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第3课时　硝酸　酸雨及防治
第五章
内容索引
01
02
课前篇 素养初探
课堂篇 素养提升
素养目标
1.结合实验探究,掌握硝酸的不稳定性、强氧化性及保存方法,发展科学探究与创新意识的学科核心素养。
2.结合环境污染与防治知识,了解酸雨的形成及危害,加强环保意识,体现化学学科中科学态度与社会责任的学科核心素养。
课前篇 素养初探
【自主梳理】
一、硝酸
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
(1)不稳定性
浓硝酸见光或者受热会分解产生二氧化氮:
4HNO3 4NO2↑+O2↑+2H2O。
浓硝酸的保存:一般保存在棕色试剂瓶中,并放置在阴凉处。
(2)强氧化性
①与金属铜的反应
硝酸体现氧化性和酸性　
浓、稀硝酸与铜反应的化学方程式分别为:
4HNO3(浓)+Cu === Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O、
8HNO3(稀)+3Cu === 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
【微思考1】实验室中浓硝酸显黄色的原因是什么
提示 浓硝酸分解生成的二氧化氮又溶于硝酸所致。
【微思考2】(1)铜与硝酸反应的探究实验中铜丝呈螺旋状且可拉动,这样的设计有什么优点
(2)浓硝酸、稀硝酸与Cu反应的还原产物分别为NO2、NO,反应中稀硝酸中氮元素的化合价降低较多,说明稀硝酸的氧化性比浓硝酸强,对吗
提示 (1)①可以通过抽拉控制反应的开始与结束;②螺旋状的铜丝可以增大与硝酸的接触面积。
(2)不对。浓硝酸氧化性比稀硝酸强,与Cu反应时浓硝酸反应更剧烈。
②浓硝酸与铁、铝的反应
a.常温下,铁、铝的表面被浓硝酸或浓硫酸氧化,生成了一层致密的氧化物薄膜,这层薄膜阻止了酸与内层金属的进一步反应。
b.加热时,铁、铝会与浓硝酸或浓硫酸发生反应。
【微点拨】王水是浓硝酸和浓盐酸按体积比为1∶3组成的混合物。王水能使不溶于硝酸的金属如金、铂等溶解。
【微思考3】已知浓硝酸的氧化性强于浓硫酸,你能写出红热的碳单质与浓硝酸反应的化学方程式吗
提示 C+4HNO3(浓) CO2↑+4NO2↑+2H2O。
3.工业制硝酸
(1)工业上制硝酸的流程图
(2)反应原理
4.硝酸的用途
硝酸是重要化工原料,用于制化肥、农药、炸药、染料等。
二、酸雨及防治
1.酸雨的形成与危害
(1)酸雨
二氧化硫、氮氧化物以及它们在大气中发生反应后的生成物溶于雨水会形成酸雨。酸雨的pH小于5.6。
【微思考4】正常雨水是否呈中性
提示 正常雨水由于溶解了二氧化碳,呈酸性,其pH约为5.6。
(2)形成
①硫酸型酸雨:SO2→SO3→ H2SO4 (或SO2→H2SO3→ H2SO4 )。
②硝酸型酸雨:NOx→NO2→ HNO3 。
【微思考5】(1)“雷雨发庄稼”有何科学道理 试结合有关反应的化学方程式解释说明。
(2)收集到的硫酸型酸雨样品,放置时间稍长,酸性反而越强,原因是什么
提示 (1)“雷雨发庄稼”就是自然固氮的原理,涉及的反应为N2+O2 2NO、2NO+O2 === 2NO2、3NO2+H2O === 2HNO3+NO。就是在闪电的作用下,空气中的氮气最终转化成了硝酸,可为植物生长提供所需的氮肥。
(2)酸雨中的H2SO3为中强酸,易被O2氧化为酸性更强的H2SO4。
(3)危害
①直接损伤农作物,破坏森林和草原,使土壤、湖泊酸化;
②加速建筑物、桥梁、工业设备、运输工具和电缆的腐蚀。
2.SO2与NO2的主要来源、危害和防治
【自我检测】
