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专题7 氮与社会可持续发展
第二单元 重要的含氮化工原料
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
课标定位
素养阐释
1.能说出氨气的物理性质,结合实验,能说出氨的化学性质,知道氨的催化氧化是工业制硝酸的基础,知道铵盐是重要的氮肥。
2.结合实验探究,能说出硝酸的主要性质,知道硝酸是重要的化工原料。
3.能说出喷泉实验的原理,建立实验模型;能进行有关硝酸的简单计算,并建立简单计算模型。
自主预习·新知导学
一、氨气
1.物理性质。
氨气在通常状况下是无色、具有刺激性气味的气体,密度比空气小。氨气熔点和沸点较低,易被液化。液氨在工业上常被用作制冷剂。氨气极易溶于水,常温常压下,1体积水大约可溶解700体积氨气。
【自主思考1】 液氨和氨水有哪些区别
提示:
【自主思考2】 为什么在液氨泄漏现场会寒气逼人 消防人员应该如何处理
提示:液氨汽化吸收热量。喷水,使氨气转化为氨水。
2.化学性质。
(1)氨与水的反应。
(2)氨与酸反应生成铵盐。
①与盐酸反应。
②足量氨气与稀硫酸反应的化学方程式:
2NH3+H2SO4══(NH4)2SO4。
铵盐大多是无色晶体,都能溶于水,固态氮肥成为目前使用最广泛的化肥。
【自主思考3】 为什么蘸有浓氨水和浓盐酸(或浓硝酸)的两支玻璃棒靠近时会产生白烟 蘸有浓氨水和浓硫酸的两支玻璃棒靠近时是否也产生白烟
提示:浓氨水和浓盐酸(或浓硝酸)均有挥发性,挥发出来的NH3和HCl(或HNO3)在空气中相遇,化合生成NH4Cl(或NH4NO3)固体小颗粒,即为白烟。浓硫酸没有挥发性,故蘸有浓氨水和浓硫酸的两支玻璃棒靠近时不可能形成白烟。
(3)氨的催化氧化(工业制硝酸的重要反应)。
热化学方程式为4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(l) ΔH=-904 kJ·mol-1。
二、硝酸
1.物理性质。
硝酸是一种无色、易挥发、具有刺激性气味的液体,能与水以任意比互溶。
2.化学性质。
(1)不稳定性。
硝酸应贮存在低温、避光处。市售浓硝酸的质量分数约为69%,常因溶有少量NO2而略显黄色。
【自主思考4】 久置硝酸中因溶有NO2而略显黄色,你知道NO2是如何产生的吗 你又有什么方法能除去黄色 怎样保存硝酸
提示:硝酸不稳定,受热或见光会发生分解,生成NO2气体。要去除浓硝酸的黄色,可向浓硝酸中通入过量的氧气, 4NO2+O2+2H2O══4HNO3。硝酸应保存在棕色试剂瓶中,并置于阴凉处。
(2)强氧化性。
①与金属反应(除Pt、Au以外)。
②常温下使铁、铝钝化。可用铝质或铁质容器盛放浓硝酸。
③与非金属反应。
C与浓硝酸反应的化学方程式为
C+4HNO3(浓) CO2↑+4NO2↑+2H2O。
【自主思考5】 浓硝酸与Cu、C的反应中,表现出的性质是否相同
提示:不完全相同。浓硝酸与Cu反应时表现强氧化性和酸性。浓硝酸与碳反应只表现强氧化性。
3.用途。
重要的化工原料,常用来制造氮肥、染料、塑料、炸药、
硝酸盐等。
4.工业制备。
工业上制硝酸的原理是将氨经过一系列反应得到硝酸,如下图所示:
写出上述转化中每一步反应的化学方程式,并分析含氮物质发生的是氧化反应还是还原反应。
①N2+3H2 2NH3,N2发生还原反应;
②4NH3+5O2 4NO+6H2O,NH3发生氧化反应;
③2NO+O2══2NO2,NO发生氧化反应;
④3NO2+H2O══2HNO3+NO,NO2既发生氧化反应又发生还原反应。
【效果自测】
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)NH3与水作用可以形成喷泉,说明NH3极易溶于水。( )
(2)任何铵盐受热均生成NH3。( )
(3)活泼金属与所有稀酸反应均生成H2。( )
(4)不活泼金属与酸一定不能反应。( )
(5)浓硫酸和浓硝酸均可用铁质、铝质器具盛放的原因是两者与Fe、Al不反应。( )
√
×
×
×
×
(6)过量的铜与浓硝酸反应有NO生成。( )
(7)利用硝酸与Na2SO3反应可制得SO2气体。( )
√
×
2.实验室模拟合成氨装置如图所示,试回答下列问题。
(1)装置甲的作用是:
① ;
② ;
③ 。
(2)从乙处导出的气体是 ,检验产物的简单化学方程式是 。
答案:(1)①干燥气体 ②使两种气体充分混合 ③观察气泡以调节氢气、氮气流速
