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第3节　氮及其化合物
第5章
课标要求
1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解氮及其重要化合物的主要性质,认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。
2.能列举、描述、辨识氨、铵盐、氮气、硝酸重要的物理性质和化学性质。能用化学方程式、离子方程式正确表示上述物质的主要化学性质。
3.能从物质类别、元素价态的角度,依据复分解反应和氧化还原反应原理,预测氨、氮气和硝酸的化学性质和变化,设计实验进行初步验证,并能分析、解释有关实验现象。
4.能根据氨、铵盐、氮气、硝酸的性质分析实验室、生产、生活及环境中的某些常见问题,说明妥善保存、合理使用化学品的常见方法。
备考指导
1.高考对本节主要考查:
(1)N2、NO、NO2、HNO3的性质及用途。
(2)硝酸的强氧化性,硝酸与金属反应的相关计算等。
(3)NH3、铵盐的性质及用途,NH3的制法, 的检验等。
2.对硝酸的复习,主要关注其强氧化性,注意以化学实验、化工生产工艺流程为载体,反应方程式的书写和关于氧化还原反应的计算等题型。对氨的复习要特别关注氨的实验室制法和其他制法。注意喷泉实验的创新。对于铵盐,要强化 的检验的规范化答题模板。
内容索引
01
02
03
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
第三环节　核心素养提升
第一环节　必备知识落实
知识点1
氮气及氮的氧化物的性质和应用
知识筛查
1.氮的固定
2.氮气
(1)物理性质:无色、无臭气体,密度比空气略小,难溶于水。
(2)化学性质:
3.氮的氧化物
(1)氮有多种价态的氧化物,氮元素从+1~+5价都有对应的氧化物,如N2O、NO、N2O3、NO2(或N2O4)、N2O5,其中属于酸性氧化物的是N2O3、N2O5。
(2)NO和NO2的性质比较。
4.氮氧化物对环境的污染及防治
(1)常见的污染类型。
①光化学烟雾:NOx在紫外线作用下,与碳氢化合物发生一系列光化学反应,产生一种有毒的烟雾。
②酸雨:NOx排入大气中后,在大气中发生反应后的生成物溶于雨水会形成酸雨。
③破坏臭氧层:NO2可使平流层中的臭氧减少,导致地面紫外线辐射量增加。
④NO与血红蛋白结合使人中毒。
(2)常见的NOx尾气处理方法。
①碱液吸收法。
2NO2+2NaOH══NaNO3+NaNO2+H2O
NO2+NO+2NaOH══2NaNO2+H2O
NO2、NO的混合气体能被足量烧碱溶液完全吸收的条件是n(NO2)≥n(NO),一般适合工业尾气中NOx的处理。
②催化转化法。
在催化剂、加热条件下,氨可将氮氧化物转化为无毒气体(N2)或NOx与CO在一定温度下催化转化为无毒气体(N2和CO2,一般适用于汽车尾气的处理)。
特别提醒(1)氮的固定是指氮元素由单质转化为化合物的过程,并非气态变为固态的意思,如N2→NO,N2→NH3都属于氮的固定,而由氨生成氯化铵就不是氮的固定。
(2)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。
(3)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。
(4)NO2既有氧化性又有还原性,以氧化性为主。NO2能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)固氮反应一定属于氧化还原反应。(　　)
(2)通过灼热的镁粉,可除去N2中的少量氧气。(　　)
(3)NO中的NO2杂质气体,可通过盛有水的洗气瓶除去。(　　)
(4)CO、NO、NO2都是大气污染气体,在空气中都能稳定存在。(　　)
(5)N2与O2在放电条件下直接化合成NO2。(　　)
(6)NO既可以用排水法收集,又可以用排空气法收集。(　　)
(7)NO2溶于水时,NO2是氧化剂,水是还原剂。(　　)
(8)可用NO2与水反应制取硝酸,故NO2是酸性氧化物。(　　)
√
×
√
×
×
×
×
×
