硝酸

硝酸（Nitric Acid），又名硝鏹水，是一種無機強酸，其化學式為HNO?，摩爾質量為63.013g/mol。純凈硝酸為無色透明、易揮發、具有窒息性與刺激性氣味的液體。濃硝酸為棕黃色，發煙硝酸（濃度大于98%）為紅棕色液體。純硝酸相對密度為1.502，質量分數為68%的硝酸相對密度為1.41；純硝酸沸點為86℃，68%的硝酸沸點為120.5℃。硝酸易溶于水，能以任意比例與水混合，溶解時放熱。硝酸是一元強酸，具有酸的通性，具有強氧化性、不穩定性、腐蝕性、能使蛋白質變黃。

硝酸的發現者是公元8世紀的阿拉伯煉金術士賈比爾·伊本·哈揚，他在干餾硝石時發現并制得了硝酸。十七世紀，約翰·格勞勃發明了一種利用硫酸蒸餾硝酸鉀的來獲取硝酸的方法。1776年拉瓦錫指出硝酸中含有氧。1816年法國化學家蓋·呂薩克和克勞德·貝托萊確定了硝酸的化學成份。1901年德國化學家威廉·奧斯特瓦爾德提出了用氨氣在鉑絲網催化下與氧氣反應生成一氧化氮和二氧化氮，再將二氧化氮用水吸收來制取硝酸的方法。1905年挪威出現了歷史上xxx工業生產硝酸的工廠，它采用的是電弧法生產硝酸。1908年德國建成了日產量為3噸的硝酸工廠。1913年法國工程師艾伯特·諾登發明了通過電解泥炭沉積物來生產硝酸和硝酸鹽的方法。1913年隨著合成氨的問世，氨氧化法生產硝酸實現了工業化生產。1935年，在化學家侯德榜的領導下，中國建成了xxx座兼產合成氨、硝酸、硫酸和硫酸銨的聯合企業，并于1937年2月，xxx次生產出優質的硝酸。在1949年，中國的硝酸年產量僅4200噸。1952～1958年之間，中國先后在吉林、蘭州、太原等地建成了綜合法硝酸裝置。1980年起，中國硝酸產業的發展開始加速。2000年后，中國的硝酸工業進入高速發展期。2007年11月，中國xxx套自己研制的國產硝酸裝置投產，中國硝酸工業擺脫了對進口裝備的依賴。

純凈硝酸為無色透明、易揮發、具有窒息性與刺激性氣味的液體。濃硝酸因為溶解了二氧化氮而呈黃色或紅棕色。質量分數大于98%的濃硝酸在空氣中能夠揮發出HNO₃，被稱為發煙硝酸。純硝酸相對密度為1.502，發煙硝酸（98%）相對密度為1.522，質量分數為68%的硝酸相對密度為1.41；純硝酸熔點為-42℃，一水硝酸熔點為-37.68℃；純硝酸沸點為86℃，68%的硝酸沸點為120.5℃。硝酸易溶于水，能以任意比例與水混合，溶解時放熱。

硝酸是一元強酸，pKa為-1.38，具有酸的通性，稀硝酸能使紫色石蕊試劑變紅，與堿發生中和反應，與堿性氧化物反應，與某些鹽發生反應。

濃硝酸很不穩定，受熱或光照時部分會分解，化學反應式如下。濃硝酸分解的難易程度與其濃度有關，濃度越大越容易分解，有時在實驗室看到的濃硝酸呈黃色，就是由于硝酸分解產生的NO?溶于硝酸的緣故。在貯存時為了防止硝酸分解，應該把它盛放在棕色瓶里并貯放在蔭涼不見光的地方。在實驗室，硝酸應盛放于棕色的玻璃塞（HNO?腐蝕橡膠）細口瓶中，避光、低溫保存。

硝酸中氮的氧化值是+5，硝酸是氮的最高氧化值化合物之一，具有強氧化性。它可以把許多非金屬單質氧化成氧化物或者含氧酸，把碳氧化成二氧化碳，把磷氧化成磷酸。某些金屬硫化物會被濃硝酸氧化而溶解，有些有機物（如松節油等）與濃硝酸接觸能夠燃燒。