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)过量的铜与浓硝酸反应生成NO2和NO。(　　)
(2)硝酸可与Na2SO3反应制得SO2气体。(　　)
(3)稀硝酸与锌反应可放出氢气。(　　)
(4)用浓硝酸与Cu反应制备NO2。(　　)
(5)在常温下,浓硫酸和浓硝酸均可使Fe和Al发生钝化,说明常温下浓硫酸和浓硝酸与Fe和Al都不反应。(　　)
(6)空气质量日报报道的大气污染物是CO2、SO2、氮氧化物、固体悬浮颗粒。(　　)
√
×
×
√
×
×
2.下列实验事实与硝酸性质不相对应的一组是(　　)
A.稀硝酸使紫色石蕊溶液变红——酸性
B.铁与稀硝酸反应不能放出氢气——强氧化性
C.要用棕色瓶盛装浓硝酸——不稳定性
D.氢氧化亚铁固体与稀硝酸混合——仅显示强酸性
答案 D
解析 稀硝酸具有酸性,能使紫色石蕊溶液变红,A正确;稀硝酸具有强氧化性,与Fe反应生成硝酸盐、NO和水,不能产生氢气,B正确;硝酸不稳定,光照容易分解产生NO2、O2和水,所以硝酸要放在棕色试剂瓶中避光保存,C正确;稀硝酸具有酸性,能与氢氧化亚铁发生中和反应,但硝酸同时具有强氧化性,会把反应产生的Fe2+氧化为Fe3+,不仅仅表现酸性,也会表现氧化性,D错误。
3.将m mol Cu2S与足量的稀硝酸反应,生成Cu(NO3)2、H2SO4、NO和H2O。则被还原的HNO3的物质的量为(　　)
答案 D
解析 m mol Cu2S被HNO3氧化,Cu由+1价变为+2价,一共失去2m mol电子,S由-2价变为+6价,一共失去8m mol电子,总共失去电子为2m mol+8m mol=10m mol。HNO3被还原生成NO,1 mol HNO3得3 mol电子,则被还原的HNO3的物质的量为 mol。
课堂篇 素养提升
任务一
硝酸的强氧化性
【问题探究】
实验室利用具支试管进行浓、稀硝酸与铜的反应实验,装置如图所示:
1.浓硝酸、稀硝酸与铜反应时,分别产生哪些实验现象 反应的剧烈程度是否相同
提示 浓硝酸与铜反应时,试管内产生大量红棕色气体,溶液逐渐变绿,铜丝逐渐变细;稀硝酸与铜反应时,试管内产生少量无色气体,气体在试管上部变为红棕色,溶液逐渐变蓝,铜丝逐渐变细。铜与浓硝酸反应更剧烈。
2.浓、稀硝酸分别与铜反应时,产生不同的现象。请结合实验条件差别,分析产生不同现象的原因。
提示 浓硝酸中HNO3的浓度大于稀硝酸,浓硝酸在常温下能与铜迅速反应,生成红棕色的NO2气体,Cu(NO3)2溶液显蓝色,当溶液中溶解较多NO2时,混合溶液显绿色;稀硝酸与铜在常温下缓慢反应,生成无色的NO气体,随着反应进行,溶液温度升高,反应又会变快,NO与少量O2反应生成红棕色的NO2,Cu(NO3)2溶液显蓝色。
3.通过上述对比实验,你得出什么结论
提示 硝酸的浓度越大,其氧化性越强,与铜反应时,反应更迅速。
【深化拓展】
硝酸的强氧化性
1.规律
(1)硝酸的浓度越大,反应温度越高,其氧化性越强。
(2)硝酸作氧化剂的反应中,还原剂一般被氧化成最高价态。
2.表现
(1)硝酸与金属的反应
①除Au、Pt等少数金属外,硝酸几乎可以氧化其他所有的金属。
②活泼金属与HNO3反应不生成H2,HNO3的浓度不同,还原产物不同。
③常温下浓硝酸能使Fe、Al钝化,但加热时可以彻底反应。
(2)硝酸与非金属的反应
反应规律:非金属单质+浓硝酸→该非金属元素最高价氧化物或高价含氧酸+NO2↑+H2O。
(3)硝酸与还原性化合物的反应
硝酸的强氧化性还表现在可以氧化具有还原性的化合物或离子,如HI、HBr、SO2、FeO、Fe2+、Br-、I-、S2-、 等均能被HNO3氧化。
(4)硝酸与铁的反应
当硝酸过量时,生成Fe(NO3)3;当铁过量时,生成Fe(NO3)2。
【素能应用】