(2)NH3、N2和H2混合气体 NH3+HCl══NH4Cl
解析:(1)浓硫酸具有吸水性,可对N2、H2起到干燥的作用;通过观察气泡,可控制N2、H2的流速,使其达到合适的混合比例;通过该装置还可使两种气体得到充分混合。(2)从乙出来的气体含反应生成的NH3及未反应的N2和H2。用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近,如发现玻璃棒上方有白烟,则证明有氨气,化学方程式为NH3+HCl══NH4Cl。
3.回答下列问题。
(1)铜与足量浓硝酸反应时,表现酸性的硝酸与作氧化剂的HNO3物质的量之比为 。
(2)铜粉放入稀硫酸中,加热后无明显变化,但加入某盐一段时间后,发现铜粉减少,则该盐不可能是 (填字母)。
A.FeCl3 B.NaCl C.KNO3 D.Cu(NO3)2
(3)一定量的浓硝酸与足量的铜充分反应,生成气体的成分有 ,写出反应的离子方程式: 。
向反应后的溶液中加入稀硫酸,如果反应,写出反应的离子方程式: 。
答案:(1)1∶1
(2)B
(3)NO2、NO
合作探究·释疑解惑
探究任务1
探究任务2
探究任务1 氨气的主要性质和喷泉实验
问题引领
1.按图组装实验装置,并轻轻挤压滴管的胶头后,立即形成红色喷泉,该实验能说明氨气的哪些性质
提示:能说明氨气极易溶于水;氨气溶于水所得的氨水呈碱性。
2.如果只提供如图甲所示装置,引发喷泉的操作是什么 在图乙所示装置的锥形瓶中加入酒精,将锥形瓶置于一水槽中,向水槽中加入冷水后,再加入什么物质也能产生喷泉
甲
乙
提示:图甲所示装置需先打开止水夹,用热毛巾捂住圆底烧瓶至有气泡从水中冒出后,再移去热毛巾;图乙所示装置,将锥形瓶置于水槽中,可向水槽中加入冷水后再加入浓硫酸或NaOH固体,浓硫酸或NaOH固体等溶于水放出大量的热,使酒精汽化,增大了锥形瓶内的气体压强,从而引发喷泉。
归纳提升
1.氨的化学性质。
(1)氨是中学阶段常见气体中唯一的碱性气体,也是中学阶段唯一一种能与酸反应生成盐、能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体,在推断题中经常用到。氨与酸反应的实质是NH3与H+结合形成 。
(2)氨易与酸反应生成盐,故不能用浓硫酸来干燥氨。
(3)浓硝酸、浓盐酸等挥发性酸遇氨会产生白烟,利用这点可以检验氨的存在。硫酸、磷酸等难挥发性酸虽能与氨反应生成铵盐,但不会产生白烟。
(4)除催化氧化外,氨的还原性还体现在与Cl2、CuO、NOx的反应中。
2.喷泉实验的条件。
形成喷泉的条件是使容器内外产生较大压强差,有下列两种情况。
(1)容器内气体极易溶于水或容器内气体易与溶液中的溶质发生化学反应。
①喷泉形成原理:
气体与水或其他液体接触→气体溶解或发生化学反应→容器内压强减小→外部液体进入形成喷泉
②常见气体与吸收剂的组合。
(2)容器内的液体由于受热挥发(如浓盐酸、浓氨水、酒精等)或由于发生化学反应,产生气体。
容器内产生大量气体,压强迅速增大,促使容器内液体迅速向外流动,形成喷泉。喷雾器、人造喷泉、火山喷发等均是利用此原理。
气体 HCl NH3 CO2、H2S、 SO2、Cl2 NO2∶O2
=4∶1
吸收剂 水或NaOH溶液 水或盐酸 NaOH溶液 水
典型例题
【例题1】 如图所示,利用培养皿探究氨气的性质。
实验时向NaOH固体上滴几滴浓氨水,立即用另一表面皿扣在上面。下表中对实验现象所做的解释正确的是( )。
答案:A
解析:向NaOH固体上滴几滴浓氨水后,产生NH3。NH3遇挥发出来的HCl生成NH4Cl固体颗粒而产生白烟;H2SO4难挥发,因此浓硫酸附近无明显现象,但NH3与H2SO4能反应;氨水能使MgCl2、FeCl2等溶液变浑浊;NH3与水反应生成的NH3·H2O电离出OH-而显碱性,但NH3不是碱。
【变式训练1】 关于下列实验的说法不正确的是( )。
A.氨气是无色、有刺激性
气味的气体,密度比空气的小
B.实验1中,由喷泉现象可
知氨气极易溶于水,且溶解
速率大
C.实验1中,烧瓶内溶液中的含氮微粒有NH3、NH3·H2O和
D.实验2中,酚酞溶液被漂白褪色
D
解析:氨气为无色、有刺激性气味的气体,密度比空气的小, A项正确;由喷泉现象可知氨气极易溶于水,且溶解速率大,B项正确;氨气与水结合生成NH3·H2O,部分NH3·H2O发生电离,则烧瓶内溶液中的含氮微粒有NH3、NH3·H2O和 ,C项正确;加热会降低气体的溶解度,促进NH3·H2O分解释放出NH3,使溶液的碱性减弱,红色逐渐变浅,直至褪色,D项错误。
