高考化學一輪復習 專題十九 氮及其化合物 考點一 氮及氧化物和硝酸教學案

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專題十九　氮及其化合物 考綱展示　命題探究 　1　氮氣及其氧化物 (1)氮的原子結(jié)構(gòu) 氮元素位于元素周期表中第二周期第ⅤA族，原子結(jié)構(gòu)示意圖為，最外層有5個電子，在化學反應中能獲得3個電子而表現(xiàn)出－3價。 (2)氮元素在自然界中的存在及氮的固定 (3)氮氣的性質(zhì) 學霸巧學卡 (1)N2約占空氣總體積的78%、總質(zhì)量的75%。 (2)N2中氮元素處于中間價態(tài)，既可表現(xiàn)還原性，又可表現(xiàn)氧化性。 (3)N2可作保護氣，是因為在通常情況下N2的化學性質(zhì)很穩(wěn)定，不與O2、酸、堿等發(fā)生反應；性質(zhì)穩(wěn)定是由氮氣分子內(nèi)氮氮三鍵的鍵能大決定的。 (4)物質(zhì)Mg3N2遇水可發(fā)生反應：Mg3N2＋6H2O===3Mg(OH)2↓＋2NH3↑。 (4)氮的氧化物 ①氮的氧化物有：N2O(笑氣，有麻醉作用)；N2O5(硝酸酸酐)；N2O3(亞硝酸酸酐)；NO、NO2(主要的大氣污染物)；N2O4。 ②NO、NO2性質(zhì)的比較(見下表) 學霸巧學卡 (1)氮的氧化物都是有毒氣體，都是大氣污染物。 (2)空氣中的NO2等是造成光化學煙霧的主要因素。 (3)空氣中NO、NO2主要來源于煤和石油的燃燒、汽車尾氣、硝酸工廠廢氣等。 (4)NO2雖然與水反應生成HNO3，但不是硝酸的酸酐。NO2既有氧化性又有還原性，以氧化性為主。如NO2能使?jié)駶櫟牡矸郏饣浽嚰堊兯{：2NO2＋2KI===2KNO2＋I2。 (5)驗證某無色氣體是NO的方法是向無色氣體中通入O2(或空氣)，無色氣體變?yōu)榧t棕色。 (6)NO2氣體存在平衡：2NO2N2O4，故沒有純凈的NO2或N2O4氣體。 (7)實驗室制NO只能用排水法收集，制NO2只能用排空氣法收集。 2　硝酸 (1)物理性質(zhì) ①純硝酸為無色、有刺激性氣味的液體。 ②硝酸沸點較低，易揮發(fā)，在空氣中遇水蒸氣形成白霧。 ③質(zhì)量分數(shù)在69%以上的硝酸稱為濃硝酸。 (2)化學性質(zhì) 化學性質(zhì) 酸的通性 ①使紫色石蕊溶液變紅；②與金屬單質(zhì)反應，不產(chǎn)生H2；③與金屬氧化物反應；④與堿反應；⑤與某些鹽反應 不穩(wěn)定性 4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O(保存在棕色瓶中，放置在陰涼處) 強氧化性 鋁、鐵在冷的濃硝酸中發(fā)生鈍化，因此常溫下鋁、鐵制品可以盛放冷的濃硝酸 與金屬反應不產(chǎn)生H2：Cu＋4HNO3(濃)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O 3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O 與非金屬反應：C＋4HNO3(濃)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O 與還原性化合物反應：3Fe2＋＋4H＋＋NO===3Fe3＋＋NO↑＋2H2O (3)硝酸的制法與用途 制法 實驗室制法 NaNO3＋H2SO4(濃)NaHSO4＋HNO3↑ 工業(yè)制法 4NH3＋5O24NO＋6H2O 2NO＋O2===2NO2 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO↑ 用途 用于制炸藥、染料、塑料、硝酸鹽等 學霸巧學卡 (1)質(zhì)量分數(shù)達98%以上的濃硝酸稱為“發(fā)煙硝酸”，“煙”實為霧(硝酸小液滴)，體現(xiàn)了HNO3的揮發(fā)性。 (2)濃硝酸能使紫色石蕊溶液變紅，加熱褪色。