典例1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,设计了如下实验方案。
(1)甲同学设计如图实验(实验过程中玻璃塞为打开状态)。
①组装好装置并检验气密性后,如何加入稀硝酸
　　　　　　　　　　　　　　　　。
②如何控制反应的进行 　　　　　　　　　。
③如何验证产生的气体为NO 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)乙同学设计了如图实验(加热装置和固定装置均已略去)。图中K为止水夹(处于关闭状态),F是存有空气的注射器。
①设计装置A的目的是　　　　。
②装置E和F的作用是　 　　。
为实现此作用,操作是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
③装置D的作用是
　　　　　　　　　　　　　　。
答案 (1)①打开活塞,加入稀硝酸至液面a处
②通过关闭或开启活塞可以控制反应的进行
③反应开始后,胶塞下方有无色气体生成,打开活塞,分液漏斗中气体变为红棕色,证明反应产生的气体为NO
(2)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,则说明反应生成了NO
③吸收多余的氮氧化物,防止污染空气,防止倒吸
解析 (1)①打开活塞使左右大气相通,加入稀硝酸,液面才能达到a处。②关闭或开启活塞能控制U形管内产生气体的压强,当关闭活塞时,左侧压强增大,能使铜和稀硝酸分离从而停止反应。③一氧化氮是无色气体,如要证明反应产生的气体是一氧化氮,需要将活塞打开,使空气进入分液漏斗中,分液漏斗中气体变为红棕色,则证明反应所产生的气体是一氧化氮。
(2)①装置中含有空气,对NO的检验有干扰,A产生的CO2可以排除装置中的空气。②将注射器F中的空气推入E中,若气体变为红棕色,则说明反应生成了NO。③氮氧化物是大气污染物,可用氢氧化钠溶液吸收,干燥管可以防止倒吸。
【变式设问】
乙同学设计实验若缺少装置A,对实验结果是否产生影响 为什么
提示 是;缺少装置A,整个装置中有空气,会影响铜与稀硝酸反应产生的NO的检验。
变式训练1(2021天津部分区高一期末)某学习小组为研究铜与浓硝酸、稀硝酸反应的差异,设计了如图所示的实验装置。
下列说法不正确的是(　　)
A.反应开始前通入过量的CO2气体,目的是排除装置内的空气
B.A中反应的离子方程式:Cu+2 +4H+ === Cu2++2NO2↑+2H2O
C.当B中0.03 mol铜粉被氧化时,B中产生的NO气体大于0.02 mol
D.C装置中装入一定量的水进行尾气处理
答案 D
任务二
硝酸与金属反应的有关计算
【问题探究】
1.38.4 g Cu与足量的浓硝酸反应,铜全部反应后,收集到的气体在标准状况下的体积是多少
提示 浓硝酸在反应中被还原为NO2,Cu被氧化为Cu2+,反应中Cu失去电子
×2=1.2 mol,所以硝酸在反应中得到电子1.2 mol,生成NO2的物质的量为1.2 mol,在标准状况下的体积为1.2 mol×22.4 L·mol-1=26.88 L。
2.上述反应中,参与反应的硝酸的总物质的量是多少
提示 参与反应的硝酸一部分被还原为NO2,一部分以 的形式与Cu2+结合成Cu(NO3)2,参与反应的硝酸的总物质的量=被还原成NO2的物质的量+与Cu2+结合的 的物质的量=1.2 mol+1.2 mol=2.4 mol。
3.38.4 g Cu与一定量的浓硝酸反应,铜全部反应完后,收集到的气体在标准状况下的体积为17.92 L,计算混合气体中NO2和NO的物质的量。
【深化拓展】
1.硝酸与金属反应的计算方法
