第13讲 氮及氮的化合物.docx
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第13讲氮及氮的化合物
第15讲 氮及氮的化合物
【考纲要求】
考纲内容
能力要求
考向定位
1.了解常见非金属单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2.了解常见非金属单质及其重要化合物对环境质量的影响。
1.了解氮族元素及其原子结构,理解其性质递变规律。
2.掌握氮气的性质和分子结构,掌握氮的氧化物的化学性质及有关计算。
3.了解氨的物理性质、分子结构,掌握氨的化学性质及氨的实验室制法。
4.了解铵盐的性质,掌握铵根离子的检验。
5.了解硝酸的物理性质及用途,掌握硝酸的化学性质。
氮及其化合物的相互转化关系是高考的重要内容,主要考点有:
①氮族元素的原子结构特点、主要性质及其性质递变规律;②氮气的分子结构、性质及其化合物间的转化关系;③氮的氧化物主要性质及溶于水的有关计算;④氨气的分子结构及其物理性质,实验室制法;⑤氨气及铵盐的重要化学性质及有关反应;⑥硝酸、硝酸盐的性质及重要反应。
今后的命题方向:
将氮族元素知识作为概念、理论的载体,以新情境来考查考生对这部分知识的理解和掌握水平。
【考点整合】
考点1氮的氧化物
1.氮元素有+1、+2、+3、+4、+5等五种正价态,五种正价对应六种氧化物:
N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5。
其中N2O3和N2O5分别是HNO2和HNO3的酸酐。
NO是一种色还原性较强的气体,易被O2氧化生成,NO2是一种色的易溶于水且与水反应的气体,氧化性强,能氧化SO2,能使湿润的KI-淀粉试纸变。
2.NO、NO2都是大气污染物,空气中NO、NO2主要来自石油产品和煤燃烧、汽车尾气以及制硝酸工厂的废气。
其中空气中的NO2是造成的主要因素。
3.NO、NO2的制法
(1)NO的实验室制法
①原理:
②装置:
铁架台、铁夹、铁圈、烧瓶、分液漏斗、胶塞、导管、酒精灯等
③收集:
④检验:
无色气体和空气接触立即变红棕色
(2)NO2的实验室制法
①原理:
②装置:
锥形瓶(或烧瓶)、分液漏斗、带导管胶塞
③收集:
[特别提醒]:
通常“纯净”的NO2或N2O4并不纯,因为在常温、常压下能发生2NO2
N2O4反应。
由于此可逆反应的发生,通常实验测得NO2的相对分子质量大于它的实际值,或在相同条件下,比相同物质的量的气体体积要小。
此外涉及NO2气体的颜色深浅、压强、密度等要考虑此反应。
因而可逆反应2NO2
N2O4在解化学题中有很重要的应用。
【例1】最新研究表明:
NO吸收治疗法可快速改善SARS重症患者的缺氧状况,缓解病情。
病毒学研究同时证实,NO对SARS病毒有直接抑制作用。
下列关于NO的叙述正确的是()
A.NO是一种红棕色的气体B.常温常压下,NO不能与空气中氧气直接化合
C.含等质量的氧元素的NO和CO的物质的量相等
D.NO易溶于水,不能用排水法收集
【解析】NO是一种无色难溶于水的气体,可以用排水法收集。
常温常压下,NO容易与氧气直接化合生成NO2。
【答案】C
考点2氨的性质
1.氨的物理性质
氨气为色、有气味的气体,比空气轻,易液化,溶于水,氨水的密度小于水的密度,氨水的浓度,密度。
2.氨的化学性质;
(1)与水反应,溶液呈碱性:
NH3+H2O
NH3·H2O
NH4++OH
氨水中所含有微粒:
,氨水中溶质通常看作为NH3,而不是NH3·H2O。
(2)与酸反应
NH3+HNO3
NH4NO3HCl+NH3
NH4ClH2SO4+2NH3
(NH4)2SO4
氨气与氯化氢相遇便产生,可用于NH3与HCl的相互检验。