方法技巧 氨的三个常见易错点。
(1)NH3是非电解质,溶于水生成电解质NH3·H2O,并部分发生电离而使氨水呈弱碱性。
(2)喷泉实验的实质是短时间内烧瓶内外产生明显的压强差,从而引起烧杯中的溶液倒吸。
(3)涉及一水合氨的离子方程式的书写:①作为反应物,用化学式NH3·H2O表示;②作为生成物,若反应物为浓溶液或反应条件为加热,写成NH3↑+H2O;若反应物为稀溶液且为常温下的反应,写成NH3·H2O。
探究任务2 硝酸的强氧化性
问题引领
资料一:当硝酸与金属反应时,硝酸被还原的程度取决于酸的浓度和还原剂还原性的强弱。对于同一还原剂来说,酸越稀,硝酸被还原的程度越大。
资料二:在金属活动性顺序中,位于氢后的金属铜、汞、银等,与浓硝酸反应时,主要得到二氧化氮;与稀硝酸反应时,主要得到一氧化氮。所以说,当硝酸与铜、汞、银等金属反应时,浓硝酸比稀硝酸的氧化性强。
资料三:当活泼金属锌、镁等与硝酸反应时,硝酸浓度不同,还原产物不同;前期有气体(NO2)产生,而后期则有铵盐生成。
下图显示了铁与不同浓度的硝酸反应时的还原产物。
资料四:Fe、Co、Ni、Al等金属遇到浓硝酸会产生钝化现象。是因为在常温下,浓硝酸与这些金属接触,能够使金属表面生成一薄层致密的氧化物保护膜,这层保护膜可以阻止内部金属继续与硝酸反应。
结合上述四则资料回答下列问题。
1.浓、稀硝酸分别与铜反应时,其还原产物相同吗
提示:产物不同。浓硝酸与铜反应的还原产物是NO2,稀硝酸与铜反应的还原产物是NO。
2.硝酸的氧化性与浓度有关吗
提示:与浓度有关,浓硝酸的氧化性比稀硝酸强。
3.将浓硝酸加入紫色石蕊试液中,溶液先变红后褪色,这表现了HNO3的什么性质
提示:酸性和强氧化性。
归纳提升
1.硝酸氧化性的体现。
硝酸具有强氧化性,主要是指HNO3中的+5价的氮元素有很强的得电子能力,所以浓硝酸、稀硝酸都具有强氧化性。
(1)浓硝酸能使紫色石蕊试液先变红,后褪色。
(2)浓硝酸与非金属单质C、S、P等在加热条件下反应,反应规律:非金属单质+浓硝酸 最高价氧化物或其含氧酸+NO2↑+H2O。
如:C+4HNO3(浓) CO2↑+4NO2↑+2H2O。
(3)除Au、Pt等少数金属外,硝酸几乎可以氧化所有的金属,如3Ag+4HNO3(稀)══3AgNO3+NO↑+2H2O。
(4)金属与硝酸反应一般不生成H2,浓硝酸一般先被还原为NO2,浓度变稀后稀硝酸一般被还原为NO,气体颜色由红棕色逐渐变淡。
(5)常温下浓硝酸能使Fe、Al钝化,因此可用铝质或铁质容器贮存浓硝酸。
(6)低价金属氧化物或盐与硝酸发生氧化还原反应,如3FeO+10HNO3(稀)══3Fe(NO3)3+NO↑+5H2O,而不是发生复分解反应生成Fe(NO3)2。
3.硝酸与铁反应时,产物硝酸盐符合以下规律:
Fe的 用量 Fe过量 Fe不足 Fe与HNO3两者恰好完全反应
硝酸盐 产物 Fe(NO3)2 Fe(NO3)3 Fe(NO3)2或Fe(NO3)3或两者混合物
典型例题
【例题2】 下列各项叙述正确的是( )。
A.FeO与浓硝酸的反应属于复分解反应
B.单质碳与浓硝酸加热,生成的气体为CO2和NO的混合物
C.浓硝酸常显淡黄色体现了浓硝酸的不稳定性
D.常温下,铁与浓硝酸反应生成Fe(NO3)2和NO2
答案:C
解析:A项,FeO与浓硝酸发生氧化还原反应,FeO被氧化;B项,生成的气体为CO2和NO2;D项,常温下,铁在浓硝酸中发生钝化。
【例题3】 (1)在浓硝酸中放入铜片,开始反应的化学方程式为 ,实验现象为 。
(2)若铜有剩余,则反应后期的化学方程式为 。
(3)若铜有剩余,待反应停止后,再加入少量溶质质量分数为25%的稀硫酸,这时铜片上又有气泡产生,原因是 。
(4)若12.8 g铜与一定量的浓硝酸反应,铜耗完时,共产生气体5.6 L(标准状况),则所消耗HNO3的物质的量是 。
答案:(1)Cu+4HNO3(浓)══Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 溶液由无色变为蓝色,并有红棕色气体产生
(2)3Cu+8HNO3(稀)══3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(3)加入稀硫酸后,H2SO4电离出的H+与原溶液中的 构成HNO3,又能与过量的Cu反应
(4)0.65 mol
【例题4】 铜与一定量浓硝酸反应,得到硝酸铜溶液和NO2、N2O4、NO的混合气体,这些气体与11.2 L O2(标准状况)混合后通入水中,所有气体被水完全吸收生成硝酸。则消耗铜的质量为( )。