硝酸幾乎能與所有的金屬(除金、鉑等少數金屬)發生氧化還原反應。硝酸與金屬反應時，主要是HNO?中5價的氮得到電子，被還原成較低價的氮而形成氮的氧化物（NO?、NO），而不像鹽酸與較活潑金屬反應那樣放出氫氣。有些金屬（如鐵、鋁、鉻等）可溶于稀硝酸而不能溶于濃硝酸，是因為這類金屬表面被濃硝酸將氧化成一層薄而致密的氧化物膜（鈍化膜）。所以常溫下可以用鋁槽車裝運濃硝酸。銅與濃硝酸反應：

銅與稀硝酸反應：

濃硝酸和濃鹽酸的混合物（體積比為1:3）叫做王水，它的氧化能力更強，能使一些不溶于硝酸的金屬如金、鉑等溶解。王水中含有氧化能力更強的氯化亞硝酰和氯，它們在王水溶解不活潑的貴金屬的過程中發揮了重要作用，同時王水中高濃度的氯離子能夠與金屬離子形成配位化合物，有利于化學反應平衡正向進行。濃硝酸和氫氟酸的混合液也具有強氧化性和配位作用，能溶解鈮[ní]和鉭[tǎn]。王水中發生的化學反應：

王水溶解金：

硝酸能夠和醇發生酯[zhǐ]化反應生成對應的硝酸酯。硝酸參與的酯化反應羧酸的酯化機理相同。反應方程式如下：

濃硝酸或發煙硝酸與脫水劑（濃硫酸、五氧化二磷）混合可作為xxx試劑與一些有機化合物發生xxx反應。xxx反應屬于親電取代反應，用硝基取代化合物分子中的氫原子，生成硝基化合物。xxx反應中的活化xxx劑為硝鎓離子（又稱硝酰[xiān]陽離子），它是硝酸在強酸介質中電離得到的，具有很強的親電性且在反應中空間障礙很小。常見的xxx反應是苯的xxx，反應方程式如下。

（苯的xxx）硝鎓離子的形成方程式如下：

皮膚與濃硝酸接觸后會變黃色是因為硝酸與皮膚反應生成黃色的硝基化合物。硝酸能夠與蛋白質反應生成黃色的xxx產物，這種反應被稱為黃蛋白反應。當蛋白質分子內的氨基酸含有芳環時，遇到濃硝酸會發生xxx反應生成xxx芳香環，從而使蛋白質成變黃。這種黃色產物在遇到氨水等堿性物質后會變橙色。

硝酸是基本化學工業重要的產品之一，其產量在各類無機酸中僅次于硫酸，是化學工業和國防工業的重要原料。其用途如下：

硝酸可用于制造硝酸銨、硝酸鉀、硝酸鈉、硝酸鈣和硝酸磷肥等肥料。硝酸銨[ǎn]又稱硝銨，是一種重要的氮肥，在氣溫較低的旱田作物上，它比硫酸銨和尿素等氮肥肥效快、效果好。硝酸銨的生產方法有中合法和轉化法。中合法是氨與稀硝酸進行中和反應，是工業上生產硝銨的主要方法；轉化法將生產磷氮復合肥的副產物Ca(NO₃)₂與二氧化碳和氨氣反應（或者與碳酸銨溶液反應）轉化成硝酸銨。中和法生產硝銨方程式：

轉化法生產硝銨方程式：方法一：

方法二：

硝酸可用于制造金屬硝酸鹽，如硝酸鈉、硝酸鎂、硝酸鋰、硝酸銣等。硝酸鋰熔點為264℃,分解溫度為600℃,用作熱交換載體。硝酸銣[rú]是制備丁二烯的催化劑。

硝酸可以被用來精煉金屬是因為硝酸同時具有氧化性和酸性，精煉金屬時先將不純的金屬氧化成硝酸鹽，排除雜質后再還原。在核工業領域，硝酸可用于放射性廢棄物的處理和乏燃料的再生。例如用濃硝酸與六水合硝酸鈾酰、丙酮等混合加熱，待反應完成后重結晶，從而達到提純的目的。

