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第13讲氮及其化合物,一、氮气和氮的氧化物(一)氮气的性质通常情况下,N2化学性质很稳定,只在高温、放电、催化剂等条件下才能发生一些化学反应。写出相关反应的化学方程式:,教材研读,(二)氮的氧化物1.NO和NO2,2.人类活动对自然界氮循环和环境的影响(1)固氮及影响a.含义:使空气中游离态的氮转化为化合态氮。b.方法c.影响(2)NOx的污染a.氮氧化物:主要有NO、N2O、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等,其中NO和,NO2是最主要的空气污染物。b.污染源:石油产品的燃烧和煤的燃烧,汽车尾气及工业废气的排放,农田土壤及动物排泄物中含氮化合物的转化等。c.污染,(3)对生产中氮氧化物污染的防治a.控制进入自然界的有害物质的数量。b.增强生态系统对有害物质的吸收能力。自测1俗话说“雷雨发庄稼”,这说明雷雨中含有能被植物吸收利用的化合态的氮,请同学们写出三个有关的化学方程式:(1)N2+O22NO;(2)2NO+O22NO2;(3)3NO2+H2O2HNO3+NO。,自测2(1)怎样收集NO、NO2气体?(2)如何鉴别NO2与溴蒸气?,答案(1)收集NO用排水法,收集NO2用向上排空气法。(2)将二者分别通入AgNO3溶液中,产生沉淀者为溴蒸气(或其他合理答案)。解析(1)NO只能用排水法收集,不能用排空气法收集;而NO2只能用向上排空气法收集,不能用排水法收集。(2)由于NO2和Br2在性质上有不少相似性:均具有氧化性,溶于水均有酸生成,均可与碱反应,均为红棕色等,所以不能用淀粉KI试纸、pH试纸、NaOH溶液来鉴别;但二者性质又有差别,可以用下列溶液或方法鉴别:AgNO3溶液;CCl4溶液;水洗法。,二、氨和铵盐(一)氨的结构与性质1.结构:电子式为HH。2.物理性质:无色、有刺激性气味的气体,密度比空气小,易液化,极易溶于水。3.化学性质(1)与水反应NH3+H2ONH3H2ON+OH-NH3是中学化学中唯一能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体,常用此性质检验NH3。,(2)与氧气反应(氨的催化氧化)4NH3+5O24NO+6H2O(写化学方程式)。(二)铵盐的性质和N的检验1.铵盐的性质(1)易溶于水的离子化合物(2)与碱反应N+OH-NH3+H2O(3)受热分解如NH4ClNH3+HCl,(4)水解反应N+H2ONH3H2O+H+2.N的检验(1)取样品与碱共热,用湿润的红色石蕊试纸检验产生的气体,观察试纸是否变蓝;(2)取样品与碱共热,用蘸有浓盐酸的玻璃棒检验产生的气体,观察是否有白烟产生。(三)氨气的制法1.氨气的实验室制法(1)原理:铵盐与碱共热,产生氨气。实验室常用反应的化学方程式为:2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3+2H2O。,(2)制取装置:如图所示。1)收集:由于氨气易溶于水,密度比空气小,所以只能用向下排空气法收集。2)检验:a.用湿润的红色石蕊试纸(变蓝);b.将蘸有浓盐酸的玻璃,棒接近管口(产生白烟)。3)棉花团的作用:在收集NH3的试管口放置一团松软的干棉花,是为了防止试管内的NH3与试管外的空气形成对流,以便在较短时间内收集到较为纯净的氨气。2.氨气的工业制法N2+3H22NH3,自测3判断正误,正确的划“”,错误的划“”。(1)向AgNO3溶液中滴加过量氨水,溶液澄清,说明Ag+与NH3H2O能大量共存()(2)可用蘸浓盐酸的棉棒检验输送氨气的管道是否漏气()(3)液氨汽化时要吸收大量的热,可用作制冷剂()(4)实验室用NH4Cl和Ca(OH)2制备NH3涉及氧化还原反应()(5)检验N时,往试样中加入NaOH溶液,微热,用湿润的蓝色石蕊试纸检验逸出的气体()(6)用玻璃棒蘸取浓氨水点到红色石蕊试纸上,试纸变蓝色,是因为浓氨水呈碱性(),自测4(1)现有1molL-1的氨水,则该溶液中NH3H2O的物质的量浓度是1molL-1吗?