A.64 g B.32 g
C.24 g D.16 g
答案:A
解析:题目所述反应过程中HNO3反应前后没有变化,说明作氧化剂的硝酸得到铜失去的电子生成了气体,生成的气体又失去电子全部与O2反应生成硝酸,即Cu失去的电子最终都被O2得到,由得失电子守恒可知n(Cu)×2=n(O2)×4,n(Cu)=
=1 mol,则消耗铜的质量=1 mol×64 g·mol-1=64 g。
方法技巧 硝酸与金属反应的常用计算方法。
(1)化学方程式(若还原产物只有NO):
3M+4xHNO3══3M(NO3)x+xNO↑+2xH2O。
(2)思维模型。
(3)计算方法。
①得失电子守恒:硝酸与金属的反应属于氧化还原反应,氮原子得到的电子数目等于金属原子失去的电子数目。
②原子守恒:硝酸与金属反应时,一部分以 的形式存在,另一部分转化为还原产物,这两部分中N的物质的量之和与反应中消耗的HNO3的物质的量相等。
③电荷守恒:用Mn+代表金属离子,HNO3过量时反应后溶液中(不考虑OH-)有c( )=c(H+)+n×c(Mn+)。
【变式训练2】 将Mg、Cu组成的m g混合物投入适量稀硝酸中恰好完全反应,固体完全溶解时收集到的还原产物NO气体为0.896 L(标准状况),向反应后的溶液中加入NaOH溶液使金属离子恰好沉淀完全,则形成沉淀质量为( )。
A.(m+2.28) g B.(m+2.04) g
C.(m+3.32) g D.(m+4.34) g
答案:B
解析:根据生成NO的量计算确定转移的电子的物质的量,最后的沉淀为Cu(OH)2、Mg(OH)2,金属提供的电子的物质的量等于沉淀结合的氢氧根离子的物质的量,据此分析解答。硝酸被还原为NO气体且在标准状况下的体积为0.896 L,NO的物质的量为 =0.04 mol,则转移的电子的物质的量为0.04 mol×(5-2)=0.12 mol,即沉淀中氢氧根离子的物质的量为0.12 mol,所以最后沉淀质量为m g+0.12 mol×17 g·mol-1 =(m+2.04) g。
【变式训练3】 如图甲是验证铜与浓硝酸反应的装置,乙、丙是师生对实验改进后的装置。
(1)甲、乙、丙三个装置中都发生的反应的化学方程式是 。
(2)与甲装置相比,乙装置的优点是① ,② 。
(3)为了进一步验证NO2与水的反应,某学生设计了丙装置。实验时先关闭止水夹 ,再打开止水夹 ,才能使NO2气体充满B试管;当气体充满B试管后,将铜丝提起与溶液脱离。欲使烧杯中的水进入B试管,应如何操作
。
答案:(1)Cu+4HNO3(浓)══Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
(2)①可控制反应的发生和停止 ②可吸收NO2,防止污染环境
(3)c a、b 先关闭b,再关闭a,然后打开c,双手紧握试管B
解析:本题考查的是Cu与浓硝酸反应的装置,利用对比的方法,找出装置的优缺点,且注意NO2有毒,要进行尾气吸收。丙中要使NO2充满B试管,应先关闭止水夹c,再打开a、b,NO2充满试管B后,把铜丝拉起,然后关闭b,再关闭a后打开c,双手紧握试管B,使气体受热膨胀,与水接触,NO2极易与水反应,使系统内压强减小,水便进入了试管B。
课 堂 小 结第二单元 重要的含氮化工原料
基础巩固
1.下列关于氨的叙述错误的是( )。
A.氨易液化,因此可用来作制冷剂
B.氨极易溶于水,因此用水吸收氨气时要防止倒吸
C.氨极易溶于水,因此氨水比较稳定(不容易分解)
D.氨溶解于水中所得溶液显弱碱性,可使酚酞溶液变红
2.下列操作不能用于检验NH3的是( )。
A.气体能使湿润的酚酞试纸变红
B.气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝
C.气体与浓硫酸反应生成铵盐
D.气体与浓盐酸反应产生白烟
3.(双选)如图所示装置中,干燥烧瓶中盛有某种气体,烧杯和滴管内盛放某种溶液。挤压胶头滴管,下列与实验事实不相符的是( )。
A.Cl2(饱和食盐水) 无色喷泉
B.NH3(H2O,含石蕊试液) 蓝色喷泉
C.HCl(H2O,含石蕊试液) 红色喷泉
D.SO2(NaOH溶液) 红色喷泉
4.下列关于氨水的叙述正确的是( )。
A.氨水显碱性,是因为氨水是一种强碱
B.氨水和液氨成分相同
C.氨水中物质的量浓度最大的粒子是NH3(除水外)
D.1 mol·L-1的氨水指在1 L溶液中含NH3、NH3·H2O、N物质的量之和为1 mol
5.下列现象或反应中,HNO3既表现出酸性又表现出氧化性的是( )。
