5.2 氮及其化合物（第3课时 硝酸）（解析版）

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第五章 第二节 氮及其化合物
第3课时 硝酸
【学习目标】
1．了解硝酸物理性质，利用实验使学生掌握硝酸的化学性质。
2．了解工业硝酸的制备原理，认识硝酸在生产中的应用
【素养目标】
1．通过实验探究硝酸的性质实验，培养学生“科学探究与创新意识”的学科素养。
2．通过价类二维图研究含氮元素物质转化，培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
3．通过学习酸雨的形成与防治，培养学生“科学精神与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：硝酸性质
1．物理性质
纯净的硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体，与H2O以任意比互溶。
2．化学性质
(1)不稳定性
①反应：4HNO32H2O＋4NO2↑＋O2↑。
②市售浓硝酸呈黄色的原因是HNO3分解生成的NO2溶于硝酸中。
③浓硝酸的保存方法是保存在棕色带有玻璃塞的细口试剂瓶中，置于冷暗处。
(2)强氧化性
①与不活泼金属反应
稀硝酸与铜反应：3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。
浓硝酸与铜反应：Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。
②常温下，浓硝酸使Fe、Al钝化。
③与非金属反应
如浓硝酸与C的反应：C＋4HNO3(浓)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。
④与还原性化合物反应
硝酸可氧化H2S、SO2、Na2SO3、HI、Fe2＋、FeO等还原性物质。写出稀硝酸与SO2、Fe2＋反应的离子方程式分别为3SO2＋2NO＋2H2O===3SO＋2NO↑＋4H＋、3Fe2＋＋NO＋4H＋===3Fe3＋＋NO↑＋2H2O。
【点拨】①硝酸浓度越大，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，浓硝酸或浓硫酸可使铁、铝表面形成一层致密的氧化物薄膜，所以可以用铁制容器或铝制容器来盛装浓硝酸或浓硫酸。“钝化”并非不反应。当加热时，Fe、Al会与浓硝酸或浓硫酸发生反应。
典例1．硝酸被称为“国防工业之母”，是因为它是制取炸药的重要原料。下列实验事实与硝酸的性质不相对应的是(　　)
A．浓硝酸使紫色石蕊溶液先变红后褪色——酸性和强氧化性
B．不能用稀硝酸与锌反应制氢气——强氧化性
C．要用棕色瓶盛装浓硝酸——不稳定性
D．能使滴有酚酞的氢氧化钠溶液的红色褪去——强氧化性
【答案】D
【解析】向滴有酚酞的NaOH溶液中滴入硝酸，溶液红色褪去，利用的是硝酸的酸性。
典例2．下述实验中均有红棕色气体产生，对比分析所得结论不正确的是(　　)
A．由①中的红棕色气体，推断产生的气体一定是混合气体
B．红棕色气体不能表明②中木炭与浓硝酸发生了反应
C．由③说明浓硝酸具有挥发性，生成的红棕色气体为还原产物
D．③的气体产物中检测出CO2，由此说明木炭一定与浓硝酸发生了反应
【答案】D
【解析】①中的碎玻璃不与浓硝酸反应，但仍有红棕色气体产生，说明浓硝酸受热分解产生了二氧化氮和氧气，A正确；②中红热的木炭可能与硝酸发生反应生成了二氧化氮，也可能硝酸受热分解产生二氧化氮，B正确；③中红热木炭未与浓硝酸接触，但产生了二氧化氮，说明浓硝酸具有挥发性，C正确；③的气体产物中检测出CO2，有可能是C与O2反应产生的，D错误。
知识点二：硝酸与金属反应的有关计算方法
1．从反应的本质看：金属与硝酸反应的实质是金属与H+和NO3-的共同作用。
例如：铜与稀硝酸反应的实质是：3Cu +8H++2NO3-===3Cu2+ +4H2O +2NO↑。
Fe2+与稀硝酸反应的实质是：3Fe2+ +4H+ +NO3-===3Fe3+ +2H2O+NO↑。