为什么?(2)为什么蘸有浓氨水和浓盐酸的两支玻璃棒靠近时会产生白烟?蘸有浓氨水和浓硫酸的两支玻璃棒靠近时是否也产生白烟?,答案(1)不是。NH3H2O是弱电解质,在水溶液中部分电离,溶液中NH3、N、NH3H2O的物质的量浓度和为1molL-1。(2)浓氨水和浓盐酸均有挥发性,挥发出来的NH3和HCl在空气中相遇,化合生成NH4Cl固体小颗粒,即为白烟。浓硫酸没有挥发性,故不能形成白烟。三、硝酸1.物理性质(1)纯硝酸为无色、有刺激性气味的液体。(2)硝酸沸点较低,易挥发,在空气中遇水蒸气形成白雾。(3)质量分数在69%以上的硝酸称为浓硝酸。,2.化学性质(1)强酸性稀硝酸使紫色石蕊试液变红。(2)不稳定性a.浓硝酸不稳定,见光或受热易分解,反应的化学方程式为:4HNO3(浓)2H2O+4NO2+O2。b.存放:浓HNO3应盛放在棕色试剂瓶里,并存放在黑暗阴凉处。c.浓硝酸常呈黄色是HNO3分解产生的NO2溶于硝酸的缘故,去掉硝酸中黄色的方法是通入少量O2,发生的反应为:4NO2+O2+2H2O4HNO3。,(3)强氧化性a.与金属的反应(大部分金属能与硝酸反应)Cu与浓、稀硝酸均能反应,化学方程式分别为:Cu+4HNO3(浓)Cu(NO3)2+2NO2+2H2O、3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO+4H2O。常温下,铁、铝遇冷的浓HNO3能发生钝化。b.与非金属的反应,如C+4HNO3(浓)CO2+4NO2+2H2O。c.硝酸还能与其他还原剂,如H2S、SO2、Na2SO3、FeSO4、KI、NaBr等发生氧化还原反应。d.王水浓HNO3和浓盐酸按体积比13混合即得王水,它的氧化性更强,能溶解,Pt、Au等金属。3.N的检验待测液(浓)蓝色溶液+红棕色气体。若待测液较稀,相当于Cu与稀HNO3反应,产生无色气体NO,现象不明显,因此可将稀溶液浓缩后再检验。4.用途制化肥、炸药、染料等。,自测5久置的浓硝酸呈黄色,如何消除?怎样保存浓硝酸?,答案浓硝酸见光或受热发生分解,生成的NO2溶于浓硝酸使其显黄色,所以消除的方法是通入O2(或空气),使其发生反应4NO2+O2+2H2O4HNO3。浓硝酸应保存在棕色试剂瓶中,并置于阴凉处。,自测6判断正误,正确的划“”,错误的划“”。(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)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(),考点突破,考点一有关氮的氧化物的计算,考点三金属与硝酸反应的规律和相关计算(教师用书专用),考点二氨的综合考查,1.关系式法(1)NO2和O2的混合气体溶于水的计算由4NO2+O2+2H2O4HNO3可知,当体积比:V(NO2)V(O2)(2)NO与O2同时通入水中2NO+O22NO2,4NO2+2H2O+O24HNO3总反应方程式为4NO+3O2+2H2O4HNO3,当体积比:V(NO)V(O2),考点一有关氮的氧化物的计算,2.原子守恒法4NO2+O2和4NO+3O2从组成上均相当于2N2O5,上述两个总反应都与N2O5+H2O2HNO3等效。当混合气体溶于水时利用混合气体中N、O原子个数比进行分析判断。N(N)N(O),典例1一个大试管的容积为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5.25mL或8.75mL。,解析27mLNO2与水反应生成的NO为9mL,通入O2后发生反应4NO+3O2+2H2O4HNO3。