A.使紫色石蕊试液变红
B.与铜反应
C.与Na2CO3溶液反应
D.与C单质混合共热时生成CO2和NO2
6.将相同质量的铜分别与过量浓硝酸、稀硝酸反应,下列叙述正确的是( )。
A.反应速率:两者相同
B.消耗HNO3的物质的量:前者大,后者小
C.反应生成气体的颜色:前者浅,后者深
D.反应中转移的电子总数:前者多,后者少
7.将1.92 g铜粉投入一定量浓硝酸中,随着铜粉的溶解,反应生成的气体颜色逐渐变浅,当铜粉完全溶解后共收集到由NO2和NO组成的混合气体1.12 L(标准状况下测定),则混合气体中NO的体积为( )。
A.112 mL B.1 008 mL
C.224 mL D.448 mL
8.硝酸铵是一种常用的化肥,其工业生产流程如下,请回答下列问题。
(1)写出反应容器B中发生反应的化学方程式: 。
(2)吸收塔C中通入空气的目的是 ;C、D两个反应容器中发生的反应,属于氧化还原反应的是 (填反应容器代号)。
(3)浓硝酸一般保存在棕色试剂瓶里,并放置在阴凉处,用化学方程式解释原因: 。
(4)金属铜与稀硝酸反应的离子方程式为 。
(5)工业上为了储运浓硝酸,最好选择 作为罐体材料。
A.铜 B.铂
C.铝 D.镁
(6)为了避免尾气中的氮氧化物污染环境,工业上常用Na2CO3吸收尾气,发生的反应为NO+NO2+Na2CO32NaNO2+CO2,2NO2+Na2CO3NaNO2+NaNO3+CO2;将标准状况下44.8 L仅含NO和NO2混合气体的尾气通入Na2CO3溶液中,尾气被完全吸收,则消耗的Na2CO3的物质的量为 mol。
9.喷泉是一种常见的现象,其产生的原因是存在压强差。
(1)在图Ⅱ的锥形瓶中,分别加入足量的下列物质后,能产生喷泉的是 。
A.Cu与稀盐酸
B.NaHCO3与NaOH溶液
C.CaCO3与稀硫酸
D.NH4HCO3与稀盐酸
(2)比较图Ⅰ和图Ⅱ两套装置,从产生喷泉的原理来分析,图Ⅰ是 (填“增大”或“减小”,下同)上部烧瓶内气体压强;图Ⅱ是 下部锥形瓶内气体压强。城市中常见的人造喷泉及火山爆发的原理与上述 (填“图Ⅰ”或“图Ⅱ”)装置中的原理相似。
(3)某同学积极思考喷泉实验原理的应用,设计了如图Ⅲ所示的装置。
①如果关闭止水夹c,打开止水夹a、b,再挤压胶头滴管。则可能出现的现象为 。
②在①操作的基础上,打开止水夹c,产生的现象是 。
能力提升
1.同温同压下,两个等体积的干燥圆底烧瓶中分别充满①NH3、②NO2,进行喷泉实验,经充分反应后,烧瓶内溶质的物质的量浓度为( )。
A.①>② B.①<②
C.①=② D.不能确定
2.已知某溶液中存在较多的H+、S、N,则溶液中还可能大量存在的离子组是( )。
A.Al3+、CH3COO-、Cl- B.Na+、N、K+
C.Mg2+、Cl-、Fe2+ D.Mg2+、Cu2+、Br-
3.工业上常利用反应3Cl2+8NH3N2+6NH4Cl检查氯气管道是否漏气。下列说法错误的是( )。
A.若管道漏气,遇氨就会产生白烟
B.该反应利用了Cl2的氧化性
C.该反应属于复分解反应
D.生成1 mol N2有6 mol电子转移
4.下列对实验现象的描述中,不正确的是( )。
A.将铜片投入稀硝酸中,产生大量红棕色的气体
B.将铁片投入冷的稀硝酸中,铁片溶解
C.充满NO2的试管倒立在水槽中,试管内气体的颜色变浅
D.打开浓硝酸瓶盖,有大量白雾生成
5.向一由Fe、Cu组成的混合粉末中加入一定量的稀硝酸,充分反应后剩余金属m1 g,再向其中加入一定量的稀硫酸,充分振荡后余下金属m2 g。则m1和m2之间的关系是( )。
A.m1一定大于m2 B.m1可能等于m2
C.m1可能小于m2 D.m1一定等于m2
6.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为止水夹(处于关闭状态),F是一半空的注射器。请回答下列问题。
(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之,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的作用是吸收多余的氮氧化物,兼有 的功能。
(5)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。
①NO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,则原硝酸的浓度为 mol·L-1。
第二单元 重要的含氮化工原料