2．从硝酸在反应中的作用看：参加反应的硝酸一部分显酸性，生成硝酸盐，另一部分作氧化剂，一般转化为氮的氧化物(NO或NO2)，根据氮元素守恒解题。
3．从守恒的角度看：
(1)电子守恒：硝酸与金属反应属于氧化还原反应，一般情况下金属失去的电子被+5价的氮得到，转化为 NO 或 NO2 (也可能会转化为N2O、N2和NH3)，N原子得到的电子数等于金属原子失去的电子数，由此可求出氮元素被还原后的价态，根据价态确定反应产物。
(2)原子守恒：硝酸与金属反应时，一部分以NO3-的形式存在，一部分转化为还原产物，这两部分中N的物质的量与反应消耗的HNO3中N的物质的量相等。
4．从反应始态和最终状态看：终态法的运用使许多复杂问题简单化，在化学计算中具有非常重要的地位。
典例3． 某100 mL混合液中，HNO3和H2SO4的物质的量浓度分别是0.4 mol·L-1和0.1 mol·L-1。向该混合液中加入1.92 g铜粉加热，待充分反应后，所得溶液中Cu2+的物质的量浓度(忽略体积变化)为 (　　)
A．0.15 mol·L-1 B．0.225 mol·L-1
C．0.35 mol·L-1 D．0.45 mol·L-1
【答案】B
【解析】解答本题要从离子反应的角度来考虑，H2SO4提供的H+可以和NO3-构成强氧化性环境，继续氧化铜单质。HNO3、H2SO4混合液中H+总的物质的量为0.06 mol，NO3-的物质的量为0.04 mol，Cu的物质的量为0.03 mol。Cu与稀硝酸发生反应：
3Cu　+　8H+　+　2NO3-3Cu2++2NO↑+4H2O
3　　　 8　　　 2
0.03 mol 0.06 mol 0.04 mol H+不足量，应根据H+的物质的量来计算。
3Cu+8H++2 NO3-3Cu2++2NO↑+4H2O
8　　　 3
0.06 mol n(Cu2+) n(Cu2+)=0.06 mol×=0.022 5 mol,c(Cu2+)==0.225 mol·L-1。
典例4．将22.4 g铁粉完全溶解于某浓度的硝酸中，如反应只收集到0.2 mol NO2和0.3 mol NO，下列说法正确的是(　　)
A．反应后生成的盐只有硝酸铁
B．反应后生成的盐只有硝酸亚铁
C．反应后生成的盐为硝酸亚铁和硝酸铁，其物质的量之比为1：3
D．反应后生成的盐为硝酸亚铁和硝酸铁其物质的量之比为3：1
【答案】C
【解析】铁失电子，NO2和NO得电子，得失电子守恒。0.2 mol NO2得0.2 mol电子，0.3 mol NO得3×0.3 mol=0.9 mol电子，共得1.1 mol电子；而n(Fe)=22.4 g÷56 g/mol=0.4 mol，这些电子由0.4 mol的铁提供。设生成硝酸铁的物质的量为x mol，硝酸亚铁的物质的量为y mol，每生成1 mol Fe3+提供3 mol电子，每生成1 mol Fe2+提供2 mol电子。则根据原子和电子得失守恒可知：x+y=0.4、3x+2y=1.1，解得：x=0.3，y=0.1，所以n(硝酸铁)：n(硝酸亚铁)=3：1。答案选C。
知识点三：制取硝酸的反应原理
1．实验室制法：NaNO3+H2SO4(浓)NaHSO4+HNO3 ↑
原理：难挥发性酸(高沸点)制易挥发性酸
装置：曲颈甑(HNO3对橡胶有腐蚀性，不能用胶管)
2．工业制HNO3的反应原理及流程
其主要流程是将氨和空气的混合气(氧∶氮≈2∶1)通入灼热(760～840 ℃)的铂铑合金网，在合金网的催化作用下，氨被氧化成一氧化氮(NO)，生成的一氧化氮结合反应后残余的氧气继续被氧化为二氧化氮，随后将二氧化氮通入水中制取硝酸。各步反应的化学方程式如下：
(1)NH3在催化剂作用下与O2反应生成NO：4NH3＋5O24NO＋6H2O。
(2)NO进一步氧化生成NO2：2NO＋O2===2NO2。
(3)用水吸收NO2生成HNO3：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
典例5．氮及其化合物的转化关系如图所示。
则下列说法不正确的是(　　)
A．路线①②③是工业生产硝酸的主要途径