(3)还原性
NH3分子中氮元素呈-3价,具有还原性,能在一定条件下与O2、Cl2、CuO等反应,被它们氧化:
2NH3+3Cl2
2NH3+3CuO
3.氨气的实验室制法
(1)原理:
固态铵盐与碱加热反应:
(2)发生装置:
固+固+加热型,与制备气体相似;
(3)收集:
。
(4)干燥:
在干燥管中盛放作干燥剂。
不能用浓硫酸、P2O5、无水氯化钙作干燥剂,因CaCl2吸收氨气生成CaCl2·8NH3。
(5)验满:
a.用湿润的红色石蕊试纸放在瓶口,若变蓝,则满;b.蘸有浓盐酸的玻璃棒接近瓶口,若产生白烟,则满。
[特别提醒]:
①制氨气所用铵盐不能用硝铵、碳铵。
因加热过程中NH4NO3可能发生爆炸性的分解反应,发生危险;而碳铵受热极易分解产生CO2,使生成的NH3中混有较多的CO2杂质。
②消石灰不能用NaOH、KOH代替,原因是:
a、NaOH、KOH具有吸湿性、易结块,不利于产生NH3;b、在高温下能腐蚀大试管。
③因氨气比空气轻,易与空气发生对流,所以收集时,导气管应插入收集气体的试管底部附近,管口塞一团干燥的棉花团,来防止NH3与空气对流,确保收集到纯净的氨气。
④制备NH3也可以通过加热浓氨水的方法,利用NH3·H2O
NH3↑+H2O原理制备。
也可以利用往浓氨水中加入烧碱制备,原理:
烧碱溶于水为放热反应,促进NH3·H2O的分解,增大c(OH)使上述可逆反应向左移动,而产生NH3。
【例2】都能用右图所示装置进行喷泉实验的一组气体是(注:
烧杯内为NaOH溶液)()
A.HCl和CO2B.NH3和CH4
C.SO2和COD.NO2和NO
【解析】在上述气体中,CH4、NO、CO不溶于NaOH溶液,也不与NaOH溶液反应,所以不能做喷泉实验,而HCl、SO2、CO2不仅可溶于NaOH溶液而且还可与NaOH溶液反应,所以能形成喷泉。
【答案】A
【规律总结】喷泉实验成功的关键:
①烧瓶、预先吸水的滴管及直玻璃管都要干燥;②气体要充满圆底烧瓶;瓶塞要严密,不漏气,止水夹要夹紧。
注意:
满足下列条件时,均能形成美丽的喷泉:
①液体为水时,NH3、HBr、HCl、HI、SO2等易溶于水的气体或是NO2、NO2+O2、NO+O2、NO2+NO+O2等易与水反应的气体。
②液体是NaOH、KOH等强碱性溶液时,CO2、SO2、NO2、H2S等酸性气体。
③液体是盐酸或硫酸时,NH3等碱性气体。
考点3硝酸的强氧化性
硝酸不论浓稀都具有强氧化性,主要有以下几个方面体现:
1.金属与硝酸反应,不论金属活泼与否,也不论硝酸的浓度大小,一般氢气放出。
这是因为:
。
2.金属活动顺序表中,较不活泼的金属(如铜、银等)都能和硝酸反应,一般浓硝酸被还原为,稀硝酸被还原为,金属则变为相应的。
这类反应中硝酸只有一部分体现被还原,另一部分体现生成硝酸盐。
Ag+2HNO3(浓)
3Ag+4HNO3(稀)
3.铁、铝常温下遇浓硝酸,由于浓硝酸具有,所以在金属的表面形成一层,阻止反应继续进行,这个过程叫。
所以可用铁、铝容器装运浓硝酸(或浓硫酸)。
4.非金属(如碳、硫等)也可以和浓硝酸发生反应,非金属被,硝酸完全被还原成。
这和金属与硝酸的反应不同,在有关判断及计算题中应该注意。
C+4HNO3
S+6HNO3(浓)
5.浓硝酸和浓盐酸按1:
3的比组成的混合物叫,它能溶解惰性金属铂、金,这也是硝酸强氧化性的体现。
此外,硝酸还可以氧化很多还原性化合物,如:
S2、SO32、I、Fe2+等
特别提醒]:
有硝酸参与的氧化还原反应的计算:
(1)单质与硝酸的反应,分析讨论是金属还是非金属,若为金属参加的反应硝酸分为两部分,一部分作氧化剂,另一部分起酸性生成硝酸盐,应先确定未被还原的硝酸,再由电子得失守恒求解。
若为非金属单质与硝酸反应时,硝酸全部被还原。
