第四章第四讲氮及重要化合物.docx
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第四章第四讲氮及重要化合物
第四讲 氮及其重要化合物
[2017高考导航]
考纲要求
真题统计
命题趋势
1.了解氮单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2.了解常见的氮的氧化物(NO、NO2)对环境质量的影响。
3.会用硝酸的氧化性解释硝酸与金属、非金属及其他具有还原性物质反应的特点。
4.掌握氨气的实验室制法(包括所用试剂、仪器、反应原理和收集方法)。
2015,卷Ⅰ7T、10T(A);
2015,卷Ⅱ13T(B);
2014,卷Ⅰ8T(C)、13T(D)
预计2017年高考对本部分的考查仍将以氨气、铵盐、一氧化氮、二氧化氮和硝酸等物质的性质为重点,以化学实验、化工生产工艺流程为载体,突出考查有关化学方程式的书写和氧化还原反应的计算。
复习备考时,注重硝酸的氧化性以及相关计算。
考点一 氮气及氮的氧化物[学生用书P100]
1.氮的固定
2.氮气(填化学方程式)
3.氮的氧化物
(1)物理性质
颜色
气味
毒性
密度
溶解性
NO
无色
有毒
比空气
稍重
不溶于水
NO2
红棕色
有刺激
性气味
有毒
比空
气重
与水发
生反应
(2)化学性质
①NO―→NO2:
2NO+O2===2NO2
②NO2―→HNO3(NO):
3NO2+H2O===2HNO3+NO
(3)对环境的污染
①形成光化学烟雾,污染空气。
②形成酸雨。
③破坏臭氧层。
④与血红蛋白结合使人中毒。
1.下列起固氮作用的化学反应是( )
A.N2和H2在一定条件下反应生成NH3
B.NO与O2反应生成NO2
C.NH3催化氧化生成NO
D.由NH3制NH4HCO3和(NH4)2SO4
解析:
选A。
氮的固定是指将N2转化为氮的化合物的过程。
符合题意的为A项。
2.下列说法正确的是( )
A.CO、NO、NO2都是大气污染气体,在空气中都能稳定存在
B.NO可用于某些疾病的治疗
C.常温下,N2既能与O2反应又能与H2反应
D.汽车尾气的主要污染成分包括NO、CO和N2
答案:
B
3.下列物质的转化,能一步完成的是________。
①N2―→NO2 ②NO2―→NO ③NO2―→HNO3 ④N2―→NO ⑤N2―→NH3
答案:
②③④⑤
名师点拨
(1)氮的氧化物都有毒,其中NO2与N2O4存在下列平衡:
2NO2
N2O4,因此实验测得NO2的平均相对分子质量总大于46。
(2)验证某无色气体是NO的方法:
向无色气体中通入O2(或空气),无色气体变为红棕色,即证明该气体为NO。
(3)NO2既有氧化性又有还原性,以氧化性为主。
NO2能使湿润的淀粉KI试纸变蓝。
(教材改编)一个大试管的容积为27mL,收集满二氧化氮气体,把它倒扣在盛满水的水槽里同时通入氧气,一段时间后,量筒里剩余气体体积为2mL。
则通入的O2体积可能是________或________。
[解析] NO2、O2混合气体与水的反应的计算关系式符合下列化学方程式:
4NO2+O2+2H2O===4HNO3。
若剩余的2mL气体为O2,则参加上式反应的NO2和O2的总体积为27mL-2mL=25mL,则原混合气体中,NO2的体积为25mL×
=20mL,O2的体积为27mL-20mL=7mL。
若剩余的2mL气体为NO,该气体由NO2和O2共同反应后剩余了6mL的NO2再单独与水反应而得,则按4NO2+O2+2H2O===4HNO3反应的NO2和O2的总体积为27mL-6mL=21mL,则原混合气体中,O2的体积为21mL×
=4.2mL。
[答案] 7mL 4.2mL
1.NO2、O2混合气体与水反应的化学方程式4NO2+O2+2H2O===4HNO3是怎么得到的?