濃硝酸是理想的xxx試劑，可將苯、蒽[ēn]、萘[nài]以及其他芳香族化合物xxx制取有機原料。例如工業上常用由30%硝酸（硝酸和硫酸組成的混酸）與苯反應，生成硝基苯，再加氫生成苯胺。苯胺是合成染料、醫藥、農藥的重要原料。

硝酸可以用來制取草酸。以農作物廢料（如玉米蕊、甘蔗渣、谷殼、花生殼等）為原料與硝酸反應，可以得到草酸。此外，硝酸與丙烯或乙烯、乙二醇作用也可制得草酸。

硝酸是制取炸藥的重要原料。硝酸與硫酸的混酸與甘油反應可以生產烈性炸藥xxx甘油。2，4，6-三硝基甲苯（TNT）是硝酸與硫酸的混酸與甲苯反應制得的。TNT是一種黃色片狀固體，具有爆炸威力大、藥性穩定、吸濕性小等優點，可以用來制造炮彈、手榴彈、地雷和魚雷等武器。硝酸除用于制造炸藥，還用于精制提取核原料。钚[bù]是重要的核燃料，在精制過程中，先將钚轉化成Pu(NO?)?溶液，再萃取分離。此外生產濃硝酸的中間物四氧化二氮，可以用作火箭和導彈發射的高能燃料。

在印染工業中硝酸可用于印花滾筒腐蝕劑，硝酸還可用于火箭燃料的氧化劑，在儀器分析中，硝酸用于溶解樣品。硝酸與二甲苯反應制得二甲苯麝香氣味，廣泛用于調配化妝品、肥皂及室內香料。此外，硝酸還用于化學試劑及有色金屬酸洗，也可用來鑒定含蛋白質的物質，如羊毛、羽毛等。硝酸在在污水處理中可用作微生物養分中的氮源。

硝酸可以在自然界產生：在強的電火花（如閃電等）的作用下，空氣中的氮和氧會發生化學反應生成一氧化氮，進而氧化成二氧化氮，二氧化氮與雨水混合后形成硝酸。

氨催化氧化法是最常用的制硝酸方法，反應主要原料為氨、空氣和水。該方法可分為常壓法、加壓法和綜合法三種類型。氨催化氧化法的工藝流程是：首先將氨與空氣按照比例混合（氧：氨氣所含氮=2：1），其次讓這一混合氣體通過灼熱的鉑銠[lǎo]合金網，使其在鉑銠合金催化下反應產生NO；反應后，生成的NO被剩余O₂氧化為NO₂；最后讓所得NO₂被水吸收，生成硝酸。主要化學反應方程式如下：

用水吸收二氧化氮生成硝酸的過程為體積縮小、放熱的可逆反應，其轉化率受化學平衡限制，增加壓力和降低溫度對反應有利。采用雙加壓硝酸流程可得濃度達到40%-60%稀硝酸。在稀硝酸中添加大量的濃硫酸或硝酸鎂等脫水劑，然后通過精餾或蒸餾的方法可得到濃度達95%以上的濃硝酸。此外，也可以用液態N₂O₄與水直接反應合成濃硝酸。該法簡稱直硝法，反應過程可分為兩步，先是合成四氧化二氮，然后再在一定壓力和溫度下，讓液態四氧化二氮、氧氣和水直接反應生成硝酸。

使空氣通過4000℃的電弧，隨即將其冷卻至1200℃以下，可得NO，再進一步冷卻，將NO繼續氧化成NO₂，最后用水吸收可得硝酸。這種方法雖然原料易得，設備簡單，但是NO₂產率低，且耗電量大，沒有得到很大發展。

典型的硝酸鹽與濃硫酸反應制備硝酸的方法被稱為智利硝石法。這種古老的方法是以硝酸鈉（智利硝石）和硫酸為原料，在鐵釜中用蒸汽加熱使其反應，將分解出來的蒸汽導入冷卻器中凝結出硝酸。該方法可得到純度為96%-98%的濃硝酸，反應方程式見下圖。用智利硝石法生產硝酸產量受硝石產量的限制，且該方法耗酸量大，設備腐蝕嚴重，隨著氨氧化法的成功，該方法已經被淘汰。該方法化學反應方程式如下：