(2)Cu与HNO3的反应中随着反应的进行浓度逐渐变小,产物由NO2变成NO,最终为混合气体。
可以这样理解并分析:
反应的硝酸在产物中共三部分:
Cu(NO3)2
HNO3—
可以看出:
被还原的硝酸无论生成NO还是NO2均为一个N原子与一个HNO3的比例关系,即:
被还原的硝酸与气体的物质的量相等。
而未被还原的硝酸总是生成最高价金属的硝酸盐〔如Cu(NO3)2〕,一个金属离子与金属离子最高价数个HNO3成比例关系,即未被还原的HNO3与金属离子的最高价态数相等。
【例3】(2007年重庆)某兴趣小组设计出右图所示装置来改进教材中“铜与硝酸反应”实验,以探究化学实验的绿色化。
(1)实验前,关闭活塞b,试管d中加水至浸没长导管口,塞紧试管c和d的胶塞,加热c。
其目的是。
(2)在d中加适量NaOH溶液,c中放一小块铜片,由分液漏斗a向c中加入2mL浓硝酸。
c中反应的化学方程式是
。
再由a向c中加2mL蒸馏水,c中的实验现象是。
方案
反应物
甲
Cu、浓HNO3
乙
Cu、稀HNO3
丙
Cu、O2、稀HNO3
(3)右表是制取硝酸铜的三种方案,能体现绿色化学理念的最佳方案是。
理由是_____________。
(4)该小组还用上述装置进行实验证明氧化性KMnO4>Cl2>Br2。
操作步骤为,实验现象为;但此实验的不足之处是。
【解析】
(1)根据题目的叙述可以知道,这样操作的目的是检验装置的气密性,按题目所述若d试管内有气泡,且冷却后导管中有一段水柱,说明气密性良好。
(2)c中放一小块铜片,由分液漏斗a向c中加入2mL浓硝酸时发生反应为Cu+4HNO3(浓)
Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O;若再由a向c中加2mL蒸馏水,浓硝酸的浓度变小,所以反应变得缓慢、产生的气体颜色变浅。
(3)甲方案制取硝酸铜的反应方程式为Cu+4HNO3(浓)
Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,乙方案制取硝酸铜的反应方程式为3Cu+8HNO3(稀)
3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,丙制取硝酸铜的反应方程式为2Cu+O2+2HNO3
2Cu(NO3)2。
比较这三种方案的化学方程式可以发现均制取1molCu(NO3)2时消耗硝酸的量分别为4mol、
mol、1mol,丙方案消耗的硝酸的量最少且不产生污染。
(4)若用上述装置进行实验证明氧化性KMnO4>Cl2>Br2,根据氧化还原反应的规律可以得出应先用KMnO4制Cl2,再用Cl2制Br2。
所以实验的操作步骤为向d中加入KBr溶液,c中加入固体KMnO4,由a向c中加入浓盐酸;其中实验的现象为c中有黄绿色气体产生,d中溶液变为黄棕色。
但是由于Cl2和Br2均为有毒的气体,所以需要尾气处理。
【答案】
(1)检查装置气密性。
(2)Cu+4HNO3(浓)
Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O反应变缓,气体颜色变淡。
(3)丙;耗酸量最少,无污染。
(4)向d中加入KBr溶液,c中加入固体KMnO4,由a向c中加入浓盐酸;c中有黄绿色气体产生,d中溶液变为黄棕色;没有处理尾气。
【规律总结】对铜与硝酸反应实验装置的改进设计有如下的几个要点:
①反应开始前装置怎样避免装置内的空气;②怎样使铜与稀硝酸反应能自动停止,防止NO过多;③反应后,能有效的通入空气,证明NO;同时还要防止NO及生成的NO2逸散到空气中。
【考点整合】参考答案
考点1氮的氧化物
1.无NO2红棕蓝2.光化学烟雾
3.
