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專(zhuān)題十九 氮及其化合物
考綱展示 命題探究
1 氮?dú)饧捌溲趸?
(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(gè)電子,在化學(xué)反應(yīng)中能獲得3個(gè)電子而表現(xiàn)出-3價(jià)。
(2)氮元素在自然界中的存在及氮的固定
(3)氮?dú)獾男再|(zhì)
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(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(jià)態(tài),既可表現(xiàn)還原性,又可表現(xiàn)氧化性。
(3)N2可作保護(hù)氣,是因?yàn)樵谕ǔG闆r下N2的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定,不與O2、酸、堿等發(fā)生反應(yīng);性質(zhì)穩(wěn)定是由氮?dú)夥肿觾?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(yīng):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(jiàn)下表)
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(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(xué)煙霧的主要因素。
(3)空氣中NO、NO2主要來(lái)源于煤和石油的燃燒、汽車(chē)尾氣、硝酸工廠(chǎng)廢氣等。
(4)NO2雖然與水反應(yīng)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?rùn)的淀粉-碘化鉀試紙變藍(lán):2NO2+2KI===2KNO2+I(xiàn)2。
(5)驗(yàn)證某無(wú)色氣體是NO的方法是向無(wú)色氣體中通入O2(或空氣),無(wú)色氣體變?yōu)榧t棕色。
(6)NO2氣體存在平衡:2NO2N2O4,故沒(méi)有純凈的NO2或N2O4氣體。
(7)實(shí)驗(yàn)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(wú)色、有刺激性氣味的液體。
②硝酸沸點(diǎn)較低,易揮發(fā),在空氣中遇水蒸氣形成白霧。
③質(zhì)量分?jǐn)?shù)在69%以上的硝酸稱(chēng)為濃硝酸。
(2)化學(xué)性質(zhì)
化學(xué)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(yīng),不產(chǎn)生H2;③與金屬氧化物反應(yīng);④與堿反應(yīng);⑤與某些鹽反應(yīng)
不穩(wěn)定性
4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O(保存在棕色瓶中,放置在陰涼處)
強(qiáng)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(yīng)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(yīng):C+4HNO3(濃)CO2↑+4NO2↑+2H2O
與還原性化合物反應(yīng):3Fe2++4H++NO===3Fe3++NO↑+2H2O
(3)硝酸的制法與用途
制法
實(shí)驗(yàn)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
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(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)98%以上的濃硝酸稱(chēng)為“發(fā)煙硝酸”,“煙”實(shí)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(yīng)過(guò)程中濃硝酸表現(xiàn)出強(qiáng)酸性和強(qiáng)氧化性,可將紅色物質(zhì)氧化成無(wú)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(qiáng),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(duì)外層電子吸引力減弱,非金屬性減弱,金屬性增強(qiáng)
氮族元素的性質(zhì)
最高價(jià)氧化物的通式為R2O5;
最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)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(jià)為+5價(jià),最低化合價(jià)為-3價(jià)
單質(zhì)從非金屬過(guò)渡到金屬,非金屬性:N>P>As,金屬性:Sb
H3PO4>H3AsO4>H3SbO4;
與氫氣反應(yīng)越來(lái)越困難;
氣態(tài)氫化物穩(wěn)定性逐漸減弱:NH3>PH3>AsH3
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(1)主要化合價(jià):氮有-3、+1、+2、+3、+4、+5價(jià);磷和砷有-3、+3、+5價(jià);銻、鉍有+3、+5價(jià)。
(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(yīng)又能與H2反應(yīng)。( )
(2)NO2溶于水時(shí)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(wú)明顯現(xiàn)象。( )
(5)硝酸與活潑金屬M(fèi)g、Al等反應(yīng)產(chǎn)生H2,而與Cu反應(yīng)產(chǎn)生NO或者NO2。( )
(6)將濃硝酸滴在干燥的藍(lán)色石蕊試紙上,現(xiàn)象是先變紅后褪色。( )
(7)硝酸可與Na2S反應(yīng)制得H2S氣體。( )
(8)常溫下,可用鐵制或鋁制容器盛放濃HNO3,說(shuō)明Fe、Al與濃HNO3不反應(yīng)。( )
答案 (1) (2) (3) (4) (5) (6)√ (7) (8)
2.下列反應(yīng)必須加入氧化劑且一步反應(yīng)就能完成的是( )
①N2→NO2?、贜O2→NO?、跱O2→HNO3?、躈2→NO?、軳2→NH3
A.① B.②⑤
C.④ D.③④
答案 C