2.已知常温常压下在1 L水中可溶解40 L NO2,NO2能与NaOH溶液发生反应:2NaOH+2NO2══NaNO3+NaNO2+H2O。以下各种尾气吸收装置中,不适合吸收NO2气体的是(　　)。
B
解析:由于常温常压下在1 L水中可溶解40 L NO2,即NO2易溶于水,所以在吸收装置中需要防止倒吸,只有B项中不能防止倒吸。
知识点2
氨和铵盐
知识筛查
1.氨
(1)氨的分子结构和物理性质。
(2)化学性质。
(3)实验室制取氨。
(4)氨的用途。
化工原料,用于制硝酸、铵盐、纯碱、尿素;用作制冷剂。
特别提醒(1)制氨时,选用的铵盐及碱都有一定的要求。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受热易爆炸;选碱时,用Ca(OH)2而不用NaOH或KOH,因NaOH、KOH具有吸湿性,易结块,不利于产生氨,且在高温下均能腐蚀玻璃。
(2)干燥氨不能用浓硫酸,也不能用无水CaCl2(8NH3+CaCl2══ CaCl2·8NH3),通常用碱石灰干燥氨。
2.铵盐
(1)化学性质。
特别提醒(1)NH3是中学化学中唯一的碱性气体,能使湿润的红色石蕊试纸变蓝,可在推断题中作为解题突破口。
(2)氨水呈碱性,一水合氨属于一元弱碱,计算氨水的浓度时,溶质按NH3进行计算。
(3)涉及氨水的离子方程式的书写:
①氨水作反应物,用分子式NH3·H2O表示,如:Fe3++3NH3·H2O══ Fe(OH)3↓+3 ;
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)氨溶于水能导电,所以氨是电解质。(　　)
(4)实验室可用NH4HCO3、NH4NO3与NaOH共热制NH3。(　　)
(5)用湿润的蓝色石蕊试纸检验氨。(　　)
×
√
×
×
×
(6)可用装置 吸收氨并防止倒吸。(　　)
(7)可用浓硫酸或无水CaCl2干燥NH3。(　　)
(8)在8NH3+3Cl2══N2+6NH4Cl反应中,NH3发生还原反应。(　　)
√
×
×
2.下列有关氨和铵盐的说法中正确的是(　　)。
A.氨和铵盐都易溶于水,水溶液都显碱性
B.向浓氨水中加入生石灰可快速制取氨
C.氨极易液化可解释氨的喷泉实验
D.氨与酸相遇都能产生含有相应铵盐成分的白烟
B
解析:强酸的铵盐的水溶液因 的水解而显酸性,A项错误。NH3极易溶于水是氨气的喷泉实验的主要原因,C项错误。氨气只有与挥发性酸相遇才能生成白烟,与不挥发性酸(如H2SO4、H3PO4)相遇无此现象,D项错误。
3.用NH4Cl与Ca(OH)2制备NH3,反应发生、气体收集和尾气处理装置依次为　　　　。
答案:ACG
解析:制备氨时,用于加热固体的试管口应略向下倾斜,所以制备装置应选取装置A;氨气的密度比空气的小,因此应用向下排空气法收集,所以收集装置应选取装置C;氨气极易溶于水,应防止发生倒吸,因此尾气处理装置应选取装置G。
知识点3
硝酸的性质及其应用
知识筛查
1.物理性质
硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体。
2.化学性质
特别提醒(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。还原产物一般为HNO3(浓)→NO2,HNO3(稀)→NO。
(2)浓硝酸能使紫色石蕊溶液先变红后褪色,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”,并非不反应。
(4)通常硝酸与金属反应不能产生H2。
(5)硝酸与金属反应时既表现氧化性又表现酸性。
(6)涉及硝酸参与的离子反应常见的问题。
②在书写离子方程式时,忽视HNO3的强氧化性,将氧化还原反应简单地写成复分解反应。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)实验室也可用锌粒与稀硝酸制取氢气。(　　)
(2)常温下,铁、铝在浓硝酸中的钝化为化学变化。(　　)
(3)可用稀硝酸与FeS固体反应制取H2S。(　　)
(4)过量的铜与浓硝酸反应,产物中一定有NO。(　　)
(5)浓硝酸在光照下久置,会变黄。(　　)
(6)铜溶于稀硝酸不能体现硝酸的酸性。(　　)