答案:
NO2和O2的混合气体溶于水时,发生如下反应:
3NO2+H2O===2HNO3+NO ①
2NO+O2===2NO2 ②
反应①的反应物(NO2)和产物(NO)分别是反应②的产物和反应物,这两个反应互为“循环反应”。
进行计算时可采用“加合式”法消去中间产物(NO),①式×2+②式得:
4NO2+O2+2H2O===4HNO3。
2.若将NO与O2共同通入水中进行反应,写出恰好完全反应的化学方程式。
答案:
3NO2+H2O===2HNO3+NO ①
2NO+O2===2NO2 ②
采用“加合式”法消去中间产物(NO2),①式×2+②式×3得:
4NO+3O2+2H2O===4HNO3。
有关氮的氧化物溶于水的计算
(1)NO2和O2的混合气体溶于水时,由4NO2+O2+2H2O===4HNO3 ①
可知,当体积比V(NO2)∶V(O2)
(2)NO和O2的混合气体溶于水时,其反应是2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO,总反应式为4NO+3O2+2H2O===4HNO3 ②
可知,当体积比V(NO)∶V(O2)
[注意] 4NO2+O2和4NO+3O2从组成上均相当于2N2O5,即①、②两反应式都与N2O5+H2O===2HNO3等效。
这不仅是记忆①②两式的一种好方法,也为上述问题的解法提供了新的解题思路,即利用混合气体中的N、O原子个数比进行分析判断:
N(N)∶N(O)
题组一 氮气及其氧化物的性质
1.(2015·高考北京卷)下列关于自然界中氮循环(如下图)的说法不正确的是( )
A.氮元素均被氧化
B.工业合成氨属于人工固氮
C.含氮无机物和含氮有机物可相互转化
D.碳、氢、氧三种元素也参加了氮循环
解析:
选A。
A.N2→NH3过程中氮元素由0价变为-3价,被还原。
B.工业合成氨的过程属于人工固氮。
C.1828年,德国化学家维勒首次利用无机物氰酸铵合成了尿素;而含氮的有机物也可以直接分解为无机物。
D.雷电发生时涉及的反应有N2+O2
2NO,2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO,HNO3进入土壤,与矿物质结合成硝酸盐;豆科植物也可以将N2合成氮肥,生物体内含有C元素,所以碳、氢、氧三种元素都参加了氮循环。
2.(2016·湖北重点高中联考)汽车排放的尾气中含有NO2,NO2是城市大气污染的主要污染物之一,在日光照射下,NO2发生一系列光化学烟雾的循环反应,从而不断产生O3,加重空气污染。
反应过程为①2NO2―→2NO+2O,②2NO+O2―→2NO2,③O+O2―→O3。
下列对该反应过程及生成物叙述正确的是( )
A.NO2起催化剂作用
B.NO起催化剂作用
C.NO2只起氧化剂作用
D.O3与O2为同分异构体
解析:
选A。
反应过程①+②得O2―→2O,③O+O2―→O3,NO2起催化剂作用,反应过程中NO2还作氧化剂,A项正确,B、C项错误;O3与O2的相对分子质量不相同,不是同分异构体,属同素异形体,D项错误。
题组二 氮的氧化物溶于水的简单计算
3.在一定条件下,将NO2和O2的混合气体12mL通入足量水中,充分反应后剩余2mL气体(同温同压下),则原混合气体中氧气的体积为( )
①1.2mL ②2.4mL ③3mL ④4mL
A.①② B.②③
C.③④D.①④
解析:
选D。
首先分析剩余的2mL气体有两种可能。
如果剩余2mLO2,则V(NO2)=
×(12-2)mL=8mL,则混
合气中的V(O2)=12mL-8mL=4mL。
若剩余的2mL气体是NO,则混合气中的V(O2)=(12mL-2mL×3)×
=1.2mL,D项正确。
4.如下图所示,将相同条件下的m体积NO和n体积O2同时通入倒立于水槽中且盛满水的试管内,充分反应后,试管内残留
体积的气体,该气体与空气接触后立即变为红棕色。
则
m与n的比值为( )
A.3∶2B.2∶3
C.8∶3D.3∶8
解析:
选C。
剩余气体与空气接触立即变为红棕色,说明剩余气体为NO,则可知
体积的NO气体与n体积的氧气恰好完全反应,由4NO+3O2+2H2O===4HNO3得
=
n,即m∶n=8∶3。
(1)氮的氧化物都是大气污染物。
(2)空气中NO2是造成光化学烟雾的主要因素。
(3)空气中NO、NO2主要来源于煤和石油的燃烧、汽车尾气、硝酸工厂等。
考点二 硝酸的性质及应用[学生用书P102]
1.物理性质
色味态:
无色有刺激性气味液体;挥发性:
易挥发。
水溶性:
与水以任意比互溶;发烟硝酸:
质量分数在98%以上的硝酸。