B．路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷电固氮生成硝酸的主要途径
C．上述所有标号的反应都是氧化还原反应
D．氮气可在足量的氧气中通过一步反应生成NO2
【答案】D
【解析】氮气和氧气在放电或高温条件下反应生成NO，NO与O2反应生成NO2，氮气与氧气不能直接生成NO2。
典例6．依据下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
【答案】B
【解析】NO遇空气中的氧气会被氧化为NO2，不可用排空气法收集NO气体，故B错误。
知识点四：酸雨及防治
1．SO2、NOx 的主要来源
(1)SO2：主要来源于煤、石油和某些含硫的金属矿物的燃烧或冶炼。
(2)NOx：主要来源于机动车产生的尾气。
2．SO2、NOx对人体的危害
SO2与NOx会引起呼吸道疾病，危害人体健康，严重时会使人死亡。
3．酸雨
4．酸雨防治
(1)工业废气排放到大气中之前，必须进行适当处理，防止有害物质污染大气。
(2)减少化石燃料的直接燃烧，如脱硫处理。
核心价值与学科素养
玻尔巧藏诺贝尔金质奖章
玻尔是丹麦著名的物理学家，曾获得诺贝尔奖。第二次世界大战中，玻尔被迫离开将要被德国占领的祖国。为了表示他一定要返回祖国的决心，他决定将诺贝尔金质奖章溶解在一种溶液里，装于玻璃瓶中，然后将它放在柜面上。后来，纳粹分子窜进玻尔的住宅，那瓶溶有奖章的溶液就在眼皮底下，他们却一无所知。这是一个多么聪明的办法啊！战争结束后，玻尔又从溶液中还原提取出金，并重新铸成奖章。新铸成的奖章显得更加灿烂夺目，因为，它凝聚着玻尔对祖国无限的热爱和无穷的智慧。
　　那么，玻尔是用什么溶液使金质奖章溶解呢？原来他用的溶液叫王水。王水是浓硝酸和浓盐酸按1：3的体积比配制成的的混和溶液。
　　王水的氧化能力比硝酸强，不溶于硝酸的金，却可以溶解在王水中。
Au + HNO3 + 4HCl == H[AuCl4]+NO↑+2H2O
3Pt + 4HNO3 + 18HCl == 3H2[PtCl4] +4NO↑+ 8H2O
【知识结构化】 氮元素价类二维图和氮元素物质之间的转化图
典例7．部分含氮物质的分类与相应氮元素的化合价关系如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．a可经催化氧化生成b
B．b为红棕色，可转化为c
C．密闭体系中，c存在2NO2N2O4
D．d的溶液与Cu反应可生成b或c
【答案】B
【解析】根据图，a为NH3，b为NO，NH3可经催化氧化生成NO，A说法正确；b为NO，为无色气体，与氧气反应可转化为c，即NO2，B说法错误；＋4价的含氮氧化物有NO2、N2O4，密闭体系中，c存在2NO2N2O4，C说法正确；d为硝酸，Cu与稀硝酸溶液反应生成NO，与浓硝酸反应生成NO2，D说法正确。
【跟踪练习】 基础过关
1． 硝酸泄漏让人惶恐，但硝酸是重要的工业试剂，也是化学实验室中最常用的试剂之一，下列有关硝酸的说法不正确的是(　　)
A．HNO3和氯水用棕色试剂瓶保存，原理相同
B．将分别蘸有浓硝酸和浓氨水的玻璃棒相互靠近时，有白烟生成
C．常温下铁和铂都不溶于浓硝酸，原理相同
D．常温下，向浓HNO3中投入Fe片，不会产生大量的红棕色气体
【答案】C
【解析】A项，HNO3和氯水中的HClO见光都易分解，都应避光保存，正确；B项,浓HNO3和浓氨水都具有挥发性，HNO3与NH3化合生成白色固体小颗粒NH4NO，正确；C项,铁在浓硝酸中钝化，而Pt与浓硝酸不反应，原理不同，错误；D项，常温下，向浓HNO3中投入Fe片，发生钝化，不会产生大量的红棕色气体，正确。
2． 某实验过程如图所示，则图③的试管中的现象是(　　)
A．无明显现象，因稀H2SO4不与铜反应
B．铜片溶解，产生无色气体，该气体遇到空气不变色
C．铜片溶解，放出红棕色有刺激性气味的气体
D．铜片溶解，产生无色气体，该气体在试管口变为红棕色
【答案】D
【解析】生成的Cu(NO3)2在H2SO4的酸性条件下相当于又有了HNO3，铜片会继续溶解生成NO。
3． 下列有关实验操作、现象和解释或结论都正确的是(　　)
选项 实验操作 现象 解释或结论
