Salpetersäure

Salpetersäure – einfach erklärt

Salpetersäure $\left( \ce{HNO3} \right)$ ist eine starke, anorganische Sauerstoffsäure des Stickstoffs. Sie ist sehr stabil und kann in Flaschen aufbewahrt werden. Die Konzentrationen $100$, $65$ und $53$ Prozent sind häufig zu finden, aber auch stärker verdünnte Lösungen gibt es zu kaufen. In wässriger Lösung dissoziiert Salpetersäure praktisch vollständig zu Ionen. Die Salze der Salpetersäure werden als Nitrate bezeichnet.

In der folgenden Abbildung ist die Strukturformel eines Salpetersäuremoleküls dargestellt. Die drei Sauerstoffatome sind direkt an den Stickstoff gebunden. Nur eine der drei Bindungen ist eine Doppelbindung (um die Oktettregel nicht zu verletzen), deshalb erhält eines der Sauerstoffatome eine negative Formalladung und Stickstoff eine positive Formalladung. Wird das gebundene Wasserstoffatom abgegeben, entsteht eine weitere negative Ladung, die nicht mehr ausgeglichen werden kann. So wird aus dem Molekül das Nitrat-Ion $\left( \ce{NO3}^{-} \right)$.

Salpetersäure – Formel

Salpetersäure wird auch Scheidewasser genannt. Formal gesehen ist sie eine Oxosäure, also eine Sauerstoffsäure mit der Säuregruppe –OOH, die über ein zentrales Stickstoffatom verknüpft ist. Das haben wir bereits in der vorangegangenen Abbildung gezeigt. Die Summenformel von Salpetersäure lautet $\ce{HNO3}$.

Eigenschaften der Salpetersäure – Steckbrief

Im folgenden Steckbrief sind die wichtigsten chemischen und physikalischen Eigenschaften der Salpetersäure aufgeführt.

Vorkommen von Salpetersäure

In der Natur kommt Salpetersäure in reiner Form nicht vor. Einige Salze der Salpetersäure, verschiedene Nitrate, sind allerdings sehr wohl im Boden zu finden. Darüber hinaus spielt Salpetersäure bei den Folgen der Luftverschmutzung eine Rolle.

Herstellung von Salpetersäure

Salpetersäure kann durch verschiedene chemische Verfahren hergestellt werden, von denen wir uns drei genauer ansehen.

Ostwald-Verfahren

In der Industrie wird Salpetersäure nach dem sogenannten Ostwaldverfahren hergestellt. Dabei laufen nacheinander drei Reaktionsschritte ab:

Im Grunde wird also Salpetersäure aus Ammoniak und Wasser hergestellt, wobei zwei Zwischenschritte über Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid notwendig sind.

Im vollständigen Prozess gibt es noch weitere Teilreaktionen, die wir allerdings zur Vereinfachung weggelassen haben.

Herstellung aus Kaliumnitrat und Schwefelsäure

In kleineren Mengen kann Salpetersäure auch aus der Reaktion des Salzes Kaliumnitrat $\left( \ce{KNO3} \right)$ mit Schwefelsäure $\left( \ce{H2SO4} \right)$ gewonnen werden. Dabei entsteht Kaliumhydrogensulfat $\left( \ce{KHSO4} \right)$ als Nebenprodukt:

$\ce{KNO3 + H2SO4 -> HNO3 + KHSO4}$

Auf diese Weise wurde bereits im $17.$ Jahrhundert von dem berühmten Alchemisten Johann Rudolf Glauber $(1604 - 1670)$ Salpetersäure hergestellt.

Herstellung durch Lichtbogenverfahren

Ein Lichtbogen ist eine starke elektrische Entladung, die über ein Gas, genauer gesagt durch die Bildung einen leitfähigen Plasmas, stattfindet. Dabei wird sehr viel Energie frei. Durch diese Energiezufuhr können Stickstoff und Sauerstoff direkt in der Luft miteinander reagieren. Das dabei entstehende Stickstoffmonoxid reagiert weiter zu Stickstoffdioxid, welches wiederum mit Wasser zu Salpetersäure reagieren kann. Ähnlich wie beim Ostwaldverfahren handelt es sich also wieder um eine Reaktion in drei Schritten:

Hier wird zwar kein Ammoniak $\left( \ce{NH3} \right)$ benötigt, trotzdem wird aufgrund des hohen Energiebedarfs des Verfahrens heutzutage im industriellen Maßstab das Ostwaldverfahren bevorzugt.

Verwendung der Salpetersäure

Salpetersäure ist ein sehr wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie, der zur Herstellung vieler Stoffe benötigt wird. Das Verfahren der Nitrierung wird bei der Herstellung von Farbstoffen, Heilmitteln und Desinfektionsmitteln eingesetzt. Die Salze der Salpetersäure werden zum Beispiel für Dünger und für die Herstellung von Sprengstoffen genutzt.