(1)电子守恒:硝酸与金属反应属于氧化还原反应,氮原子得到的电子数等于金属原子失去的电子数。生成1 mol NO2、NO、N2O、N2、NH4NO3分别得到1 mol、3 mol、8 mol、10 mol、8 mol电子。
(2)原子守恒:HNO3与金属反应时,一部分以 的形式存在,一部分转化为还原产物,这两部分中氮原子的物质的量之和与反应消耗的HNO3中氮原子的物质的量相等。
2.硝酸与金属反应的计算技巧
(1)如果金属被HNO3溶解后,产生的NOx气体(NO2、NO)与O2充分混合后又用H2O恰好完全吸收,则金属失去的电子数等于消耗的O2得到的电子数。
(2)如果金属被HNO3溶解后,再向溶液中滴加NaOH溶液使金属阳离子恰好完全沉淀,则金属失去电子的物质的量等于HNO3得到电子的物质的量,也等于生成氢氧化物时消耗的OH-的物质的量,因此,m(沉淀)=m(金属) +m(OH-)=m(金属)+n(e-)×17 g·mol-1[因为M Mn+,Mn+ M(OH)n]。
规律方法 解答有关金属与硝酸反应的思维流程
【素能应用】
典例2将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸溶液反应,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:
(1)NO的体积为　　　　 L,NO2的体积为　　　 L。
(2)待产生的气体全部逸出后,向溶液中加入V 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HNO3溶液的浓度为
　　　　 mol·L-1。
(3)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H2O2溶液　　　 g。
解析 (1)设生成NO的物质的量为x,NO2的物质的量为y。
解得x=0.26 mol,y=0.24 mol;
V(NO)=0.26 mol×22.4 L·mol-1=5.824 L;
V(NO2)=0.24 mol×22.4 L·mol-1=5.376 L。
变式训练2(2021山东威海高一期末)向27.2 g Cu和Cu2O的混合物中加入某浓度的稀硝酸0.5 L,固体物质完全反应,生成NO和Cu(NO3)2。在所得溶液中加入1.0 mol·L-1的NaOH溶液1.0 L,此时溶液呈中性,金属离子已完全沉淀,沉淀质量为39.2 g。下列有关说法不正确的是(　　)
A.Cu与Cu2O的物质的量之比为2∶1
B.硝酸的物质的量浓度为2.6 mol·L-1
C.产生的NO在标准状况下的体积为4.48 L
D.Cu、Cu2O与硝酸反应后剩余HNO3为0.2 mol
答案 B
解析 设Cu和Cu2O的物质的量分别为x、y,最后得到的39.2 g沉淀为Cu(OH)2,则有64 g·mol-1x+144 g·mol-1y=27.2 g,(x+2y)×98 g·mol-1=39.2 g,联立两式解得:x=0.2 mol,y=0.1 mol,故Cu与Cu2O的物质的量之比为0.2 mol∶0.1 mol=2∶1,A正确;据铜原子守恒可知反应生成Cu(NO3)2的物质的量为0.2 mol+0.1 mol×2=0.4 mol,反应中失电子的总物质的量为0.2 mol×2+0.2 mol×1=0.6 mol,根据得失电子守恒推知,反应生成NO为0.2 mol,在标准状况下的体积为0.2 mol×22.4 L·mol-1=4.48 L,C正确;金属离子完全沉淀时,溶液中溶质为NaNO3,则原硝酸溶液中n(HNO3)=n(NaNO3)+n(NO)=1.0 mol·L-1×1.0 L+0.2 mol=1.2 mol,故c(HNO3)= =2.4 mol·L-1,B错误;结合氮原子守恒可知,Cu、Cu2O与硝酸反应后剩余HNO3的物质的量为