解析 該題有兩個(gè)要求:(1)必須加入氧化劑;(2)一步反應(yīng)就能完成。反應(yīng)①、③、④從化合價(jià)角度來(lái)看都升高,但反應(yīng)①N2→NO2不能一步反應(yīng)完成;而反應(yīng)③NO2→HNO3,雖然氮的化合價(jià)升高,但不加氧化劑也能實(shí)現(xiàn),如3NO2+H2O===2HNO3+NO,在該反應(yīng)中,NO2既是氧化劑又是還原劑;只有反應(yīng)④N2→NO必須加入氧化劑且一步反應(yīng)就能完成。
[考法綜述] 本考點(diǎn)主要考查氮?dú)獾慕Y(jié)構(gòu)與性質(zhì)、氮氧化物的制取和性質(zhì)、氮氧化物對(duì)環(huán)境的影響、氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化以及以氮?dú)?、氮氧化物為載體,考查化學(xué)反應(yīng)原理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)計(jì)算等。
命題法1 氮氧化物對(duì)環(huán)境的污染與防治
典例1 NOx是汽車(chē)尾氣中的主要污染物之一。
(1)NOx能形成酸雨,寫(xiě)出NO2轉(zhuǎn)化為HNO3的化學(xué)方程式:________________________________________________________。
(2)在汽車(chē)尾氣系統(tǒng)中裝置催化轉(zhuǎn)化器,可有效降低NOx的排放,當(dāng)尾氣中空氣不足時(shí),NOx在催化轉(zhuǎn)化器中被還原成N2排出。寫(xiě)出NO被CO還原的化學(xué)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(xué)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(wú)毒氣體(N2)或NOx與CO在一定溫度下催化轉(zhuǎn)化為無(wú)毒氣體(N2和CO2)。一般適用于汽車(chē)尾氣的處理。
命題法2 氮的氧化物溶于水的計(jì)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(yīng)后,試管中剩余氣體的體積分別為V1、V2、V3,則下列關(guān)系正確的是( )
A.V1>V2>V3 B.V1>V3>V2
C.V2>V3>V1 D.V3>V1>V2
[解析] 設(shè)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(xiàng)符合題意。
[答案] B
【解題法】 氮氧化物溶于水計(jì)算的原理及方法
一、原理
解答氮氧化物溶于水的計(jì)算問(wèn)題首先明確原理,無(wú)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(yīng)的實(shí)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(yīng)的計(jì)算,常見(jiàn)的有三種方法
1.加合式法
(1)NO2和O2混合氣體溶于水的計(jì)算
由4NO2+O2+2H2O===4HNO3可知:
V(NO2)∶V(O2)
(2)NO與O2同時(shí)通入水中
2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO
總的化學(xué)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(yīng)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(dāng)于2N2O5的組成,都與N2O5+H2O===2HNO3等效。當(dāng)NO、NO2、O2的混合氣體溶于水時(shí)利用混合氣體中N、O原子個(gè)數(shù)比進(jìn)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(yīng):2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO,在這當(dāng)中,存在著NO向NO2轉(zhuǎn)化、NO2向HNO3轉(zhuǎn)化的同時(shí)又生成NO的循環(huán)反應(yīng)。但總體來(lái)講,NO→HNO3,N的化合價(jià)升高是由于被O2氧化,因此可寫(xiě)出
在氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù)必然相等。
命題法3 硝酸與金屬反應(yīng)的規(guī)律和計(jì)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(yīng)后得到標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀況下1.12 L NO。若向反應(yīng)后的溶液中加入KSCN溶液,溶液不變紅,則下列說(shuō)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(biāo)準(zhǔn)狀況下1.12 L NO
[解析] 第一次加稀硝酸時(shí)金屬有剩余,溶解的4.2 g金屬均被氧化為+2價(jià),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(jià),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(xiàng)正確,C項(xiàng)錯(cuò)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(gè)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(xiàng)錯(cuò)誤;若金屬完全溶解后再加100 mL稀硝酸,反應(yīng)為3Fe2++4H++NO===3Fe3++NO↑+2H2O,HNO3足量,0.075 mol Fe2+生成0.025 mol NO,標(biāo)況下體積為0.56 L,所以D項(xiàng)錯(cuò)誤。
[答案] A
【解題法】 反應(yīng)規(guī)律及計(jì)算方法總結(jié)
(1)思維模型
(2)反應(yīng)規(guī)律
①金屬與硝酸反應(yīng)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(yīng),先生成Fe(NO3)3,若Fe過(guò)量,F(xiàn)e(NO3)3再和Fe反應(yīng)生成Fe(NO3)2。
③銅與濃硝酸反應(yīng),若銅過(guò)量,開(kāi)始時(shí)還原產(chǎn)物為NO2,隨著反應(yīng)的進(jìn)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(jì)算中守恒思想的應(yīng)用