Salpetersäure und Stickstoffdünger

Das Element Stickstoff spielt auch in der organischen Chemie eine wichtige Rolle. Es ist beispielsweise ein elementarer Bestandteil von Proteinen. Pflanzen nehmen Stickstoff über Nitratsalze im Boden auf. Diese können auch als Dünger zugeführt werden. Stickstoffdünger enthalten Stickstoff in gebundener Form. Ein typisches Beispiel ist Ammoniumnitrat $\left( \ce{NH4NO3} \right)$, das durch die Reaktion von Salpetersäure mit Ammoniak hergestellt werden kann:

$\ce{NH3 + HNO3 -> NH4NO3}$

Ammoniumnitrat dissoziiert in Wasser zu einem Ammonium-Ion und einem Nitrat-Ion:

$\ce{NH4NO3 \rightleftharpoons NH4^{+} + NO3^{-}}$

Salpetersäure und Sprengstoffe

Zur Herstellung des bekannten Sprengstoffs Nitrogylcerin, auch Glycerinnitrat oder Trisalpetersäureester genannt, wird Glycerin mit Salpetersäure verestert. Die Reaktionsgleichung ist in der folgenden Abbildung mit Strukturformeln dargestellt.

Auch Schwefelsäure $\left( \ce{H2SO4} \right)$ ist an der Reaktion beteiligt und es entsteht Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ als Nebenprodukt.

Salpetersäure und Salzsäure – Königswasser

Salpetersäure ist eine starke Säure und ein starkes Oxidationsmittel. Ein Gemisch aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter, ebenfalls sehr starker, Salzsäure wird Königswasser genannt. Dieser Name wurde schon im Mittelalter verwendet und beruht auf der Eigenschaft des Königswassers, sogar sehr edle Metalle wie Gold und Platin zersetzen zu können. Gold wird durch Königswasser oxidiert und löst sich in diesem. Für die Alchemisten, die viel mit Gold experimentierten, war dies von ganz besonderer Bedeutung. Aber auch heutzutage wird Königswasser noch von Juwelieren verwendet, um den Goldgehalt von Schmuck zu prüfen.

Reaktionen der Salpetersäure

In diesem Abschnitt werden einige der wichtigsten Reaktionen der Salpetersäure beschrieben.

Dissoziation in Wasser

Wie alle Säuren dissoziiert Salpetersäure in wässriger Lösung, d. h. die Säure spaltet sich in ihre ionischen Bestandteile auf. In Wasser dissoziiert Salpetersäure vereinfacht gesehen zu positiv geladenen Wasserstoff-Ionen und negativ geladenen Nitrat-Ionen:

$\ce{HNO3 \rightleftharpoons H^{+} +NO3^{-}}$

Genauer betrachtet findet eine Reaktion mit Wasser statt und es entsteht ein Oxonium-Ion (auch Hydronium-Ion genannt):

$\ce{HNO3 + H2O \rightleftharpoons H3O^{+} +NO3^{-}}$

Salpetersäure ist eine starke Säure, es findet also eine vollständige Dissoziation statt. Das heißt, der Schwerpunkt der Gleichgewichtsreaktion der Dissoziation liegt vollständig auf der rechten Seite der Reaktion. Praktisch alle Säuremoleküle dissoziieren und geben Protonen ab bzw. bilden damit Oxonium-Ionen.

Neutralisation von Basen

Bei einer Neutralisationsreaktion von Säuren und Basen entstehen Salze. Bei der Reaktion mit Salpetersäure werden diese Nitrate genannt. Reagiert zum Beispiel Salpetersäure mit Natronlauge $\left( \ce{NaOH} \right)$, bildet sich das Salz Natriumnitrat $\left( \ce{NaNO3} \right)$:

$\ce{NaOH + HNO3 \rightarrow NaNO3 + H2O}$

Oxidation von Metallen

Salpetersäure wirkt oxidierend. Sie kann sogar edle Metalle wie Kupfer oxidieren und reagiert dabei zu Kupfernitrat $\left( \ce{Cu(NO3)2} \right)$. Als Nebenprodukte entstehen Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ und Stickstoffmonoxid $\left( \ce{NO} \right)$.

$\ce{8 HNO3 + 3Cu \rightarrow 3 Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO}$

Auch unedle Metalle wie Eisen können durch verdünnte Salpetersäure oxidiert werden. In diesem Fall entsteht Eisen(II)-nitrat $\left( \ce{Fe(NO3)2} \right)$ und als Nebenprodukt Wasserstoff $\left( \ce{H2} \right)$.