基础巩固
1.下列关于氨的叙述错误的是( )。
A.氨易液化,因此可用来作制冷剂
B.氨极易溶于水,因此用水吸收氨气时要防止倒吸
C.氨极易溶于水,因此氨水比较稳定(不容易分解)
D.氨溶解于水中所得溶液显弱碱性,可使酚酞溶液变红
答案:C
解析:氨气极易溶于水,但氨水中的NH3·H2O不稳定,容易分解放出氨气,C项错误。
2.下列操作不能用于检验NH3的是( )。
A.气体能使湿润的酚酞试纸变红
B.气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝
C.气体与浓硫酸反应生成铵盐
D.气体与浓盐酸反应产生白烟
答案:C
解析:A、B选项所叙述的实验现象能证明被检验的是碱性气体,即氨气。NH3与挥发性酸所产生的气体接触时,能生成相应的铵盐,产生白烟,如与HCl、HNO3、HBr等气体接触都产生白烟。
3.(双选)如图所示装置中,干燥烧瓶中盛有某种气体,烧杯和滴管内盛放某种溶液。挤压胶头滴管,下列与实验事实不相符的是( )。
A.Cl2(饱和食盐水) 无色喷泉
B.NH3(H2O,含石蕊试液) 蓝色喷泉
C.HCl(H2O,含石蕊试液) 红色喷泉
D.SO2(NaOH溶液) 红色喷泉
答案:AD
解析:Cl2在饱和食盐水中的溶解度较小,不能形成喷泉,A项与实验事实不相符;NH3、HCl极易溶于水,能形成喷泉;SO2与NaOH溶液发生反应也会使烧瓶内压强减小,形成无色喷泉。
4.下列关于氨水的叙述正确的是( )。
A.氨水显碱性,是因为氨水是一种强碱
B.氨水和液氨成分相同
C.氨水中物质的量浓度最大的粒子是NH3(除水外)
D.1 mol·L-1的氨水指在1 L溶液中含NH3、NH3·H2O、N物质的量之和为1 mol
答案:D
解析:溶于水的氨气大部分与水反应生成NH3·H2O,所以除水外,物质的量浓度最大的粒子是NH3·H2O;NH3·H2O是一种弱碱,在水中发生部分电离使溶液呈碱性;氨水中共含有六种微粒,分别是H2O、NH3、NH3·H2O、N、OH-和少量的H+,是一种混合物,液氨是纯净物。
5.下列现象或反应中,HNO3既表现出酸性又表现出氧化性的是( )。
A.使紫色石蕊试液变红
B.与铜反应
C.与Na2CO3溶液反应
D.与C单质混合共热时生成CO2和NO2
答案:B
解析:A项中HNO3只表现出酸性;B项中HNO3与铜反应生成NOx气体和Cu(NO3)2,HNO3既表现出酸性又表现出氧化性;C项中HNO3与Na2CO3反应时生成CO2气体和NaNO3,HNO3只表现出酸性;D项中HNO3只表现出氧化性。
6.将相同质量的铜分别与过量浓硝酸、稀硝酸反应,下列叙述正确的是( )。
A.反应速率:两者相同
B.消耗HNO3的物质的量:前者大,后者小
C.反应生成气体的颜色:前者浅,后者深
D.反应中转移的电子总数:前者多,后者少
答案:B
解析:HNO3浓度越大,反应速率越大。Cu与浓硝酸、稀硝酸反应的化学方程式分别为Cu+4HNO3(浓)Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,由反应的化学方程式可知,等质量的Cu分别与浓硝酸、稀硝酸完全反应时,耗酸量前者大,还原产物前者NO2为红棕色气体,后者NO为无色气体,而氧化产物都为Cu(NO3)2,反应过程中转移电子数相等。
7.将1.92 g铜粉投入一定量浓硝酸中,随着铜粉的溶解,反应生成的气体颜色逐渐变浅,当铜粉完全溶解后共收集到由NO2和NO组成的混合气体1.12 L(标准状况下测定),则混合气体中NO的体积为( )。
A.112 mL B.1 008 mL
C.224 mL D.448 mL
答案:A
解析:标准状况下,混合气体的总物质的量为=0.05mol,1.92g铜粉的物质的量为0.03mol。设NO的物质的量为n1mol,则NO2的物质的量为(0.05-n1)mol,根据得失电子守恒得3n1+(0.05-n1)×1=0.03×2,解得n1=0.005,V(NO)=0.005mol×22.4L·mol-1=0.112L=112mL。
8.硝酸铵是一种常用的化肥,其工业生产流程如下,请回答下列问题。
(1)写出反应容器B中发生反应的化学方程式: 。
(2)吸收塔C中通入空气的目的是 ;C、D两个反应容器中发生的反应,属于氧化还原反应的是 (填反应容器代号)。
(3)浓硝酸一般保存在棕色试剂瓶里,并放置在阴凉处,用化学方程式解释原因: 。
(4)金属铜与稀硝酸反应的离子方程式为 。
(5)工业上为了储运浓硝酸,最好选择 作为罐体材料。