(1)3Cu+8HNO3(稀)
3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O排水集气法
(2)Cu+4HNO3(浓)
Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O向上排空气集气法
考点2氨的性质
1.无刺激性极易越大越小
2.
(1)NH3、H2O、NH3·H2O、NH4+、OH、H+
(2)白烟
(3)N2+6HCl3Cu+N2+3H2O
3.
(1)2NH4Cl+Ca(OH)2
CaCl2+2NH3↑+2H2O
(2)O2
(3)向下排空气法(4)碱石灰
考点3硝酸的强氧化性
1.无H+得电子的能力不及硝酸中+5价的氮元素得电子的能力
2.NO2NO硝酸盐氧化性酸性AgNO3+NO2↑+H2O3AgNO3+NO↑+2H2O
3.很强的氧化性致密的氧化膜钝化
4.氧化NO24NO2↑+CO2↑+2H2OH2SO4+6NO2↑+2H2O
5.体积王水
【课时练习】
一、选择题(本题包括12小题,每小题4分,共48分)
1.雷雨时不可能生成的氮的化合物是( )
A.NOB.NO2C.NH3D.HNO3
【解析】雷雨时N2
NO
NO2
HNO3.
【答案】C
2.
(2008·上海高考)已知气体的摩尔质量越小,扩散速度越快.如图所示为气体
扩散速度的实验,两种气体扩散相遇时形成白色烟环.下列关于物质甲、乙
的判断正确的是( )
A.甲是浓氨水,乙是浓硫酸;B.甲是浓盐酸,乙是浓氨水
C.甲是浓氨水,乙是浓盐酸;D.甲是浓硝酸,乙是浓氨水
【解析】A项中浓H2SO4不是挥发性酸,不会产生白色烟环;B、C、D三项中由于NH3
的摩尔质量小,扩散速度快,所以离白色烟环远的甲为浓氨水,故C正确。
【答案】C
3.能正确表示下列反应的离子方程式是( )
A.向Fe(NO3)2稀溶液中加入盐酸:
3Fe2++4H++NO
===3Fe3++NO↑+2H2O
B.铜片与浓HNO3:
Cu+NO
+4H+===Cu2++NO↑+2H2O
C.碳酸氢铵溶液与足量的NaOH溶液混合后加热:
NH
+OH-△,NH3↑+H2O
D.AlCl3溶液中滴加足量氨水:
Al3++4NH3·H2O===AlO
+4NH
+2H2O
【解析】A项相当于HNO3氧化Fe2+,B项生成NO2,C项缺少HCO
与OH-的反应,D项NH3·H2O不能溶解Al(OH)3。
【答案】A
4.(2010·常州模拟)氢化铵(NH4H)与氯化铵的结构相似,又知NH4H与水反应有H2生成.则下列叙述不正确的是( )
A.NH4H是离子化合物; B.NH4H固体投入少量的水中,有两种气体生成
C.NH4H与水反应时,NH4H是还原剂; D.NH4H溶于水,所形成的溶液显酸性
【解析】氢化铵(NH4H)与氯化铵的结构相似,所以NH4H是离子化合物,A正确;根据题目所给信息,写出NH4H与水反应的方程式:
NH4H+H2O===NH3·H2O+H2↑,如果投入少量的水中,则生成浓氨水,会有氨气放出,所以有氢气和氨气两种气体放出,B正确;形成的溶液呈碱性,故D项错误;NH4H与水反应时,NH4H中的-1价氢被氧化到0价,即NH4H作还原剂,C项正确。
【答案】D
5.下面是实验室制取氨气的装置和选用的试剂,其中错误的是( )
A.①②B.②③C.③④D.①③
【解析】NH4Cl受热可产生NH3和HCl,但两者遇冷会重新反应生成NH4Cl,在此过程中还有可能出现堵塞导管的情况,因此不能用①的方法制取氨气,③中试管口未向下倾斜,会导致液体倒流入试管而使试管炸裂,③不可行.浓氨水滴入氧化钙固体中,会发生CaO+2NH3·H2O===Ca(OH)2+2NH3↑,故可用②的方法制取氨气.浓氨水受热产生氨气,通过碱石灰吸收水蒸气后即得干燥的NH3,所以④符合要求。
【答案】D