$\ce{Fe + 2HNO3 \rightarrow Fe(NO3)2 + H2}$

Rauchende Salpetersäure

Salpetersäure kann in verschiedenen Konzentrationen mit Wasser vermischt werden. Reine, also $100\,\%$-ige Salpetersäure wird rauchende Salpetersäure genannt, da sie sich an der Luft teilweise zersetzt, wodurch neben Wasser und Sauerstoff auch Stickstoffdioxid $\left( \ce{NO2} \right)$ gebildet wird, das abdampft.

$\ce{4 HNO3 \rightarrow 4 NO2 + 2 H2O + O2}$

Stickstoffdioxid ist zwar kein Rauch im eigentlichen Sinne, aber ein rötlich-braunes, sehr giftiges Gas. Wenn sich ein Teil davon wieder in der Säure löst, bekommt auch diese ein rötlich-braune Färbung.

Scheidewasser

Scheidewasser ist eine andere Bezeichnung für Salpetersäure. Sie kommt daher, dass konzentrierte Salpetersäure das Element Silber löst und daher verwendet werden kann, um Gold und Silber zu scheiden, also voneinander zu trennen.

Königswasser

Wie bereits erwähnt, ist Königswasser eine Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Salzsäure. Als solche kann sie sogar die edelsten Metalle, Gold und Platin, oxidieren. Die Reaktion, bei der elementares Gold $\left( \ce{Au } \right)$ zersetzt wird und die Verbindung Tetrachlorogoldsäure $\left( \ce{HAuCl4} \right)$ entsteht, läuft in zwei Schritten ab.

Zuerst reagieren Salpetersäure und Salzsäure und bilden Nitrosylchlorid $\left( \ce{NOCl} \right)$ und sogenanntes naszierendes Chlor $\left( \ce{Cl} \right)$:

$\ce{HNO3 + 3 HCl \rightarrow NOCl + 2 Cl_\text{nasc.} + 2 H2O}$

Beide Stoffe sind sehr reaktiv und reagieren weiter mit Gold und Salpetersäure zu Tetrachlorogoldsäure und Stickstoffdioxid $\left( \ce{NO2} \right)$:

$\ce{2 Au + 2 NOCl + 6 Cl_\text{nasc.} + 2 HNO3 \rightarrow 2 HAuCl4 + 4 NO2}$

Nachweis von Salpetersäure

Mithilfe der Ringprobe und Lunges Reagenz können Nitrat-Ionen und somit Salpetersäure im Labor nachgewiesen werden.

Nitrate – Salze der Salpetersäure

Wenn Salpetersäure mit einer Lauge bzw. Base reagiert, wie bei der Neutralisation gezeigt, entstehen spezielle Salze – sogenannte Nitrate. Auch bei Reaktionen mit Metallen, wie bei der Oxidation von Metallen gezeigt, entstehen solche Nitrate. Nitrate sind Ionenverbindungen in denen das einfach negativ geladene Nitrat-Ion $\left( \ce{NO3}^{-} \right)$ an ein Metall-Kation gebunden ist. Je nach Ladung des Metall-Ions können auch mehrere Nitrat-Ionen gebunden sein, wie das beispielsweise bei Kupfernitrat $\left( \ce{Cu(NO3)2} \right)$ der Fall ist. Eine Besonderheit stellt Ammoniumnitrat $\left( \ce{NH4NO3} \right)$ dar: Auch diese Verbindung ist ein Salz, obwohl das Ammonium-Kation $\left( \ce{NH4}^{+} \right)$ kein Metall-Ion ist. Bis auf wenige Ausnahmen sind alle Nitrat-Salze gut wasserlöslich. Die Ionen liegen in wässriger Lösung in dissoziierter Form vor. Das Nitrat-Ion ist weitgehend ungiftig, ist ein wichtiger Nährstoff für Pflanzen und spielt deshalb in Düngemitteln eine große Rolle.

Salpetersäure – Gefahren

Salpetersäure wird als gefährlicher Stoff eingestuft. Bei Kontakt kann Salpetersäure schwere Verätzungen der Haut sowie schwere Augenschäden verursachen. Beim Einatmen der Stickoxid-Dämpfe wirkt sie giftig und gegenüber Metallen kann die Salpetersäure korrosiv bzw. korrodierend sein. Beim Arbeiten mit Salpetersäure ist deshalb wichtig, dass gewisse Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.

Signalwort: Gefahr

Diese Gefahrstoffhinweise treffen umso mehr zu, je höher die Konzentration einer wässrigen Salpetersäurelösung ist. Konzentrierte Salpetersäure ist um ein Vielfaches gefährlicher als stark verdünnte Salpetersäure.

Ausblick – das lernst du nach Salpetersäure

Erkunde die beeindruckende Welt der Säuren und Basen! Das Verständnis der Dissoziation von Säuren und der Bildung von Salzen führen dich tiefer in die Chemie ein. Freue dich auf spannende Experimente und überraschende Einblicke in die faszinierende Welt der Moleküle und Reaktionen!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Salpetersäure