「硝酸」の版間の差分

| RefractIndex = 1.397 (16.5 °C℃)

'''硝酸'''（しょうさん、nitric acid）は[[窒素]]の[[オキソ酸]]で、化学式 HNO₃ で表される。代表的な強酸の1つで、様々な金属と反応して塩を形成する。有機化合物の[[ニトロ化]]に用いられる。硝酸は[[消防法]]第2条第7項及び別表第一第6類3号により[[危険物第6類]]に指定され、硝酸を 10 % 以上含有する溶液は[[医薬用外劇物]]にも指定されている。

:<math>

\rm mathrm{N_2O_5 + H_2O \longrightarrow 2 HNO_3 {HNO}_3}

濃度の低い硝酸を希硝酸という{{#tag:ref|濃度は特に定義されているわけではないが、実験室で用いる希硝酸は通常 6 mol/dm³（32 (32 %, ''d'' = 1.19 g &middot; cm⁻³）)、あるいはそれ以下のものであることが多い。|group=注}}。市販の濃硝酸は 60 %（d（''d'' = 1.360 g &middot; cm⁻³, 13.0 [[濃度#物質量/体積（モル濃度）|mol &middot; dm⁻³]]）あるいは 70 %（d (''d'' = 1.406 g &middot; cm⁻³, 15.6 mol &middot; [[デシメートル|dm]]⁻³）) の水溶液が普通である。69.8 % の水溶液は共沸混合物となり 123 ℃で[[沸騰]]する。

:<math>

\rm mathrm{C + 4 HNO_3{HNO}_3 \longrightarrow CO_2 + 4 NO_2{NO}_2 + 2 H_2O}

:<math>4 \mboxmathrm{HNO}_3
\quad \overset{h\nu}{\longrightarrow} \quad
4 \mboxmathrm{NO}_2 + 2 \mboxmathrm{H}_2\mboxmathrm{O} + \mboxmathrm{O}_2</math>

:<math>

\rm mathrm{Mg + 2 HNO_3 \longrightarrow Mg(NO_3)_2 + H_2}

:<math>

\rm mathrm{4 Zn + 10 HNO_3 \longrightarrow 4 Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3 H_2O}

:<math>

\rm mathrm{3 Cu + 8 HNO_3 \longrightarrow 3 Cu(NO_3)_2 + 2 NO + 4 H_2O}

:<math>

\rm mathrm{Cu + 4 HNO_3 \longrightarrow Cu(NO_3)_2 + 2 NO_2 + 2 H_2O}

硝酸は[[硫酸]]中では[[塩基]]として挙動しプロトン化を受け、脱水により[[ニトロイルイオン]]（nitroyl (nitroyl / NO₂⁺）) を生成する。濃硝酸と濃硫酸を混合した[[混酸]]中では以下のような[[化学平衡]]が成立している。

:<math>\rm mathrm{HNO_3 + H_2SO_4 \~ \overrightarrow\longleftarrow \~ H_2NO_3^+ + HSO_4^-}</math>

:<math>\rm mathrm{H_2NO_3^+ \~ \overrightarrow\longleftarrow \~ NO_2^+ + H_2O}</math>

純粋な遊離酸も 0 ℃で[[硝酸カリウム]]と純硫酸を反応させ、[[真空]][[蒸留]]により単離することが可能である。

:<math>

\rm mathrm{KNO_3 + H_2SO_4 \longrightarrow HNO_3 + KHSO_4}

純硝酸は遊離酸として知られているものの中ではもっとも強く自己解離し、さらに生成する[[リオニウムイオン]]は脱水されニトロイルイオンとなり、その[[平衡定数]]は25℃ 25 ℃ で以下のようである

:<math>2 \mboxmathrm{H}\mbox{NO}_32 \HNO_3 ~ \overrightarrow\longleftarrow \~ \mbox{H}_2\mbox{NO}_3H_2 NO_3^+ + \mbox{NO}_3NO_3^-}</math>

:<math>\rm mathrm{H_2NO_3^+ \ \overrightarrow\longleftarrow \ NO_2^+ + H_2O}</math>

:<math> K = [\mboxmathrm{NO}_2^+][\mboxmathrm{NO}_3^{-}][\mboxmathrm{H}_2 \mboxmathrm{O}]
= 7 \times 10^{-2}\mboxmathrm{mol}^{3}\mboxcdot\mathrm{dm}^{-3}</math>。

高い[[電気伝導度]]を示し、25℃25 ℃ における比電気伝導度は 3.72×1072 &times; 10⁻² ohm&Omega;⁻¹ &middot; cm⁻¹ であり、純硫酸よりさらに高い<ref name=Cotton />。

また、純硝酸のハメットの[[酸度関数]]は ''H'' ₀ =−6 − 6.3 であり純硫酸などに比べるとかなり酸性度は低い<ref name=Charlot>シャロー　『溶液内の化学反応と平衡』　藤永太一郎、佐藤昌憲訳、丸善、1975年</ref>。