A 过量的Fe粉中加入稀HNO3，充分反应后，滴入KSCN溶液 溶液呈红色 稀HNO3将Fe氧化为Fe3+
B 常温下，Fe、Al放入浓HNO3或浓H2SO4中 无明显现象 Fe、Al与浓HNO3或浓H2SO4发生钝化
C Al箔插入稀HNO3中 无现象 Al箔表面被HNO3氧化，形成致密的氧化膜
D 用玻璃棒蘸取浓HNO3点到红色石蕊试纸上 试纸变蓝色 浓HNO3具有酸性
【答案】B
【解析】稀硝酸与铁粉反应，铁首先被氧化成Fe3+，过量铁粉将Fe3+还原，最终得到Fe2+，滴入KSCN溶液不显红色，A错误；常温下，Fe、Al在浓HNO3或浓H2SO4中发生钝化，生成致密的保护膜阻止了反应进行，B正确；Al箔能与稀HNO3反应放出气体，C错误；浓硝酸具有强氧化性，能使蓝色石蕊试纸先变红后褪色，D错误。
4. 把加热浓HNO3所得的气体全部收集在一个原来几乎真空的容器中，将这个容器倒立在盛水的水槽里，待作用完毕，容器里的情况是(　　)
A．不存在任何气体 B．有NO2和O2
C．只有NO D．只有O2
【答案】B
【解析】方程式：4HNO32H2O＋4NO2↑＋O2↑表明NO2与O2按4∶1体积比都全部转化为HNO3，HNO3极易溶于水。
5． 碳跟浓硫酸共热产生的气体X和铜跟浓硝酸反应产生的气体Y同时通入盛有足量氯化钡溶液的洗气瓶中(如图装置)，下列有关说法正确的是 (　　)
①洗气瓶中产生的沉淀中有碳酸钡
②在Z导管出来的气体中无二氧化碳
③洗气瓶中产生的沉淀是硫酸钡
④在Z导管口有红棕色气体出现
A．①② B．③④ C．①④ D．②③
【答案】B
【解析】碳与浓硫酸共热产生的X气体为CO2和SO2的混合气体，铜与浓硝酸反应产生的Y气体是NO2，SO2+H2O+NO2===H2SO4+NO，故洗气瓶中产生的是硫酸钡沉淀，Z处逸出的气体中有CO2和NO，NO遇到空气中的氧气生成了红棕色的NO2，二氧化碳不与氯化钡反应，所以没有BaCO3生成。
能力达成
如图是氮元素的几种价态与物质类别的对应关系，回答下列问题：
(1)写出N2的一种用途：______________________________________________________。
(2)从N元素化合价分析，N2具有氧化性和还原性。各举一例说明(用化学方程式表示)
氧化性：__________________________________________________________。
还原性：__________________________________________________________。
(3)HNO3与上图中的物质C常用于检验Cl－的存在，则C的化学式为_______________。
(4)实验室制取物质B的化学方程式为__________________________________________。
(5)NO2与水反应生成物质A的化学方程式为___________________________________。
(6)浓硝酸与木炭在加热条件下反应的化学方程式为______________________________。
【答案】(1)作保护气、保存粮食(或合成氨、制硝酸等)
(2)N2＋3H22NH3(或N2＋3MgMg3N2)　N2＋O22NO
(3)AgNO3
(4)Ca(OH)2＋2NH4ClCaCl2＋2NH3↑＋2H2O
(5)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
(6)4HNO3(浓)＋CCO2↑＋4NO2↑＋2H2O
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)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，则原硝酸溶液的浓度为____________mol·L-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)5.824　5.376　(2)1.52 mol　 (3)　(4)57.8