硝酸分子是平面共價分子，其中心原子氮原子的雜化方式為sp雜化。未參與雜化的1個p軌道與周圍3個氧原子形成“4中心6電子”的離域π鍵。硝酸中的羥基氫與非羥化的氧原子形成分子內氫鍵，這是硝酸酸性弱于硫酸和鹽酸，且熔沸點相對較低的主要原因。硝酸分子羥基上的氫原子與另外1個氧原子形成了分子內氫鍵，這個氫鍵使得硝酸分子呈平面結構，且3個N-O鍵的鍵長都不相同。氮原子垂直于分子平面的1個p軌道是滿的，它與未連接氫原子的2個氧原子上的p軌道共軛，形成大π鍵。

硝酸分子結構圖

硝酸失去氫原子后的結構是硝酸根，一般帶一個負電荷，又被稱作硝酸根離子。硝酸根具有對稱的平面等邊三角形結構，4個原子形成大π鍵，多出來的1個電子在離域π鍵里。硝酸去掉一個羥基的結構是硝基-NO?。硝基的正離子叫硝酰正離子。

硝酸根結構

硝基結構圖

硝酸含量的檢測方法：取樣，準確稱量后，溶于氫氧化鈉標準溶液，以甲基橙作指示劑，用硫酸標準溶液反滴定。

儲存硝酸的場所要和其他倉間隔離，通風良好，避光，并遠離熱源。倉庫地坪必須是耐酸地坪。大量儲存地要有圍墻或門欄，并備有中和劑，以防萬一漏出時向外擴散。倉庫外要備有消防龍頭和氧氣防毒面具，以便應急救援。硝酸要與氧化劑、金屬粉末、電石、硫化氫、堿性物質、松節油、有機酸以及各種可燃物(如木屑、稻草、紙張、廢紗頭等)、有機物或易氧化物相隔絕。操作人員應穿戴防護服(包括對眼睛、臉、手和臂的防護)，防護裝備要用耐酸材料制成。搬運時要輕裝輕卸，防止撞擊、震動、斜倒。硝酸是揮發性酸,不宜久儲。濃硝酸用鉛槽車運輸，稀硝酸用不銹鋼或玻璃鋼增強塑料槽車或儲罐輸送存儲。濃硝酸和稀硝酸分別用耐酸泥和石膏封口。發現硝酸泄露，用霧狀水稀釋，用砂土、二氧化碳處理。

危險類別：酸性腐蝕品、氧化劑、易制爆、強腐蝕（含量高于70%）/氧化劑（含量不超過70%）。作為強氧化劑，遇H發孔劑、松節油立即燃燒，遇木屑劇烈氧化以致起火，遇氰化物產生劇毒其他。中華人民共和國公安部發布的《易制爆危險化學品名錄》將硝酸列為氧化性液體，類別3；將發煙硝酸列為氧化性液體，類別1。侵入途徑：吸入、食入爆炸危險：助燃，與可燃物混合會引起爆炸。

硝酸蒸氣會產生刺激作用，引起眼和上呼吸道刺激癥狀，如流淚、咽喉刺激感、嗆咳，并伴有頭痛、頭暈、胸悶等。口服時引起腹部劇痛，嚴重者可有胃穿孔、腹膜炎、喉痙攣、腎損害、休克以及窒息。皮膚接觸引起灼傷。慢性影響：長期接觸可引起牙齒酸蝕癥。

皮膚接觸：脫去被污染的衣物并用大量清水沖洗15分鐘，然后就醫。眼睛接觸：立即提起眼瞼，用大量清水或生理鹽水沖洗15分鐘，然后就醫。吸入：迅速離開現場至空氣清新處，保持呼吸道暢通，如果呼吸困難則應給輸氧，如果停止呼吸怎應立即進行人工呼吸并就醫。食入：用水漱口，飲食牛奶或蛋清，就醫。