①原子守恒法
HNO3與金屬反應(yīng)時(shí),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(yīng)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(yīng)屬于氧化還原反應(yīng),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(guò)量時(shí)反應(yīng)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(jì)算法
金屬與H2SO4、HNO3的混合酸反應(yīng)時(shí),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(yīng),因此此類(lèi)題目應(yīng)用離子方程式來(lái)計(jì)算,先作過(guò)量判斷,然后根據(jù)完全反應(yīng)的金屬或H+或NO進(jìn)行相關(guān)計(jì)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(xì)磷化工產(chǎn)品,具有較強(qiáng)還原性?;卮鹣铝袉?wèn)題:
(1)H3PO2是一元中強(qiáng)酸,寫(xiě)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(xué)鍍銀。
①H3PO2中,P元素的化合價(jià)為_(kāi)_______。
②利用H3PO2進(jìn)行化學(xué)鍍銀反應(yīng)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_(kāi)_________________(填化學(xué)式)。
③NaH2PO2為_(kāi)_______(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(yīng)生成PH3氣體和Ba(H2PO2)2,后者再與H2SO4反應(yīng)。寫(xiě)出白磷與Ba(OH)2溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式____________________。
[解析] (1)H3PO2為一元中強(qiáng)酸,則其電離方程式為H3PO2H++H2PO。
(2)①在化合物中,各元素正、負(fù)化合價(jià)的代數(shù)和為零,故H3PO2中P元素化合價(jià)為+1價(jià)。②設(shè)氧化產(chǎn)物中P元素的化合價(jià)為+x價(jià),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(qiáng)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(xiě)出P4與Ba(OH)2溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式:2P4+3Ba(OH)2+6H2O===3Ba(H2PO2)2+2PH3↑。
[答案] (1)H3PO2H2PO+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(diǎn)注意
教材中沒(méi)有介紹磷單質(zhì)及磷的化合物,也沒(méi)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(xué)反應(yīng)原理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化學(xué)計(jì)算。即主要考查學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的能力。因此對(duì)于本題型值得注意的有以下幾個(gè)方面:
(1)平時(shí)學(xué)習(xí)時(shí),要注意加強(qiáng)化學(xué)學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。
(2)學(xué)習(xí)元素及其化合物知識(shí)時(shí),要注意發(fā)揮元素周期律和元素周期表的指導(dǎo)作用。
(3)學(xué)習(xí)過(guò)程中,適當(dāng)拓展知識(shí)面。
(4)認(rèn)識(shí)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(gè)氫原子、一個(gè)羥基、一個(gè)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(gè)氫原子、兩個(gè)羥基、一個(gè)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(gè)羥基、一個(gè)雙鍵氧原子,故磷酸是三元酸。
1.下列關(guān)于自然界中氮循環(huán)(如圖)的說(shuō)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(wú)機(jī)物和含氮有機(jī)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(yīng)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(guò)程中氮元素被還原,A項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確;由圖可看出含氮無(wú)機(jī)物和含氮有機(jī)物可以相互轉(zhuǎn)化,C項(xiàng)正確;合成蛋白質(zhì)的過(guò)程中就有碳、氫、氧元素的參與,D項(xiàng)正確。
2.在一定條件下,將充滿(mǎn)NO2和O2的試管倒立于水槽中,充分反應(yīng)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(shè)原NO2和O2混合氣體為8體積,后來(lái)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(yīng)時(shí)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(yīng),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(yīng)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(yīng)中未被還原的HNO3的物質(zhì)的量等于反應(yīng)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。
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