【解析】(1)n(Cu)＝＝0.51 mol，设混合气体中NO的物质的量为x，NO2的物质的量为y。根据气体的总体积为11.2 L，有：x＋y＝0.5 mol。根据得失电子守恒，有：3x＋y＝(0.51×2)mol。解方程组得：x＝0.26 mol，y＝0.24 mol。则：V(NO)＝0.26 mol×22.4 L·mol－1＝5.824 L, V(NO2)＝11.2 L－5.824 L＝5.376 L。(2)参加反应的HNO3分两部分：一部分没有被还原，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0.51 mol×2＋0.5 mol＝1.52 mol。(3)HNO3在反应中一部分变成气体，一部分以NO的形式留在溶液中。变成气体的HNO3的物质的量为0.5 mol。加入NaOH溶液至正好使溶液中Cu2＋全部转化为沉淀，则溶液中只有NaNO3，其物质的量为10－3aV mol，也就是以NO形式留在溶液中的HNO3的物质的量为10－3aV mol。所以，c(HNO3)＝ mol·L－1。(4)由得失电子守恒得：2×n(Cu)＝2×n(H2O2)，×2＝n(H2O2)×2，n(H2O2)＝0.51 mol，则m(H2O2)＝17.34 g。需30%的双氧水：17.34 g÷30%＝57.8 g。
氮元素形成的化合物种类十分丰富。请根据以下工业制硝酸的原理示意图回答含氮化合物相关的问题：
(1)下列有关NH3的说法中，不正确的是________(填字母)。
A．工业合成NH3需要在高温、高压、催化剂下进行
B．NH3可用来生产碳铵和尿素等化肥
C．NH3可用浓硫酸或无水氯化钙干燥
D．NH3受热易分解，须置于冷暗处保存
(2)NH3易溶于水，标准状况下，用充满NH3的烧瓶做喷泉实验，水充满整个烧瓶后所形成溶液的物质的量浓度为________mol·L－1。
(3)氨气燃烧的化学方程式为_________________________________________________。
(4)HNO3是一种重要的化工原料，工厂生产出的浓硝酸可用铝槽车或铁槽车来运输。在常温下能使铝、铁钝化，说明浓硝酸具有很强的__________性。
(5)“吸收塔” 尾部会有含NO、NO2等氮氧化物的尾气排出，为消除它们对环境的破坏作用，通常用以下两种方法处理：
①纯碱溶液吸收法。纯碱溶液与NO2反应的原理为
Na2CO3＋2NO2===NaNO3＋________＋CO2(请填写完成化学方程式)。
②氨转化法。已知7 mol氨恰好能将含NO和NO2共6 mol 的混合气体完全转化为N2，则混合气体中NO和NO2的物质的量之比为________，若用通式NOx表示氮氧化物，则每摩尔氨可将________mol的NOx转化为N2。
【答案】(1)CD　 (2)(或0.045) (3)4NH3＋3O22N2＋6H2O
(4)氧化 (5)①NaNO2　 ②1∶3　
【解析】(1)A项，工业合成NH3的反应条件是高温、高压、催化剂，正确；B项，NH3可与碳酸等反应生成碳铵等，也可以与二氧化碳反应生成尿素，正确；C项，NH3可与硫酸或氯化钙发生化合反应，不正确；D项，NH3不易分解，不正确。(2)水充满整个烧瓶后所形成溶液的物质的量浓度为 mol·L－1≈0.045 mol·L－1。(3)氨气燃烧的化学方程式为4NH3＋3O22N2＋6H2O。(4)在常温下浓硝酸能使铝、铁钝化，说明其具有很强的氧化性。(5)①纯碱溶液与NO2反应的原理为Na2CO3＋2NO2===NaNO3＋NaNO2＋CO2。根据质量守恒定律可知，除NaNO3和CO2外，另一种产物为NaNO2。②7 mol氨失去21 mol电子，根据题意和得失电子守恒可得n(NO)＋n(NO2)＝6 mol,2n(NO)＋4n(NO2)＝21 mol，解得n(NO)＝1.5 mol，n(NO2)＝4.5 mol，则混合气体中NO和NO2的物质的量之比为1∶3，若用通式NOx表示氮氧化物，反应过程中NOx分子得到2xe－，则每摩尔氨可将 mol的NOx转化为N2。
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