n(NaNO3)-2n[Cu(NO3)2]=1.0 mol-2×0.4 mol=0.2 mol,D正确。
任务三
酸雨的危害与防治
【问题探究】
酸雨对环境危害巨大,图1是酸雨形成示意图,图2是德国的一座大理石雕像在60年间的变化。
1.排放到大气中的SO2是如何转化成硫酸型酸雨的 请结合化学方程式描述转化路径。
提示 排放到空气中的SO2在氧气和水蒸气的共同作用下形成酸雾,随雨水降落成为硫酸型酸雨。发生反应的化学方程式如下:
2.排放到大气中的氮氧化物是如何转化成硝酸型酸雨的 请结合化学方程式描述转化路径。
提示 排放到空气中的氮氧化物,NO与O2反应生成NO2,NO2与空气中的水蒸气反应生成HNO3,随雨水降落成为硝酸型酸雨;发生反应的化学方程式为2NO+O2 === 2NO2、3NO2+H2O === 2HNO3+NO。
3.为防治酸雨,降低煤燃烧时向大气排放的SO2,工业上将生石灰和含硫煤混合后使用。请写出燃烧时,有关“固硫”(不使含硫化合物进入大气)反应的化学方程式: 　。
答案 CaO+SO2 === CaSO3、2CaSO3+O2 === 2CaSO4
【深化拓展】
SO2和氮的氧化物的吸收、转化
(1)NaOH溶液吸收
SO2+2NaOH === Na2SO3+H2O
NO2+NO+2NaOH === 2NaNO2+H2O
2NO2+2NaOH === NaNO2+NaNO3+H2O
(2)氨气吸收
(3)汽车尾气转换器转化
(4)生石灰吸收、转化
CaO+SO2 === CaSO3、2CaSO3+O2 === 2CaSO4
特别提醒(1)氮的氧化物是造成酸雨和臭氧层空洞的共同污染物。
(2)NO使人中毒的原理与CO相似,被人吸入后与血红蛋白结合,从而使血红蛋白失去运输O2的能力。
【素能应用】
典例3下图所示是酸雨的形成示意图。根据图示回答下列问题。
(1)下列气体容易形成酸雨的是　　　　。
A.CO2
B.SO2
C.N2
D.NO2
(2)现有雨水样品1份,每隔一段时间测定该雨水样品的pH,所得数据如下:
分析数据,回答下列问题:
①雨水样品的pH变化的原因是　　　　　　　　　　　　　　　(用化学方程式表示)。
②如果将刚取样的上述雨水和自来水相混合,雨水pH将变　　　　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　(用化学方程式表示)。
(3)下列措施中,可减少酸雨产生的是　　　(填字母)。
①少用煤作燃料　②把工厂烟囱造高　③燃料脱硫
④在已酸化的土壤中加石灰　⑤开发新能源
A.①②③ B.②③④⑤ C.①③⑤ D.①③④⑤
测试时间/h 0 1 2 3 4
雨水的pH 4.73 4.63 4.56 4.55 4.55
【变式设问】
如何检验硫酸型酸雨中含有
提示 取少量酸雨样品置于试管中,然后滴加足量稀盐酸,再滴加BaCl2溶液,若产生白色沉淀,则证明含有 。
变式训练3(2021天津静海一中高一期末)以下非金属氧化物与其引起的环境问题及主要来源对应不正确的是(　　)
选项 氧化物 环境问题 主要来源
A CO2 温室效应 化石燃料的燃烧
B NO2 酸雨 工厂废气的排放
C CO CO中毒 燃料的不完全燃烧
D SO2 光化学烟雾 汽车尾气的排放
答案 D
解析 CO2主要是导致温室效应,A正确;NO2可以引起酸雨和光化学烟雾,B正确;燃料的不完全燃烧生成CO,CO有毒,C正确;光化学烟雾主要是氮的氧化物引起的,SO2主要引起酸雨,D错误。
随堂检测
1.(2021北京房山区高一期末)下图为某城市某日空气质量报告,下列叙述与报告内容不相符的是(　　)
A.该日空气首要污染物是PM2.5
B.该市空气质量等级属于重度污染