6.(2010·西安模拟)下列对反应3NO2+H2O===2HNO3+NO的说法中正确的是( )
A.氧化剂与还原剂的质量比为1∶2;
B.氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2
C.NO2是氧化剂,H2O是还原剂;
D.若有6molNO2参与反应时,有3mol电子发生转移
【解析】该反应中电子转移情况为:
3NO2+H2O===2HN失2e-O3+N得2e-O.氧化剂与还原剂的质量比为1∶2,A正确;氧化产物与还原产物的物质的量之比为2∶1,B正确;NO2既是氧化剂又是还原剂,C错误;若有6molNO2参与反应,则转移电子4mol,D错误。
【答案】A
7.(2010·宜昌模拟)为了社会可持续发展,化工生产过程应尽量减少对环境的副作用.“绿色化学”是当今社会提出的一个新概念,它要求从经济、环保和技术上设计可行的化学反应,据此,由单质铜制取硝酸铜的下列衍变关系可行且符合“绿色化学”的是( )
A.Cu
Cu(NO3)2 B.Cu
CuO
Cu(NO3)2
C.Cu
CuO
Cu(OH)2
Cu(NO3)2 D.Cu
CuSO4
Cu(NO3)2
【解析】A项中产生氮氧化物,污染环境;C项中CuO与H2O不反应;D项中产生SO2,污染环境;只有B项,既不产生大气污染物,又节省HNO3,故选B。
【答案】B
8.如图所示装置中,烧瓶中充满干燥气体a,将滴管中的液体b挤入烧瓶内,轻轻振荡烧瓶,然后打开弹簧夹f,烧杯中的液体c呈喷泉状喷出,最终几乎
充满烧瓶.则a和b分别是( )
a(干燥气体)
b(液体)
A
NO2
H2O
B
HCl
4mol/LNaHCO3溶液
C
Cl2
饱和NaCl溶液
D
NH3
1mol/L盐酸
【解析】A项中反应为3NO2+H2O===2HNO3+NO,故最终液体不能充满烧瓶;B项HCl易溶于水,但与NaHCO3反应生成CO2,能充满烧瓶;C项中Cl2难溶于饱和NaCl溶液,不会形成喷泉;D项中NH3极易溶于盐酸溶液,符合条件,所以D项正确。
【答案】D
9.将8mLNO2和O2的混合气体通入倒立于水槽中装满水的量筒,充分反应后,剩余气体为1mL,则原混合气体中NO2和O2的体积比可能为( )
A.7∶5B.3∶7C.7∶1D.1∶7
【解析】1mL剩余气体可能为NO或O2。
(1)若为NO,则由3NO2+H2O===2HNO3+NO,说明NO2和O2与水反应后剩余NO23mL,设原混合气体中O2的体积为x,则有:
8mL-3mL-x x
=
,求得x=1mL
V(NO2)∶V(O2)=(8-1)mL∶1mL=7∶1.
(2)若为O2,设原混合气体中NO2的体积为y,则有:
4NO2 +O2 + 2H2O===4HNO3
=
,求得y=5.6mL
V(NO2)∶V(O2)=5.6mL∶(8-5.6)mL=7∶3.
【答案】C
10.(2010·南京模拟)某实验过程如图所示:
则图③的试管中的现象是( )
A.无明显现象,因稀H2SO4不与铜反应
B.铜片溶解,产生无色气体,该气体遇到空气不变色
C.铜片溶解,放出红棕色有刺激性气味的气体
D.铜片溶解,产生无色气体,该气体在试管口变为红棕色
【解析】生成的Cu(NO3)2在H2SO4的酸性条件上相当于又有了HNO3,铜片会继续溶解
生成NO。
【答案】D
11.红热的木炭与浓HNO3反应产生的气体
气体xmL
气体ymL,假设气体体积均在相同状况下测定,不考虑气体的溶解,则x和y的关系是( )
A.x=
y B.y=
x C.x=y D.y=
【解析】由方程式C+4HNO3(浓)
CO2↑+4NO2↑+2H2O、3NO2+H2O===2HNO3+NO、HNO3+NaHCO3===NaNO3+H2O+CO2↑可知当产生3molNO2时,最终生成1molNO和2molCO2,再加上原来产生的
molCO2,共
mol气体,原气体总量为
mol.所以x=y.