(7)炽热的炭在浓硝酸中反应的化学方程式为C+4HNO3(浓) CO2↑+4NO2↑+2H2O。(　　)
(8)将石蕊溶液滴入浓硝酸中,溶液先变红后褪色。(　　)
×
√
×
√
√
×
√
√
2.某校课外活动小组为了探究铜与稀硝酸反应产生的气体主要是NO而设计了下列实验,装置如图所示(加热装置和固定装置均已略去)。图中K为弹簧夹(处于关闭状态),F是一半空的注射器。请回答有关问题。
(1)设计装置A的目的是 　。
(2)在完成(1)中的“操作”后,将装置B中铜丝插入稀硝酸,并微热,观察到装置B中的现象是 　;B中反应的离子方程式为　 。
(3)装置E和F的作用是　 ;为实现此作用,其操作方法是 　。
(4)装置D的作用是 　　　　　　　。
答案:(1)产生CO2,赶走装置中的空气,防止因NO与O2反应生成NO2而产生干扰
(2)Cu丝表面产生气泡,稀硝酸液面上方仍为无色,溶液变蓝　
3Cu+8H++2 ══3Cu2++2NO↑+4H2O
(3)验证NO的生成　将注射器中的空气推入E中,若气体变为红棕色则说明生成了NO
(4)吸收多余的氮氧化物,防止污染空气,防止倒吸
第二环节　关键能力形成
能力点1
从价类二维的视角解决氮及其化合物间转化问题的能力
整合建构
1.氮及其化合物间的转化关系
2.氮元素价类二维图
问题引领
从物质类别和氧化还原反应的角度分析,氮及其化合物间如何转化
点拨从物质类别的角度分析,铵盐、氨水和氨之间的转化,以及硝酸和硝酸盐间的转化均为非氧化还原反应。氨、氮氧化物、硝酸间的转化均为氧化还原反应。
训练突破
1.依据右图中氮元素及其化合物的转化关系,判断下列说法中不正确的是(　　)。
A.X是N2O5
B.可用排空气法收集NO气体
C.工业上以NH3、空气、水为原料生产硝酸
D.从原理上看,NH3可与NO2反应实现NH3→N2的转化
B
解析:NO遇空气中的氧气被氧化为NO2,不可用排空气法收集NO气体,B项错误。
2.一定条件下,含氮元素的物质可发生如图所示的循环转化。
回答下列问题。
(1)氮的原子结构示意图为　　　　　。
(2)图中属于“氮的固定”的是　　　　(填字母,
下同);转化过程中发生非氧化还原反应的是
　　　　。
(3)若“反应h”是在NO2与H2O的作用下实现,
则该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为　 。
(4)若“反应i”是在酸性条件下由 与Zn的作用实现,则该反应的离子方程式为 　。
解析:(1)N位于第二周期第ⅤA族,其原子结构示意图为
(2)氮的固定是游离态的氮转化成为化合态的氮,根据循环图可知,属于氮的固定的是k和c;发生非氧化还原反应,说明反应前后各元素化合价没有发生变化,则属于非氧化还原反应的是a和l。
(3)反应h的化学方程式为3NO2+H2O══2HNO3+NO,氧化产物是HNO3,还原产物是NO,因此氧化产物和还原产物的物质的量之比为2∶1。
能力点2
利用气体制备的思路分析解决有关制备氨的问题的能力
整合建构
实验室制备氨的常用方法
问题引领
气体制备实验装置的解题思路是怎样的
点拨气体制备思维模板。
训练突破
1.实验室采用下列装置制取NH3,正确的是(　　)。
D
解析:加热氯化铵固体分解生成的NH3和HCl在试管口遇冷后又化合生成氯化铵,不能制取NH3,A项错误。NH3为碱性气体,不能用浓硫酸干燥,B项错误。收集NH3的导管应该插入试管底部,C项错误。NH3极易溶于水,采用倒扣的漏斗可以防止倒吸,D项正确。
2.某研究性学习小组设计用如图所示实验装置(夹持仪器省略)制取干燥的NH3并验证NH3具有还原性,请回答下列问题。
(1)实验室制备NH3有多种方法,现欲用NH4Cl与Ca(OH)2反应制取NH3,则甲中的气体发生装置为　　　　(从Ⅱ中选用);用浓氨水与生石灰反应也可制取NH3,反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　。
(2)装置丙用于收集NH3,应将导管　　　　(填“a”或“b”)延长至集气瓶底部,装置乙中盛放的试剂为　　　　,装置己的作用为　 　(答两点)。
(3)若装置丁中黑色固体变红,则装置戊中现象为　　　　　　　　　。
答案:(1)B　CaO+NH3·H2O══Ca(OH)2+NH3↑
