30 %와 인산 15-40 %의 수용액 혼합물은 착유 작업에 사용되는 장비의 세척에 사용되어 마그네슘 화합물의 침전물의 잔류 물을 제거하고 칼슘.

-실험실에서 사용하는 유리 제품 세척에 유용합니다.

사진술

-질산은 암 브로 타입과 주석 타입에서 더 흰색을 촉진하기 위해 습식 판 공정에서 황산 제 1 철 현상 제를위한 첨가제로 사진에 사용되었습니다.

-콜로 디온 플레이트의 은욕 pH를 낮추는 데 사용하여 이미지를 방해하는 미스트의 출현을 감소 시켰습니다.

기타

-용매 용량으로 인해 화염 원자 흡수 분광 광도법 및 유도 결합 플라즈마 질량 분광 광도법에 의한 다양한 금속 분석에 사용됩니다.

-질산과 황산의 조합은 일반 면화를 질산 셀룰로오스 (질산 면화)로 전환하는 데 사용되었습니다.

-외부 사용을위한 약물 Salcoderm은 피부의 양성 신 생물 (사마귀, 굳은 살, 관절 종 및 유두종)의 치료에 사용됩니다. 그것은 소작 속성, 통증 완화, 자극 및 가려움증을 가지고 있습니다. 질산은 조제 분유의 주성분입니다.

-적색 발연 질산과 백색 발연 질산은 특히 BOMARC 미사일에서 액체 로켓 연료의 산화제로 사용됩니다.

독성

-피부에 닿으면 화상, 심한 통증, 피부염을 유발할 수 있습니다.

-눈에 닿으면 심한 통증, 찢어짐, 심한 경우 각막 손상 및 실명을 유발할 수 있습니다.

-증기를 흡입하면 기침, 호흡 곤란, 코피, 후두염, 만성 기관지염, 폐렴 및 폐부종을 유발할 수 있습니다.

-섭취로 인해 입안의 병변, 타액 분비, 심한 갈증, 삼키는 통증, 전체 소화관의 심한 통증 및 같은 벽의 천공 위험이 있습니다.

참고 문헌

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