若剩余的2mL气体为O2,则V(O2)=2mL+9mL=8.75mL;若剩余的2mL气体为NO,则参与反应的NO为7mL,消耗的O2为7mL=5.25mL。,1-1容积为50mL的量筒内充满二氧化氮和氧气的混合气体,将其倒置在盛满水的水槽里,一段时间后,量筒里剩余气体体积为5mL。则原混合气体中NO2和O2的体积比可能是187或437。,解析若剩余的5mL气体为O2,则参加反应4NO2+O2+2H2O4HNO3的NO2和O2的总体积为50mL-5mL=45mL,则原混合气体中NO2的体积为45mL=36mL,O2的体积为50mL-36mL=14mL,即NO2与O2的体积比为3614=187。若剩余的5mL气体为NO,由3NO2+H2O2HNO3+NO可得反应的NO2体积为15mL,则发生反应4NO2+O2+2H2O4HNO3的NO2和O2的总体积为50mL-15mL=35mL,则原混合气体中O2的体积为35mL=7mL,NO2的体积为50mL-7mL=43mL,即NO2与O2的体积比为437。,1-2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.32B.23C.83D.38,C,答案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,则体积的NO气体与n体积的氧气恰好完全反应,由4NO+3O2+2H2O4HNO3得=n,即mn=83。,一、氨气的实验室制法1.加热NH4Cl和Ca(OH)2的混合物2NH4Cl+Ca(OH)22NH3+CaCl2+2H2O特别提示选铵盐时,不选(NH4)2CO3、NH4HCO3、NH4NO3等,因它们受热易分解,使产生的NH3中混有较多的杂质气体,另外NH4NO3受热易发生爆炸;选碱时,用消石灰而不用NaOH或KOH,因NaOH、KOH具有吸湿性,易结块,不利于产生氨气,且在高温下均能腐蚀玻璃。,考点二氨的综合考查,2.实验室制取氨气的其他方法,二、氨水的成分及性质(1)组分三种分子:NH3、NH3H2O、H2O;三种离子:N、OH-、H+;粒子浓度大小顺序为:c(NH3H2O)c(OH-)c(N)c(H+)。(2)性质容易挥发,盛浓氨水的试剂瓶瓶口常有白雾产生,久置溶液质量减轻,浓度变小。氨水质量分数越大,其密度越小,因此质量分数为x%的氨水与质量分数为3x%的氨水等体积混合后,所得氨水的质量分数小于2x%。氨水中存在平衡:NH3+H2ONH3H2ON+OH-,氨水呈碱性。,氨水是很好的沉淀剂,能使Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Ag+、Cu2+、Zn2+转化为氢氧化物沉淀,其中AgOH、Cu(OH)2、Zn(OH)2等沉淀能溶于过量氨水,生成配离子。,典例2(2015北京理综,8)下列关于自然界中氮循环(如图)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、氧三种元素也参与了氮循环,答案AA项,人工固氮时,N2+3H22NH3,氮元素被还原;B项,把游离态的氮元素转化为含氮化合物的过程是氮的固定,工业合成氨属于人工固氮;C项,硝酸盐可转化为蛋白质,动植物遗体可转化为氨或铵盐,则含氮有机物和含氮无机物可相互转化;D项,在自然界氮循环过程中,碳、氢、氧三种元素也参与了循环。,2-1某小组的同学欲探究NH3经一系列反应得到HNO3和NH4NO3的过程,NH3的转化过程如图所示:甲、乙两同学分别按如图所示装置进行实验。,用于A、B装置中的可选药品:浓氨水、30%H2O2溶液、蒸馏水、NaOH固体、MnO2。(1)仪器a的名称是,装置A的圆底烧瓶中发生反应的化学方程式为。,装置E有多种作用,下列关于装置E的作用或其中所盛液体的说法中,不正确的是(填字母)。a.使氨气和氧气充分混合b.控制通入氨气和氧气的体积比c.平衡装置内的压强d.