2.化学性质
(1)不稳定性:
4HNO3
4NO2↑+O2↑+2H2O。
(2)强氧化性
①与金属反应
a.与除Au、Pt外大部分金属反应
浓硝酸与铜反应:
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O;
稀硝酸与铜反应:
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
b.常温下浓硝酸使Fe、Al钝化。
②与非金属反应
浓硝酸与炭反应:
C+4HNO3(浓)
CO2↑+4NO2↑+2H2O。
③与某些还原性化合物(如Fe2+、SO
等形成的化合物)反应。
(3)与有机物反应
①硝化反应(与C6H6反应):
C6H6+HNO3
C6H5NO2+H2O。
②颜色反应:
蛋白质遇到浓硝酸时变黄色。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)浓、稀硝酸都能使蓝色石蕊试纸最终变为红色。
( )
(2)硝酸能与Na2CO3反应,但不生成CO2。
( )
(3)硝酸可与Na2S反应制得H2S气体。
( )
(4)过量的铜与浓硝酸反应有一氧化氮生成。
( )
(5)常温下,铝和铁在浓HNO3中“钝化”,说明铝和铁与浓HNO3不反应。
( )
(6)(2014·高考广东卷)将可调高度的铜丝伸入稀HNO3中,溶液变蓝,说明Cu与稀HNO3发生置换反应。
( )
(7)用浓HNO3与Cu反应制备NO2。
( )
(8)向装有Fe(NO3)2溶液的试管中加入稀H2SO4,在管口观察到有红棕色气体产生,这是因为HNO3分解生成了NO2。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)× (6)×
(7)√ (8)×
2.写出下列反应的离子方程式,并指出HNO3所表现的性质。
(1)Fe3O4和稀HNO3反应:
________________________________________________________________________,
____________。
(2)NaI和稀HNO3反应:
________________________________________________________________________,
____________。
(3)Na2SO3和稀HNO3反应:
________________________________________________________________________,
____________。
答案:
(1)3Fe3O4+28H++NO
===9Fe3++NO↑+14H2O 酸性和强氧化性
(2)6I-+8H++2NO
===3I2+2NO↑+4H2O 强氧化性
(3)3SO
+2H++2NO
===3SO
+2NO↑+H2O 强氧化性
名师点拨
(1)浓、稀硝酸均具有强氧化性,浓度越大,氧化性越强,其还原产物的价态越高。
(2)浓硝酸能使紫色石蕊试液先变红,后褪色,该反应过程中浓硝酸表现出强酸性和强氧化性。
(3)常温下,铁、铝遇浓硝酸能发生“钝化”,故常温下,浓硝酸可用铁桶盛放。
(4)纯净的硝酸是无色的液体,但实验室里的浓硝酸常显黄色,消除黄色的方法是向浓硝酸中通入空气(或O2),发生反应为4NO2+O2+2H2O===4HNO3。
(5)硝酸几乎能够与所有的金属反应(除Au、Pt外),但不生成氢气;与变价金属反应时,金属能够被氧化为最高价态。
(2016·三门峡高三模拟)足量铜与一定量浓硝酸反应,得到硝酸铜溶液和NO2、N2O4、NO的混合气体,这些气体与1.68LO2(标准状况)混合后通入水中,所有气体完全被水吸收生成硝酸。
若向所得硝酸铜溶液中加入5mol·L-1NaOH溶液至Cu2+恰好完全沉淀,则消耗NaOH溶液的体积是( )
A.60mL B.45mL
C.30mLD.15mL
[解析] 由题意可知:
HNO3
HNO3,则Cu失去的电子数与O2得到的电子数相等,即n(Cu)=2n(O2)=2×
=0.15mol。
根据质量守恒及NaOH和Cu(NO3)2的反应可得关系式:
n(NaOH)=2n[Cu(NO3)2]=2n(Cu)=0.3mol,则V(NaOH)=
=0.06L=60mL。
[答案] A
将上题修改为“19.2g铜与一定量浓硝酸反应,得到硝酸铜溶液和NO2、N2O4、NO的混合气体,这些气体与一定量O2(标准状况)混合后通入水中,所有气体完全被水吸收生成硝酸。
”请问需要标准状况的O2多少升?