(2)b　碱石灰(或其他合理答案)　吸收未反应完的NH3,防止空气中水蒸气进入装置戊中
(3)白色固体变为蓝色
解析:(1)铵盐与氢氧化钙反应需要加热,且有水生成,应选装置B;氧化钙与一水合氨反应生成氢氧化钙和氨。(2)氨的密度比空气的密度小,应用向下排空气法收集,所以将b管延伸至集气瓶底部;氨是碱性气体,可用碱石灰干燥;装置己的作用是吸收未反应完的NH3,防止空气中水蒸气进入装置戊中。(3)氨与氧化铜反应生成铜和水,装置戊中的现象为白色固体变为蓝色。
能力点3
利用气体压强的知识分析解决氨的喷泉实验等倒吸问题的能力
整合建构
问题引领
(1)喷泉实验问题实质上是一个倒吸问题,其与气体的压强有何关系
(2)下图为常见的喷泉实验的装置,引发喷泉的方法是什么 据此进行发散创新思维,可以创新得出哪些喷泉实验装置 使用这些装置做喷泉实验时,引发喷泉的方法是什么
点拨(1)在一密闭体系中,因某种原因(可能为温度骤降、气体溶于液体、外界气体压强增大)使体系内气体压强小于外界大气压时,液体就会在外界大气压的作用下,压入密闭体系,形成倒吸现象,如果倒吸现象发生在喷泉装置中,就会形成喷泉现象。
(2)实验操作是打开乳胶管上的弹簧夹,挤压胶头滴管,则烧杯中的液体由玻璃管进入烧瓶,形成喷泉。
训练突破
1.中学实验中,通常利用如图所示的装置进行喷泉实验,来验证气体的“溶解性”,下列有关说法不正确的是(　　)。
A.用滴管加入液体后,由于气体的“溶解”,使瓶内压强减小,导致瓶内压强小于外界压强,从而形成喷泉
B.选用合适的溶液,CO2、SO2均能用于做喷泉实验
C.HCl、NH3均能用该装置做喷泉实验
D.用NO2和N2O4的混合气体做喷泉实验,烧瓶中将充满稀硝酸
D
解析:由于气体溶于水或某种溶液,导致烧瓶中的压强迅速减小,与外界产生足够的压强差,从而形成喷泉,A项正确;CO2、SO2能与NaOH溶液等强碱溶液反应,从而被吸收,也能与外界产生很大的压强差,故能形成喷泉,B项正确;NH3和HCl属于极易溶于水的气体,故均能形成喷泉,C项正确;NO2和N2O4与水反应后有NO生成,故液体不能充满烧瓶,D项错误。
2.右图的装置中,干燥烧瓶内盛有某种气体,烧杯和滴管内盛放某种溶液。挤压胶头滴管,下列气体与溶液组合与实验事实不相符的是(　　)。
A.CO2(NaHCO3溶液)/无色喷泉
B.NH3(H2O中含酚酞)/红色喷泉
C.H2S(CuSO4溶液)/黑色喷泉
D.HCl(AgNO3溶液)/白色喷泉
A
解析:CO2在NaHCO3溶液中的溶解度很小,因此不能形成喷泉;NH3极易溶于水生成NH3·H2O,NH3·H2O发生电离产生OH-,能使酚酞显红色;H2S与CuSO4溶液反应生成CuS黑色沉淀;HCl极易溶于水,且与AgNO3溶液发生反应生成白色沉淀。故A项与实验事实不相符。
第三环节　核心素养提升
【学科思想方法】
守恒思想在含氮物质有关计算中的应用
1.解NOx和O2混合型计算题的整体思路和计算方法
(1)整体思路。
(2)计算方法。
①电子守恒法。
当NOx转化为硝酸时要失去电子,如果是NOx与O2混合,则反应中O2得到的电子数与NOx失去的电子数相等。
②关系式法。
a.NO和O2的混合气体通入水中。
由2NO+O2══2NO2和3NO2+H2O══2HNO3+NO得总反应为4NO+3O2+2H2O══4HNO3。
b.NO2和O2的混合气体通入水中。
由3NO2+H2O══2HNO3+NO和2NO+O2══2NO2得总反应为4NO2+O2+2H2O══4HNO3。
c.NO、NO2和O2的混合气体通入水中。
先按3NO2+H2O══2HNO3+NO计算出生成的NO体积,再加上原来混合气体中NO体积,再按a中关系计算。
2.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起酸性的作用,以 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得失电子守恒法。
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。
金属与H2SO4、HNO3的混合酸反应时,由于硝酸盐中 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 进行相关计算,且溶液中要符合电荷守恒。