锥形瓶内液体是饱和食盐水(2)甲同学先点燃酒精灯,再打开K1、K2、K3、K4,反应一段时间后,他认为成功模拟了过程的反应,原因是其观察到(填支持其观点的实验现象);甲同学进行的实验中产生的气体持续通入装置H一段时间后,H中的溶液变成蓝色,则其中铜片所参与反应的离子方程式为,若制得的氨气仅按-的顺序完全转化为硝酸,欲使H装置中所得溶液为纯净的CuSO4溶液(忽略Cu2+的水解),理论上所需氨气在标准状况下的体积为L(假设硝酸与铜反应产生的还原产物全部排出反应装置);从所得CuSO4溶液中得到CuSO45H2O晶体的方法是将溶液、过滤、洗涤、干燥。(3)乙同学为模拟过程的反应,在甲同学操作的基础上对该装置进行了下列各项中的一项操作,使G处圆底烧瓶中产生大量白烟,你认为这项操作是(填字母)。a.关闭K3并熄灭酒精灯b.关闭K4并熄灭酒精灯c.关闭K3、K4并熄灭酒精灯,(4)丙同学认为该系列实验装置存在一处明显的设计缺陷,你认为该设计缺陷是。,答案(1)长颈漏斗2H2O22H2O+O2d(2)G处圆底烧瓶中有红棕色气体产生3Cu+8H+2N3Cu2+2NO+4H2O2.24蒸发浓缩冷却结晶(3)a(4)缺少尾气处理装置解析(1)仪器a的名称是长颈漏斗;氨气的干燥用碱石灰,应放在球形干燥管中,故装置B、D用于制取纯净、干燥的氨气,装置A、C用于制取纯净、干燥的氧气,装置A的圆底烧瓶中发生反应的化学方程式为2H2O22H2O+O2。装置E有多种作用,如使氨气和氧气充分混合,通过观察产生气泡的速率控制通入氨气和氧气的体积比,平衡装置内的压强,但氨气极易溶于水,锥形瓶内液体不能是饱和食盐水。(2)若甲同学成功模拟了过程的反应,则应有NO2生成,故观察到G处圆,底烧瓶中有红棕色气体产生;NO2溶于水生成HNO3,HNO3可与Cu反应,则铜片所参与反应的离子方程式为3Cu+8H+2N3Cu2+2NO+4H2O。由反应方程式知,若制得纯净的CuSO4溶液,硫酸和硝酸的物质的量之比为32,n(H2SO4)=0.15L1molL-1=0.15mol,则需硝酸的物质的量为0.1mol,根据氮原子守恒可知,理论上所需氨气的物质的量为0.1mol,在标准状况下的体积为2.24L;从所得CuSO4溶液中得到CuSO45H2O晶体的方法是将溶液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。(3)甲同学操作使G处圆底烧瓶中含有硝酸蒸气,若要制得硝酸铵,应再通入一定量的氨气,故应关闭K3并熄灭酒精灯。,2-2某学习兴趣小组探究氨气的制取实验:(1)甲同学拟用下列实验方法制备氨气,其中合理的是(填字母)。A.将氯化铵固体加热分解收集产生的气体B.将浓氨水滴入氢氧化钠固体中,收集产生的气体C.将碳酸氢铵加热分解产生的气体用碱石灰干燥D.将氯化铵稀溶液滴入氢氧化钠固体中,收集产生的气体(2)根据上述正确的原理,该同学欲用下列常见的实验室制气装置制取氨气,适宜的装置是。,(3)气体的性质是气体收集方法选择的主要依据。下列性质与收集方法无关的是(填序号)。密度颜色溶解性热稳定性与氧气反应,(4)下图是甲同学设计的收集氨气的几种装置,其中可行的是,集气的原理是。,答案(1)BC(2)CD(3)(4)d利用氨气密度小于空气,采用短管进氨气,长管出空气,即可收集氨气解析(1)氯化铵受热分解产生氯化氢和氨气,遇冷又转化为氯化铵固体;用NH4Cl和NaOH反应制取氨气时,应用浓的NH4Cl溶液并加热。(2)将浓氨水滴入氢氧化钠固体中制氨气用C装置;将碳酸氢铵加热分解产生的气体用碱石灰干燥制氨气选用D装置。(3)气体收集方法的选择要考虑密度、溶解性及能否与空气中成分反应。(4)氨气极易溶于水,密度比空气小,故采用向下排空气法收集。,1.反应规律(1)HNO3与金属的反应一般,还原产物:浓HNO3NO2,稀HNO3NO。,考点三金属与硝酸反应的规律和相关计算(教师用书专用),(2)Cu与HNO3的反应Cu与浓HNO3反应时,若Cu足量,开始时还原产物为NO2,随着反应的进行,浓HNO3变稀,还原产物为NO,最终得到NO2与NO的混合气体。