答案:
根据电子转移关系,铜失去的电子最终被氧气所得,则有关系式2Cu~O2,O2的体积为19.2g÷64g/mol÷2×22.4L/mol=3.36L。
解硝酸与金属反应计算题的整体思路和计算方法
(1)整体思路
(2)计算方法
①原子守恒法
HNO3与金属反应时,一部分HNO3起酸的作用,以NO
的形式存在于溶液中;一部分作为氧化剂转化为还原产物,这两部分中氮原子的总物质的量等于反应消耗的HNO3中氮原子的物质的量。
②电子守恒法
HNO3与金属的反应属于氧化还原反应,HNO3中氮原子得电子的物质的量等于金属失电子的物质的量。
③离子方程式计算法
涉及HNO3、H2SO4的混合酸与金属反应计算时应采用离子方程式计算。
题组一 硝酸的性质与计算
1.(2016·衡水高三调研)铁粉和铜粉的均匀混合物,平均分成四等份,分别加入同浓度的稀硝酸,充分反应,在标准状况下生成NO的体积和剩余金属的质量如下表(设硝酸的还原产物只有NO):
编号
①
②
③
④
稀硝酸体积/mL
100
200
300
400
剩余金属/g
18.0
9.6
0
0
NO体积/mL
2240
4480
6720
V
下列计算结果错误的是( )
A.实验①中溶解了8.4gFe
B.原混合物总质量为105.6g
C.硝酸的浓度为4mol/L
D.实验④中V=6720
解析:
选D。
实验①②都有金属剩余,则溶液中金属离子为+2价,实验①中再加入100mL稀硝酸,参加反应的金属的质量为18.0g-9.6g=8.4g,生成NO的体积为4480mL-2240mL=2240mL,NO的物质的量为0.1mol,根据得失电子守恒可知,参加反应的金属的物质的量为
=0.15mol,参加反应的金属的平均摩尔质量为
=56g/mol,故该过程只有Fe参加反应,即实验①中8.4gFe参与反应,A正确;实验②中再加入100mL稀硝酸,参加反应的金属的质量为9.6g,生成NO的体积为6720mL-4480mL=2240mL,NO的物质的量为0.1mol,若该过程只有Cu参加反应,根据得失电子守恒,则Cu的质量为
×64g/mol=9.6g,等于参加反应金属的质量,故该过程只有Cu反应,且Cu恰好完全反应,故加入200mL稀硝酸时,Fe的存在形式是硝酸亚铁,在实验③的基础上再加入100mL稀硝酸,硝酸与溶液中的Fe2+反应生成NO。
原混合物总质量为[(18.0g-9.6g)×2+9.6g]×4===105.6g,B正确;实验①发生反应3Fe+8HNO3===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O,生成NO的物质的量为0.1mol,根据方程式可知,参加反应的HNO3的物质的量为0.1mol×4=0.4mol,故HNO3的物质的量浓度为0.4mol/0.1L=4mol/L,C正确;实验③中再加入100mL稀硝酸,硝酸与溶液中Fe2+反应生成NO,则V>6720,D错误。
故答案选D。
2.(2016·哈尔滨高三模拟)在某100mL的混合液中,硝酸和硫酸的物质的量浓度分别是0.4mol/L、0.1mol/L,向该混合液中加入1.92g铜粉,加热,待充分反应后,所得溶液中铜离子的物质的量浓度(不考虑溶液体积变化)是( )
A.0.15mol/L B.0.225mol/L
C.0.30mol/LD.0.45mol/L
解析:
选B。
溶液中同时存在H+和NO
时就能够与Cu发生反应。
该溶液中H+实际为0.06mol,应该根据离子方程式进行计算,正确解答思路为
3Cu+ 8H++ 2NO
===3Cu2++2NO↑+4H2O
3823
0.03mol0.06mol0.04molX
根据各物质量的关系可知,H+不足,应根据H+进行计算。
X=3×0.06mol÷8=0.0225mol,
因此,铜离子浓度为
=0.225mol/L。
题组二 硝酸的强氧化性实验探究
3.(2016·长沙雅礼中学模拟)某化学兴趣小组设计了如下实验装置,欲探究铜和浓硝酸的反应是否有NO产生,题中所涉及气体体积均为标准状况下的数据,且忽略反应中溶液体积的变化。
试回答下列问题:
(1)C装置中将铜粉分散在石棉绒中的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________;
B装置的作用为_____________________________________________________。
(2)在铜和浓硝酸反应前,挤压打气球鼓入空气,经A、B、C反应后,进入D中的气体主要是__________(填化学式),通入该气体的目的是__________________________________________________;进行此步操作时应关闭_____________,打开______________。