A.铜 B.铂
C.铝 D.镁
(6)为了避免尾气中的氮氧化物污染环境,工业上常用Na2CO3吸收尾气,发生的反应为NO+NO2+Na2CO32NaNO2+CO2,2NO2+Na2CO3NaNO2+NaNO3+CO2;将标准状况下44.8 L仅含NO和NO2混合气体的尾气通入Na2CO3溶液中,尾气被完全吸收,则消耗的Na2CO3的物质的量为 mol。
答案:(1)4NH3+5O24NO+6H2O
(2)将一氧化氮氧化成二氧化氮 C
(3)4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O
(4)3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O
(5)C (6)1
解析:由NH4NO3的工业生产流程可知,N2与H2在铁砂网的作用下反应产生NH3,NH3在Pt-Rh合金作用下加热被空气中的O2氧化为NO和水,NO在吸收塔中与O2反应产生NO2,NO2被水吸收得到HNO3和NO。HNO3与NH3作用生成NH4NO3。
(1)反应容器B中发生反应的化学方程式为4NH3+5O24NO+6H2O。
(2)在吸收塔C中通入空气的目的是将NO氧化成NO2;在C中发生反应:2NO+O22NO2,3NO2+H2O2HNO3+NO。在D中发生反应:HNO3+NH3NH4NO3。前两个反应是氧化还原反应,第三个反应不是氧化还原反应。所以发生氧化还原反应的容器为C。
(3)浓硝酸不稳定,光照容易分解,温度越高越容易分解,为防止浓硝酸的分解,常把浓硝酸保存在棕色试剂瓶中,放在冷暗处。分解的化学方程式为4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O。
(4)硝酸有强氧化性,不仅能把活泼的金属氧化,还能把不活泼的金属如Cu氧化。金属Cu与稀硝酸反应的离子方程式为3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O。
(5)硝酸具有强氧化性,能氧化除金、铂以外的大多数金属,常温下,铁、铝在浓硝酸中钝化而不能进一步被氧化,由于铂是贵重金属,所以工业上为了储运浓硝酸最好选择铝作为罐体材料。
(6)标准状况下,44.8LNO和NO2混合气体的物质的量为=2mol,由N原子守恒可知,NaNO2和NaNO3的物质的量之和为2mol,由Na原子守恒可知,消耗Na2CO3的物质的量为2mol×=1mol。
9.喷泉是一种常见的现象,其产生的原因是存在压强差。
(1)在图Ⅱ的锥形瓶中,分别加入足量的下列物质后,能产生喷泉的是 。
A.Cu与稀盐酸
B.NaHCO3与NaOH溶液
C.CaCO3与稀硫酸
D.NH4HCO3与稀盐酸
(2)比较图Ⅰ和图Ⅱ两套装置,从产生喷泉的原理来分析,图Ⅰ是 (填“增大”或“减小”,下同)上部烧瓶内气体压强;图Ⅱ是 下部锥形瓶内气体压强。城市中常见的人造喷泉及火山爆发的原理与上述 (填“图Ⅰ”或“图Ⅱ”)装置中的原理相似。
(3)某同学积极思考喷泉实验原理的应用,设计了如图Ⅲ所示的装置。
①如果关闭止水夹c,打开止水夹a、b,再挤压胶头滴管。则可能出现的现象为 。
②在①操作的基础上,打开止水夹c,产生的现象是 。
答案:(1)D
(2)减小 增大 图Ⅱ
(3)①盛有NH3的集气瓶中产生大量的白烟 ②两烧瓶中同时产生喷泉
解析:(1)分析四个选项,只有D项能产生大量的气体,使锥形瓶内的压强明显增大,将液体压入烧瓶而产生喷泉。(2)对形成喷泉的可能原因进行归纳和总结,图Ⅰ是因为烧瓶内气体压强突然减小而产生压强差,形成喷泉。图Ⅱ则是因为下部锥形瓶内的气体压强增大而产生压强差,形成喷泉。现实生活中的人造喷泉及火山爆发的原理与图Ⅱ原理相似。(3)图Ⅲ装置中如果关闭止水夹c,打开止水夹a、b,再挤压胶头滴管,氨气溶解,右侧烧瓶内气体压强减小,左侧烧瓶内的HCl进入右侧烧瓶,发生反应NH3+HClNH4Cl,在烧瓶中产生大量的白烟,左右两个烧瓶压强急剧减小,此时打开止水夹c,则两个烧瓶中同时产生喷泉。
能力提升
1.同温同压下,两个等体积的干燥圆底烧瓶中分别充满①NH3、②NO2,进行喷泉实验,经充分反应后,烧瓶内溶质的物质的量浓度为( )。
A.①>② B.①<②
C.①=② D.不能确定
答案:C
解析:设烧瓶容积为aL,并假设气体都处于标准状况下。
①中物质的量浓度为=mol·L-1;
②中发生反应3NO2+H2O2HNO3+NO,所得溶液中
n(HNO3)=mol,V(溶液)=aL,