(3)Fe与稀HNO3的反应Fe过量,氧化产物为Fe2+;Fe不足,氧化产物为Fe3+。2.计算方法(1)原子守恒法HNO3与金属反应时,一部分HNO3起酸性作用;另一部分HNO3作为氧化剂被还原,反应产生的硝酸盐及还原产物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)得失电子守恒法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)离子方程式计算法金属与H2SO4、HNO3的混合酸反应时,由于硝酸盐中的N在H2SO4提供H+的条件下能继续与金属反应,因此此类题目应用离子方程式来计算,先作过量判断,然后根据完全反应的金属或H+或N的量进行相关计算。,典例3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/LB.0.225mol/LC.0.30mol/LD.0.45mol/L,B,答案B反应的离子方程式为3Cu+8H+2N3Cu2+2NO+4H2O,分析可知H+不足,应根据n(H+)进行计算,所以n(Cu2+)=0.06mol=0.0225mol,c(Cu2+)=0.225mol/L。,3-1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5molL-1NaOH溶液至Cu2+恰好完全沉淀,则消耗NaOH溶液的体积是()A.60mLB.45mLC.30mLD.15mL,A,答案A由题意可知:HNO3HNO3,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。根据关系式CuCu(NO3)22NaOH可得n(NaOH)=2n(Cu)=0.3mol,则V(NaOH)=0.06L=60mL。,3-2将32.64g铜与140mL一定浓度的硝酸反应,铜完全溶解,产生的NO和NO2混合气体在标准状况下的体积为11.2L。请回答下列问题:(1)NO的体积为L,NO2的体积为L。(2)参加反应的HNO3的物质的量是。(3)待产生的气体全部释放后,向溶液中加入VmLamolL-1的NaOH溶液,恰好使溶液中的Cu2+全部转化成沉淀,则原硝酸溶液的浓度为molL-1。(4)欲使铜与硝酸反应生成的气体在NaOH溶液中全部转化为NaNO3,至少需要30%的双氧水g。,答案(1)5.8245.376(2)1.52mol(3)(4)57.8解析(1)n(Cu)=0.51mol,设混合气体中NO的物质的量为x,NO2的物质的量为y。则x+y=0.5mol,3x+y=(0.512)mol,解得:x=0.26mol,y=0.24mol。则V(NO)=0.26mol22.4Lmol-1=5.824L,V(NO2)=11.2L-5.824L=5.376L。(2)参加反应的HNO3分两部分:一部分显酸性,生成Cu(NO3)2;另一部分被还原成NO2和NO,所以参加反应的HNO3的物质的量为0.51mol2+0.5,mol=1.52mol。(3)HNO3在反应中一部分变成气体,一部分以N的形式留在溶液中。变成气体的HNO3的物质的量为0.5mol。加入NaOH溶液恰好使溶液中的Cu2+全部转化为沉淀,此时溶液中的溶质只有NaNO3,其物质的量为10-3aVmol,也就是以N形式留在溶液中的HNO3的物质的量为10-3aVmol。所以,c(HNO3)=molL-1。(4)由得失电子守恒得:2n(Cu)=2n(H2O2),n(H2O2)=n(Cu)=0.51mol,则m(H2O2)=17.34g,需30%的双氧水:17.34g30%=57.8g。,
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