(填“k1”“k2”或“k3”)
(3)关闭k1、k2,打开k3,由分液漏斗向装有一定量铜片的D中滴加14mol·L-1浓硝酸10.00mL。
待Cu和浓硝酸反应结束后,再通过分液漏斗向D中加入CCl4至满。
你认为这样操作的目的是________________________________________________________________________。
(4)若E中发生倒吸,可采取的应急操作是__________________________________________________。
解析:
(2)气球中的空气成分主要是氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等,通过氢氧化钠溶液除去二氧化碳,通过浓硫酸除去水蒸气,C装置用于除掉空气中的氧气,所以进入D装置的气体主要是氮气;通入氮气的目的是把试管中的空气排尽,避免生成的一氧化氮气体被氧气氧化为二氧化氮,无法验证铜和浓硝酸反应产物中有一氧化氮气体生成;依据气体流向,关闭k3,打开k1、k2,让氮气把试管中的空气赶尽。
(3)关闭k1、k2,打开k3,由分液漏斗向D中滴加浓硝酸,Cu和浓硝酸反应结束后,通过分液漏斗向D中加入CCl4至满,因为氮气和氮氧化物不溶于四氯化碳,可把氮气和生成的气体全部排入E装置。
(4)若E中发生倒吸,可以调节F中量气管的液面高度改变压强,向下调节量气管(注意不能使其中的水溢出),使E中的压强减小,防止液体发生倒吸,或直接关闭k3,不让液体进入D装置。
答案:
(1)增大铜与空气的接触面积,有利于除去空气中的氧气 既能干燥气体,防止加热时仪器炸裂,同时直立于水面的玻璃管平衡内外气压,能显示实验过程中是否存在堵塞,防止发生危险
(2)N2 赶尽装置中的空气(氧气),防止可能生成的NO与O2反应而影响实验结论 k3 k1、k2
(3)将反应产生的气体全部赶出,使其与E中水完全反应
(4)及时关闭k3(或将F中的量气管向下移动,但不能让其中的水溢出)
4.某学习小组探究浓、稀硝酸氧化性的相对强弱,按下图装置进行实验(夹持仪器已略去)。
实验表明浓硝酸能将NO氧化成NO2,而稀硝酸不能氧化NO。
由此得出的结论是浓硝酸的氧化性强于稀硝酸。
可选药品:
浓硝酸、3mol/L稀硝酸、蒸馏水、浓硫酸、氢氧化钠溶液及二氧化碳。
已知:
氢氧化钠溶液不与NO反应,能与NO2反应:
2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O。
(1)实验应避免有害气体排放到空气中,装置③、④、⑥中盛放的药品依次是________________________________________________________________________。
(2)滴加浓硝酸之前的操作是检验装置的气密性,加入药品,打开弹簧夹后________________________________________________________________________。
(3)装置①中发生反应的化学方程式是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)装置②的作用是________________________________________________________________________,
发生反应的化学方程式是________________________________________________________________________。
(5)该小组得出的结论所依据的实验现象是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)实验结束后,同学们发现装置①中溶液呈绿色,而不显蓝色。
甲同学认为是该溶液中硝酸铜的质量分数较高所致,而乙同学认为是该溶液中溶解了生成的气体。
同学们分别设计了以下4个实验来判断两种看法是否正确。
这些方案中可行的是________(选填序号字母)。
a.加热该绿色溶液,观察颜色变化
b.加水稀释该绿色溶液,观察颜色变化
c.向该绿色溶液中通入氮气,观察颜色变化
d.向饱和硝酸铜溶液中通入浓硝酸与铜反应产生的气体,观察颜色变化
解析:
本题主要考查HNO3的性质、化学基本实验设计和评价能力。
(1)先根据装置特点和实验目的来分析各装置中应盛放何种物质;装置④中盛放浓HNO3以验证浓HNO3将NO氧