则②中物质的量浓度为mol·L-1=mol·L-1,故选C。
2.已知某溶液中存在较多的H+、S、N,则溶液中还可能大量存在的离子组是( )。
A.Al3+、CH3COO-、Cl- B.Na+、N、K+
C.Mg2+、Cl-、Fe2+ D.Mg2+、Cu2+、Br-
答案:B
解析:有H+、N,相当于有了HNO3,溶液具有强氧化性,能氧化Fe2+、Br-等离子,所以C、D不正确。A中CH3COO-不能与H+大量共存,所以选择B。
3.工业上常利用反应3Cl2+8NH3N2+6NH4Cl检查氯气管道是否漏气。下列说法错误的是( )。
A.若管道漏气,遇氨就会产生白烟
B.该反应利用了Cl2的氧化性
C.该反应属于复分解反应
D.生成1 mol N2有6 mol电子转移
答案:C
解析:若管道漏气,遇氨就会产生白烟,A项正确;由于氯气中氯元素的化合价降低,所以氯气是氧化剂,B项正确;通过分析反应前后的化合价变化,可知该反应属于氧化还原反应,C项错误;氮元素的化合价由-3价升高到0价,所以生成1molN2,有6mol电子转移,D项正确。
4.下列对实验现象的描述中,不正确的是( )。
A.将铜片投入稀硝酸中,产生大量红棕色的气体
B.将铁片投入冷的稀硝酸中,铁片溶解
C.充满NO2的试管倒立在水槽中,试管内气体的颜色变浅
D.打开浓硝酸瓶盖,有大量白雾生成
答案:A
解析:A项,Cu与稀硝酸反应生成的NO是无色气体;B项,Fe在稀硝酸中能溶解;C项,NO2与H2O反应生成NO,颜色变浅;D项,浓硝酸具有挥发性,与空气中的水蒸气结合产生白雾。
5.向一由Fe、Cu组成的混合粉末中加入一定量的稀硝酸,充分反应后剩余金属m1 g,再向其中加入一定量的稀硫酸,充分振荡后余下金属m2 g。则m1和m2之间的关系是( )。
A.m1一定大于m2 B.m1可能等于m2
C.m1可能小于m2 D.m1一定等于m2
答案:A
解析:铁和铜都与硝酸反应生成硝酸盐,充分反应后剩余金属的质量为m1g,剩余金属中一定含Cu,可能还含Fe;再加入硫酸,提供了氢离子,在酸性条件下,硝酸盐中的硝酸根具有强氧化性,能够继续与剩余金属反应,所以m1>m2。
6.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为止水夹(处于关闭状态),F是一半空的注射器。请回答下列问题。
(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之,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的作用是吸收多余的氮氧化物,兼有 的功能。
(5)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。
①NO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,则原硝酸的浓度为 mol·L-1。
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)铜丝表面产生气泡,稀硝酸液面上方仍为无色,溶液变蓝 3Cu+8H++2N3Cu2++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)防止倒吸
(5)①5.8 5.4
②1.52 mol
③
解析:(5)①n(Cu)==0.51mol,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11.2L,有:x+y=0.5mol;根据得失电子守恒有:3x+y=0.51mol×2,该式中,左边为N得电子数,右边为Cu失电子数,得失电子数相等。(重要的隐含条件!)
解方程组得:x=0.26mol,y=0.24mol。
则V(NO)=0.26mol×22.4L·mol-1≈5.8L,V(NO2)=11.2L-5.8L=5.4L。
②参加反应的HNO3分为两部分: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为
0.51mol×2+0.5mol=1.52mol。
③HNO3在反应中一部分变成气体,一部分以N的形式留在溶液中。
变成气体的HNO3的物质的量为0.5mol。
加入NaOH溶液至恰好使溶液中Cu2+全部转化为沉淀,则溶液中溶质只有NaNO3,其物质的量为10-3aVmol,也就是以N形式留在溶液中的HNO3的物质的量为10-3aVmol。
所以,c(HNO3)=mol·L-1。