C.污染物NO2可能主要来源于机动车尾气
D.CO、SO2均可导致酸雨
答案 D
解析 由图中信息可知,该日空气首要污染物是PM2.5,A正确;PM2.5的污染指数为250,介于200~300之间,空气质量等级属于重度污染,B正确;空气中N2和O2在机动车发动机内高温下反应生成NO,NO与O2反应生成NO2,C正确;SO2、NO2均能导致酸雨,CO不能引起酸雨,D错误。
2.(2021山东临沂高一期中)下列反应中,不属于HNO3所属类别通性的是(　　)
A.4HNO3(浓)+S SO2↑+4NO2↑+2H2O
B.HNO3+NaOH === NaNO3+H2O
C.2HNO3+CuO === Cu(NO3)2+H2O
D.2HNO3+CaCO3 === Ca(NO3)2+CO2↑+H2O
答案 A
解析 HNO3属于酸,具有酸的通性,能与碱、碱性氧化物和某些盐反应,故B、C、D均属于HNO3所属类别的通性;浓硝酸与S加热时发生氧化还原反应,体现浓硝酸的强氧化性,A项符合题意。
3.(2021辽宁锦州高一期末)铜粉放入稀硫酸中,加热后无明显现象产生。当加入一种盐后,铜粉的质量减少,溶液呈蓝色,同时有气体逸出,该盐可能是(　　)
A.FeSO4 B.Fe2(SO4)3
C.Na2CO3 D.KNO3
答案 D
解析 铜是不活泼金属,铜粉放入稀硫酸中,加热后无明显现象产生,加入KNO3后,发生反应3Cu+2 +8H+ === 3Cu2++2NO↑+4H2O,观察到铜粉的质量减少,溶液呈蓝色,同时有气体逸出。
4.(2021山东青岛高一期末)为了探究浓硝酸的性质,进行以下五组实验,均观察到红棕色气体。下列分析错误的是(　　)
A.将带火星的木条靠近①的试管口,木条复燃,说明NO2能支持燃烧
B.②中的铁片钝化,红棕色气体由浓硝酸分解产生,③中溶液变为绿色
C.①④⑤实验对比,④中的红棕色气体可能是由挥发的浓硝酸受热分解产生的
D.五支试管中的红棕色气体均为还原产物
答案 B
解析 灼热的玻璃棒插入浓硝酸中,HNO3分解生成NO2、O2和H2O,带火星的木条靠近①的试管口,木条复燃,说明NO2和O2均能支持燃烧,A正确;灼热的铁片在浓硝酸中发生反应,且生成红棕色的NO2,不能钝化,B错误;浓硝酸具有强挥发性,挥发出的HNO3(g)受灼热木炭作用,发生分解反应生成红棕色NO2,C正确;红棕色气体均为NO2,都是HNO3被还原生成,均为还原产物,D正确。
5.在浓硝酸中放入铜片,则
(1)开始反应的化学方程式为 　　　　　　　　,实验现象为　 　　　　　　　　。
(2)若铜有剩余,则反应将要结束时的化学方程式为 　。
(3)待反应停止后若有铜剩余,再加入少量质量分数为25%的稀硫酸,这时铜片上又有气泡产生,其原因是 　。
(4)若将12.8 g铜与一定量的浓硝酸反应,铜消耗完时,共产生气体5.6 L(标准状况),则所消耗的硝酸的物质的量是　　　　。
答案 (1)Cu+4HNO3(浓) === Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O　铜片逐渐溶解,溶液逐渐变蓝,有红棕色气体逸出
(2)3Cu+8HNO3(稀) === 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(3)加入稀硫酸后,H+与原溶液中的 形成强氧化性的环境,又能使剩余的Cu发生反应,离子方程式为3Cu+8H++2 === 3Cu2++2NO↑+4H2O
(4)0.65 mol
解析 (2)随着反应的进行,硝酸浓度不断减小,故反应后阶段发生的是铜与稀硝酸的反应。

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