在這一反應過程中濃硝酸表現(xiàn)出強酸性和強氧化性，可將紅色物質(zhì)氧化成無色物質(zhì)。 (3)王水：濃HNO3和濃鹽酸按體積比為1∶3混合即為王水，它的氧化性更強，能溶解Pt、Au等金屬。 3　氮族元素 包括氮(7N)、磷(15P)、砷(33As)、銻(51Sb)、鉍(83Bi)五種元素。氮族元素位于元素周期表中第ⅤA族，其代表元素為氮和磷。 相似性 遞變性 氮族元素的結(jié)構(gòu) 最外層電子數(shù)都是5 原子半徑隨N、P、As、Sb、Bi順序逐漸增大，原子核對外層電子吸引力減弱，非金屬性減弱，金屬性增強 氮族元素的性質(zhì) 最高價氧化物的通式為R2O5； 最高價氧化物對應水化物的通式為HRO3或H3RO4； 氣態(tài)氫化物的通式為RH3； 最高化合價為＋5價，最低化合價為－3價 單質(zhì)從非金屬過渡到金屬，非金屬性：N>P>As，金屬性：SbH3PO4>H3AsO4>H3SbO4； 與氫氣反應越來越困難； 氣態(tài)氫化物穩(wěn)定性逐漸減弱：NH3>PH3>AsH3 學霸巧學卡 (1)主要化合價：氮有－3、＋1、＋2、＋3、＋4、＋5價；磷和砷有－3、＋3、＋5價；銻、鉍有＋3、＋5價。 (2)在氮族元素的單質(zhì)中，氮、磷具有較明顯的非金屬性；砷雖然是非金屬，但有一些金屬性；銻、鉍為金屬。 1.思維辨析 (1)常溫下，N2既能與O2反應又能與H2反應。(　　) (2)NO2溶于水時生成HNO3，故NO2是硝酸的酸酐。(　　) (3)CO、NO、NO2都是大氣污染氣體，在空氣中都能穩(wěn)定存在。(　　) (4)NO2通入FeSO4溶液中始終無明顯現(xiàn)象。(　　) (5)硝酸與活潑金屬Mg、Al等反應產(chǎn)生H2，而與Cu反應產(chǎn)生NO或者NO2。(　　) (6)將濃硝酸滴在干燥的藍色石蕊試紙上，現(xiàn)象是先變紅后褪色。(　　) (7)硝酸可與Na2S反應制得H2S氣體。(　　) (8)常溫下，可用鐵制或鋁制容器盛放濃HNO3，說明Fe、Al與濃HNO3不反應。(　　) 答案　(1)　(2)　(3)　(4)　(5)　(6)√　(7)　(8) 2．下列反應必須加入氧化劑且一步反應就能完成的是(　　) ①N2→NO2?、贜O2→NO?、跱O2→HNO3?、躈2→NO　⑤N2→NH3 A．① B．②⑤ C．④ D．③④ 答案　C 解析　該題有兩個要求：(1)必須加入氧化劑；(2)一步反應就能完成。反應①、③、④從化合價角度來看都升高，但反應①N2→NO2不能一步反應完成；而反應③NO2→HNO3，雖然氮的化合價升高，但不加氧化劑也能實現(xiàn)，如3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，在該反應中，NO2既是氧化劑又是還原劑；只有反應④N2→NO必須加入氧化劑且一步反應就能完成。 　[考法綜述]　本考點主要考查氮氣的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、氮氧化物的制取和性質(zhì)、氮氧化物對環(huán)境的影響、氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化以及以氮氣、氮氧化物為載體，考查化學反應原理、化學實驗、化學計算等。 命題法1　氮氧化物對環(huán)境的污染與防治 典例1　　NOx是汽車尾氣中的主要污染物之一。 (1)NOx能形成酸雨，寫出NO2轉(zhuǎn)化為HNO3的化學方程式：________________________________________________________。 (2)在汽車尾氣系統(tǒng)中裝置催化轉(zhuǎn)化器，可有效降低NOx的排放，當尾氣中空氣不足時，NOx在催化轉(zhuǎn)化器中被還原成N2排出。寫出NO被CO還原的化學方程式：__________________。 [解析]　(2)根據(jù)題目信息可知NO被CO還原為N2，而CO被氧化成CO2，化學方程式為2NO＋2CON2＋2CO2。 [答案]　(1)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO (2)2NO＋2CON2＋2CO2 【解題法】　NOx尾氣的處理方法 (1)堿液吸收法 2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O NO2、NO的混合氣體能被足量燒堿溶液完全吸收的條件是n(NO2)≥n(NO)。一般適合工業(yè)尾氣中NOx的處理。 (2)催化轉(zhuǎn)化法 在催化劑、加熱條件下，氨可將氮氧化物轉(zhuǎn)化為無毒氣體(N2)或NOx與CO在一定溫度下催化轉(zhuǎn)化為無毒氣體(N2和CO2)。一般適用于汽車尾氣的處理。 命題法2　氮的氧化物溶于水的計算 典例2　同溫同壓下，在3支相同體積的試管中分別充有等體積混合的2種氣體，它們是①NO和NO2，②NO2和O2，③NH3和N2。將3支試管均倒置于盛水的水槽中，充分反應后，試管中剩余氣體的體積分別為V1、V2、V3，則下列關系正確的是(　　) A．V1>V2>V3 B．V1>V3>V2 C．V2>V3>V1 D．V3>V1>V2 [解析]　設各種氣體的體積都為1體積。①根據(jù)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，即剩余NO體積V1＝體積。②根據(jù)4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，即剩余O2體積V2＝體積。③剩余N2體積V3＝1體積。即B項符合題意。 [答案]　B 【解題法】　氮氧化物溶于水計算的原理及方法 一、原理 解答氮氧化物溶于水的計算問題首先明確原理，無論是單一氣體(NO2)，還是NO、NO2、O2中的兩者或三者的混合氣體，反應的實質(zhì)是3NO2＋H2O===2HNO3＋NO,2NO＋O2===2NO2，故若有氣體剩余只能是NO或O2，不能是NO2。 二、方法 氮的氧化物與O2、H2O反應的計算，常見的有三種方法 1．加合式法 (1)NO2和O2混合氣體溶于水的計算 由4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3可知： V(NO2)∶V(O2) (2)NO與O2同時通入水中 2NO＋O2===2NO2、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 總的化學方程式為4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 可知： V(NO)∶V(O2) (3)NO2、NO、O2三種混合氣體通入水中： ①可先將NO和O2轉(zhuǎn)化為NO2，再按上述各種情況分別處理。 ②也可先將NO2和H2O反應轉(zhuǎn)化為NO，再按4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3情況處理。 2．原子守恒法 4NO2＋O2和4NO＋3O2從組成上均相當于2N2O5的組成，都與N2O5＋H2O===2HNO3等效。當NO、NO2、O2的混合氣體溶于水時利用混合氣體中N、O原子個數(shù)比進行分析判斷。 n(N)∶n(O) 3．電子守恒法 NO與O2的混合氣體通入水中發(fā)生反應：2NO＋O2===2NO2、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，在這當中，存在著NO向NO2轉(zhuǎn)化、NO2向HNO3轉(zhuǎn)化的同時又生成NO的循環(huán)反應。但總體來講，NO→HNO3，N的化合價升高是由于被O2氧化，因此可寫出 在氧化還原反應中得失電子數(shù)必然相等。 命題法3　硝酸與金屬反應的規(guī)律和計算方法　 典例3　　將9 g銅和鐵的混合物投入100 mL稀硝酸中，充分反應后得到標準狀況下1.12 L NO，剩余4.8 g金屬；繼續(xù)加入100 mL等濃度的稀硝酸，金屬完全溶解，又得到標準狀況下1.12 L NO。