硝酸は水溶液中では強酸として挙動し、0.1 mol/dm³ 程度の水溶液ではほぼ完全に解離し塩酸および過塩素酸などと[[電離度]]に大きな差は認められないが、濃厚溶液ではこれらの酸との電離度に差が認められ、2 - 4 mol/dm³ 溶液については[[糖]]転化の[[触媒]]作用についてこれらより弱いことが示され、非解離の硝酸分子が存在することが示されている<ref name=youekikagaku>山崎一雄他　『無機溶液化学』　南江堂、1968年</ref><ref name=kagakudaijiten>化学大辞典編集委員会　『化学大辞典』　共立出版、1993年</ref>。

濃厚溶液中における非解離の硝酸分子の濃度と[[デバイ-ヒュッケルの式|デバイ-ヒュッケル]]の拡張理論などから硝酸の[[酸解離定数]]は ''K'' = 21（21 ({{pKa}} = −1.32）32) と求められ、またメタノール中（ ({{pKa}} = 3.2）2) の値より水中では {{pKa}} = −1.8 とする推定値もある<ref name=binran>『改訂4版化学便覧基礎編Ⅱ』　日本化学会編、丸善、1993年</ref>。

[[8世紀]]の[[アラビア]]の科学者[[ジャービル・イブン＝ハイヤーン]]によって[[緑礬]] FeSO₄・7H₂O または[[ミョウバン|明礬]] KAl(SO₄)₂・12H₂O と[[硝石]] KNO₃ とを混ぜて[[蒸留]]によって合成されることが発見された。[[17世紀]]にはいって[[ヨハン・ルドルフ・グラウバー]]がこれを改良し、[[硫酸]]と硝石との混合物を蒸留し、純粋な硝酸を作っている。銅・銀などをも溶かし金属に対する作用は硫酸よりも強いということから、強い水という意味の[[ラテン語]]をとり ''aqua fortis'' と呼ばれた。イギリスでは硝石の精という意味の spirit of nitre ともいわれていた。硝酸という言葉は1789年に[[アントワーヌ・ラボヴォアジエ]]によって[[フランス語]]で acide nitrique と命名されて以来用いられるようになった。

2004年度日本国内生産量は 630,290 [[トン|t]]、消費量は 331,347 t である。[[ヴィルヘルム・オストヴァルト]]考案の'''オストワルト法'''（アンモニア酸化法とも<ref name=chem/>）による生産が一般的である。

アンモニアを[[白金]]触媒の存在下で 900 ℃ 程度に加熱すると[[一酸化窒素]]が得られる。この反応においては触媒とアンモニアの接触時間が重要であり、接触時間が長いとアンモニアと一酸化窒素とが反応して窒素が生成されてしまう<ref name=chem/>。触媒にはこのほかに CuO-MnO₂ 系や、Fe₂O₃-Bi₂O₃ 系などの金属酸化物触媒も、かつては用いられたことがあったが、触媒活性で劣っていたり、反応中に触媒が微粉化してしまうため、現在では、白金に 10 % ほどの[[ロジウム]]を加えた金網状の触媒が用いられている。白金-ロジウム触媒を用いた際には反応温度 800 {{℃}}、接触時間 0.001 秒の反応条件で一酸化窒素への転化が起こり、その収率は 95から &ndash; 98 % である<ref name=chem>{{Cite book|和書|author=米田幸夫|editor=化学大辞典編集委員会(編)|title=化学大辞典|volume=1|pages=531-532頁|edition=縮刷版第26版|publisher=共立|year=1981|month=10}}</ref>。そのほかに粘土によっても酸化に成功した事例もあるが、収率は半分以下である。

:<math>

\rm mathrm{4 NH_3 + 5 O_2 \longrightarrow 4 NO + 6 H_2O }

[[一酸化窒素]]は自発的に空気中の[[酸素]]と反応し[[二酸化窒素]]となる。空気酸化によるこの工程での収率はおよそ 50 % であり、純粋な酸素を用いて酸化させることでその収率は 62 % まで向上する<ref name=chem/>。

:<math>

\rm mathrm{2 NO + O_2 \longrightarrow 2 NO_2}

[[二酸化窒素]]を[[水]]（温水）と反応させると硝酸と[[一酸化窒素]]が発生する（[[一酸化窒素]]は最初のサイクルに戻る）（冷水との反応は「[[二酸化窒素]]」を参照）。常圧で反応させた場合は硝酸の濃度が低いため、ポーリング式硝酸濃縮法と呼ばれる方法を用いて硝酸濃度を 98 %になるまで濃縮が行われる。また、10 [[標準気圧|気圧]] (10⁶ [[パスカル|Pa]]) ほどの圧力を加えて反応させる高圧法を用いれば、濃縮の必要なく直接 98 %の硝酸が得られる<ref name=chem/>。

:<math>

\rm mathrm{3 NO_2 + H_2O \longrightarrow 2 HNO_3 + NO}

:<math>

\rm mathrm{NH_3 + 2O_2 \longrightarrow HNO_3 + H_2O}

'''硝酸イオン'''（しょうさんイオン、NO₃⁻, nitrate）は硝酸およびその化合物の電離、分解によって主に生じる1価の[[陰イオン]]、窒素化合物であり、硝酸塩中にも存在し、平面[[正三角形]]型構造で N−O 結合距離は硝酸三水和物中において 124.7～1267 &ndash; 126.5 [[ピコメートル|pm]] である<ref name=binran />。