【答案】C
12.将Mg、Cu组成的2.64g混合物投入适量稀硝酸中恰好反应,固体完全溶解时收集到的还原产物NO气体0.896L(标准状况),向反应后的溶液中加入2mol/L的NaOH溶液60mL时金属离子恰好沉淀完全.则形成沉淀的质量为( )
A.4.32g B.4.68g C.5.36g D.6.38g
【解析】Mg、Cu均为二价金属,2.64g金属生成氢氧化物实际是增加了OH-的质量,故m(OH-)=2mol/L×0.06L×17g/mol=2.04g,所以沉淀的质量为2.64g+2.04g=4.68g。
【答案】B
二、非选择题(本题包括4小题,共52分)
13.(14分)已知:
A是一种正盐,D的相对分子质量比C的大16,E是酸;当X无论是强碱还是强酸时都有如下转化关系:
当X是强酸时,A、B、C、D、E均含同一种元素;当X是强碱时,A、B、C、D、E
均同时含有另一种元素.
回答下列问题:
(1)A是________,Y是________,Z是________。
(2)当X是强碱时,B是________,C是________,D是________,E是________。
(3)当X是强酸时,B是________,C是________,D是________,E是________。
【解析】该题的突破口为“D的相对分子质量比C的大16”,所以Y为O2,B能连续被氧化.因E是酸,A是一种正盐,且既能与强酸反应,又能与强碱反应,所以A是弱酸弱碱盐,综合分析得出A为(NH4)2S,Z为H2O。
当X是强碱时,(NH4)2S
NH3
NO
NO2
HNO3;
当X是强酸时,(NH4)2S
H2S
SO2
SO3
H2SO4。
【答案】
(1)(NH4)2S O2 H2O;
(2)NH3 NO NO2 HNO3;(3)H2S SO2 SO3 H2SO4
14.(10分)亚硝酸(HNO2)是一种比醋酸略强的弱酸,很不稳定,易发生自身氧化还原反应而分解。
(1)低温下,将等物质的量的NO和NO2通入水中,可制得HNO2,反应的化学方程式为:
________________________________________________________________________。
(2)NO
既有氧化性又有还原性,其氧化产物或还原产物与溶液的pH的关系如下表所
示:
pH范围
大于7
小于7
产物
NO
NO、N2O、N2中的一种
①在碱性条件下,NaNO2溶液与NaClO溶液反应的离子方程式为:
_________
____________________________________________________。
②若HNO2与氢碘酸反应时按物质的量之比1∶2进行,且I-被氧化成I2,则产物中含氮的物质为________(填化学式)。
(3)在冷冻的NaNO2溶液中加入或通入下列物质,不能制得HNO2的是________(填字母)。
a.稀H2SO4 b.稀HCl c.CO2 d.SO2
【解析】
(1)NO与NO2发生归中反应生成HNO2。
(2)①碱性条件下NO
被ClO-氧化为NO
;②酸性条件下根据HNO2与HI的比例,再由电子守恒计算出HNO2中的氮元素降低2价,生成N2O。
(3)根据强酸制弱酸原理知c、d符合题意。
【答案】
(1)NO+NO2+H2O===2HNO2;
(2)①NO
+ClO-===NO
+Cl- ②N2O;(3)cd
15.(16分)某化学课外活动小组设计了如图所示的实验装置,进行“氨的催化氧化”实验(固定装置略去)。
(1)A处是气体发生装置,A中所用的试剂只能从下列物质中选取:
①碳酸钠,②碳酸氢钠,③碳酸氢铵,④氯化铵,⑤熟石灰,⑥氢氧化钠
若A中制取气体时只用了一种药品,则该药品是______(填物质序号),并在图中空白处将实验装置图补充完整(使用下列简易装置图,固定装置省略;使用尺、规作图)
(2)该装置补充完整后,仍