【例题】 当硝酸与金属或非金属反应时,反应物或反应条件不同,硝酸被还原的产物也不同。请回答下列问题。
(1)金属Zn与某浓度的硝酸反应时无气体产生,则硝酸的还原产物为
　　　　　(填化学式)。
(2)某混酸由200 mL 3 mol·L-1的稀硝酸和200 mL 2.5 mol·L-1的稀硫酸均匀混合而成(忽略溶液的体积变化)。将其分成两等份,分别与足量的铜和铁反应,还原产物只有NO,则最多能溶解　　　 mol Cu和　　　 g Fe。
(3)200 mL 16 mol·L-1的浓硝酸与3.2 g Cu反应,反应过程中还原产物只有NO2,则反应结束后,产生气体的体积为　　　　　(标准状况下),溶液中c(H+)∶c( )=　　　　　(忽略HNO3的挥发)。
【核心素养考查点剖析】本题主要考查了化学计算中的常用方法——守恒法。综合考查了考生的 “证据推理与模型认知”等化学核心素养。
解析:(1)硝酸被还原,氮元素化合价降低,若无气体产生,则还原产物为NH4NO3(或 )。
(2)设最多溶解的Cu的物质的量为x,一份溶液中n(N)=0.3 mol,n(H+)=0.8 mol,
3 8 2
x 0.8 mol 0.3 mol
可知溶液中 过量,则x=0.3 mol。因在反应中Fe和Cu的化合价均变为+2价,则最多溶解Fe的物质的量也是0.3 mol,Fe的质量为56 g·mol-1×0.3 mol=16.8 g。
【典题训练】
1.在一定条件下,将NO2和O2的混合气体12 mL通入足量水中,充分反应后剩余2 mL气体(同温同压下),则原混合气体中氧气的体积为(　　)。
①1.2 mL　②2.4 mL　③3 mL　④4 mL
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
D
2.将32.64 g铜与140 mL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11.2 L。请回答下列问题。
(1)NO的体积为　　　L,NO2的体积为　　　 L。
(2)待产生的气体全部释放后,向溶液中加入b mL a mol·L-1的NaOH溶液,恰好使溶液中的Cu2+全部转化成沉淀,则原硝酸的浓度为　　　　　 mol·L-1。(假设反应前后溶液的体积不变)
(3)显酸性的硝酸的物质的量为　　　　。
(4)显氧化性的硝酸的物质的量为　　　　。
解析:(1)设混合气中NO和NO2的物质的量分别是x和y。
则根据得失电子守恒可知3x+y=0.51 mol×2
解得x=0.26 mol,y=0.24 mol,
所以V(NO)=0.26 mol×22.4 L·mol-1≈5.8 L,
V(NO2)=0.24 mol×22.4 L·mol-1≈5.4 L。
(2)溶液中的Cu2+ 全部转化成沉淀后,溶液中的溶质恰好是硝酸钠。
根据原子守恒可知,硝酸钠的物质的量是0.001ab mol
(3)显示酸性的硝酸即与铜反应生成盐的硝酸,
即n(HNO3)=2n(Cu) =1.02 mol。
【新情境模拟训练】
合成氨工业是现代化工和国民经济的重要支柱,已知:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0。电催化还原N2制NH3的一种反应机理如图所示,其中吸附在催化剂表面的粒子用*表示。
下列说法正确的是(　　)。
A.电催化法是一步即能把N2
还原为NH3的高效还原法
B.两个氮原子的加氢过程同时进行
C.NH3的及时脱附有利于合成氨
D.与传统工业合成氨相比,电催化法能降低反应的活化能,从而降低了反应的ΔH
C
解析:由N2转化为NH3的过程中氮原子结合氢原子,氮元素化合价降低,N2被还原,发生还原反应,据图可知,由N2转化为NH3是通过多步还原反应实现的,A项错误。据图可知,两个氮原子上的加氢过程是分步进行的,B项错误。NH3的及时脱附,减少了生成物的浓度,会使平衡向右移动,有利于合成氨,C项正确。催化剂能降低反应的活化能,但不能改变反应的ΔH,D项错误。

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