若向反應后的溶液中加入KSCN溶液，溶液不變紅，則下列說法正確的是(　　) A．原混合物中銅和鐵各0.075 mol B．稀硝酸的物質(zhì)的量濃度為0.5 molL－1 C．第一次剩余4.8 g金屬為銅和鐵 D．再加入上述100 mL稀硝酸，又得到標準狀況下1.12 L NO [解析]　第一次加稀硝酸時金屬有剩余，溶解的4.2 g金屬均被氧化為＋2價，溶解的金屬的物質(zhì)的量為3＝0.075 mol，金屬的摩爾質(zhì)量為＝56 gmol－1，因此為鐵；第二次加稀硝酸后金屬完全溶解，由題意可知Fe2＋未被氧化，溶解的4.8 g金屬被氧化為＋2價，同理可知溶解的金屬的摩爾質(zhì)量為64 gmol－1，是銅，銅的物質(zhì)的量為0.075 mol，所以A項正確，C項錯誤；第一次加硝酸，生成的硝酸亞鐵的物質(zhì)的量為0.075 mol，其中氮的物質(zhì)的量為0.15 mol，由氮原子個數(shù)守恒知，硝酸的物質(zhì)的量為0.15 mol＋0.05 mol＝0.2 mol，因此硝酸的物質(zhì)的量濃度為2 molL－1，所以B項錯誤；若金屬完全溶解后再加100 mL稀硝酸，反應為3Fe2＋＋4H＋＋NO===3Fe3＋＋NO↑＋2H2O，HNO3足量，0.075 mol Fe2＋生成0.025 mol NO，標況下體積為0.56 L，所以D項錯誤。 [答案]　A 【解題法】　反應規(guī)律及計算方法總結(jié) (1)思維模型 (2)反應規(guī)律 ①金屬與硝酸反應一般不生成H2。濃硝酸中，HNO3一般被還原為NO2；稀硝酸中，HNO3一般被還原為NO。 ②鐵與稀硝酸反應，先生成Fe(NO3)3，若Fe過量，F(xiàn)e(NO3)3再和Fe反應生成Fe(NO3)2。 ③銅與濃硝酸反應，若銅過量，開始時還原產(chǎn)物為NO2，隨著反應的進行，濃硝酸變稀，還原產(chǎn)物為NO，最終得到NO2和NO的混合氣體。 (3)計算中守恒思想的應用 ①原子守恒法 HNO3與金屬反應時，一部分HNO3起酸的作用，以NO的形式存在于溶液中；一部分作為氧化劑，轉(zhuǎn)化為還原產(chǎn)物。這兩部分中氮原子的總物質(zhì)的量等于反應消耗的HNO3中氮原子的物質(zhì)的量。 ②得失電子守恒法 HNO3與金屬的反應屬于氧化還原反應，HNO3中氮原子得電子的物質(zhì)的量等于金屬失電子的物質(zhì)的量。 ③電荷守恒法 HNO3過量時反應后溶液中(不考慮OH－)則有： c(NO)＝c(H＋)＋nc(Mn＋)(Mn＋代表金屬離子)。 ④離子方程式計算法 金屬與H2SO4、HNO3的混合酸反應時，由于硝酸鹽中NO在H2SO4提供H＋的條件下能繼續(xù)與金屬反應，因此此類題目應用離子方程式來計算，先作過量判斷，然后根據(jù)完全反應的金屬或H＋或NO進行相關計算，且溶液中要符合電荷守恒。 命題法4　磷及其化合物 典例4　　次磷酸(H3PO2)是一種精細磷化工產(chǎn)品，具有較強還原性。回答下列問題： (1)H3PO2是一元中強酸，寫出其電離方程式___________。 (2)H3PO2及NaH2PO2均可將溶液中的Ag＋還原為銀，從而可用于化學鍍銀。 ①H3PO2中，P元素的化合價為________。 ②利用H3PO2進行化學鍍銀反應中，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為4∶1，則氧化產(chǎn)物為__________________(填化學式)。 ③NaH2PO2為________(填“正鹽”或“酸式鹽”)，其溶液顯________ (填“弱酸性”“中性”或“弱堿性”)。 (3)H3PO2的工業(yè)制法是：將白磷(P4)與Ba(OH)2溶液反應生成PH3氣體和Ba(H2PO2)2，后者再與H2SO4反應。寫出白磷與Ba(OH)2溶液反應的化學方程式____________________。 [解析]　(1)H3PO2為一元中強酸，則其電離方程式為H3PO2H＋＋H2PO。 (2)①在化合物中，各元素正、負化合價的代數(shù)和為零，故H3PO2中P元素化合價為＋1價。②設氧化產(chǎn)物中P元素的化合價為＋x價，依題意并根據(jù)得失電子守恒有4[(＋1)－0]＝1[＋x－(＋1)]，解得x＝5，故氧化產(chǎn)物為H3PO4。③因H3PO2為一元酸，故NaH2PO2為正鹽；H3PO2為中強酸，故NaH2PO2溶液呈弱堿性。 (3)根據(jù)得失電子守恒及原子守恒，可寫出P4與Ba(OH)2溶液反應的化學方程式：2P4＋3Ba(OH)2＋6H2O===3Ba(H2PO2)2＋2PH3↑。 [答案]　(1)H3PO2H2PO＋H＋ (2)①＋1 ②H3PO4 ③正鹽 弱堿性 (3)2P4＋3Ba(OH)2＋6H2O===3Ba(H2PO2)2＋2PH3↑ 【解題法】　解答信息題的幾點注意 教材中沒有介紹磷單質(zhì)及磷的化合物，也沒有介紹其他氮族元素的單質(zhì)及其化合物，所以考查磷單質(zhì)及磷的化合物(或其他氮族元素的單質(zhì)及其化合物)的試題一般是信息題，以信息作載體，主要考查化學反應原理、化學實驗和化學計算。即主要考查學生學習化學的能力。因此對于本題型值得注意的有以下幾個方面： (1)平時學習時，要注意加強化學學習能力的培養(yǎng)。 (2)學習元素及其化合物知識時，要注意發(fā)揮元素周期律和元素周期表的指導作用。 (3)學習過程中，適當拓展知識面。 (4)認識磷元素的三種含氧酸，分別是次磷酸(H3PO2)、亞磷酸(H3PO3)、磷酸(H3PO4)。在次磷酸分子中，磷原子連兩個氫原子、一個羥基、一個雙鍵氧原子，羥基上的氫原子才能電離，故次磷酸是一元酸；在亞磷酸分子中，磷原子連一個氫原子、兩個羥基、一個雙鍵氧原子，故亞磷酸是二元酸；在磷酸分子中，磷原子連三個羥基、一個雙鍵氧原子，故磷酸是三元酸。 1．下列關于自然界中氮循環(huán)(如圖)的說法不正確的是(　　) A．氮元素均被氧化 B．工業(yè)合成氨屬于人工固氮 C．含氮無機物和含氮有機物可相互轉(zhuǎn)化 D．碳、氫、氧三種元素也參與了氮循環(huán) 答案　A 解析　在雷電作用下N2與O2反應生成NO，氮元素被氧化，工業(yè)合成氨屬于人工固氮，合成氨過程中氮元素被還原，A項錯誤，B項正確；由圖可看出含氮無機物和含氮有機物可以相互轉(zhuǎn)化，C項正確；合成蛋白質(zhì)的過程中就有碳、氫、氧元素的參與，D項正確。 2．在一定條件下，將充滿NO2和O2的試管倒立于水槽中，充分反應后，剩余氣體體積為原混合氣體的，原混合氣體中NO2和O2的體積比是(　　) ①8∶1?、?∶3?、?∶1?、?∶1 A．①② B．②③ C．③④ D．①④ 答案　B 解析　設原NO2和O2混合氣體為8體積，后來剩余氣體1體積。若剩余1體積O2，則原NO2為＝體積，原O2為＝體積，NO2和O2的體積比為∶＝7∶3。若剩余1體積氣體為NO，產(chǎn)生1體積NO需要3體積NO2，則NO2、O2和水恰好反應時為5體積，所以原O2為體積，原NO2為7體積，NO2和O2的體積比為7∶1。 3．a(chǎn) mol FeS與b mol FeO投入V L c molL－1的HNO3溶液中充分反應，產(chǎn)生NO氣體，所得澄清溶液可看做Fe(NO3)3、H2SO4的混合液，則反應中未被還原的HNO3可能為(　　) A．(a＋b)63 g B．(a＋b)169 g C. mol D．(a＋b) mol 答案　C 解析　FeS＋6HNO3===Fe(NO3)3＋H2SO4＋3NO↑＋2H2O a mol a mol 3a mol 3FeO＋10HNO3===3Fe(NO3)3＋NO↑＋5H2O b mol b mol mol 反應中未被還原的HNO3的物質(zhì)的量等于反應后溶液中NO的物質(zhì)的量，即3(a＋b) mol，未被還原的HNO3的質(zhì)量為(a＋b)189 g。作氧化劑的HNO3為 mol，則未被還原的HNO3為 mol。綜上所述，本題選C。