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第二节 氮及其化合物
目 标 素 养
1.能基于自然界中的氮循环描述氮元素的主要存在形式(物质),能说出氮的固定的含义。
2.能基于实验探究和客观事实认识氮气、氮的氧化物、氨、铵盐、硝酸等物质的主要化学性质及重要应用。
3.能基于物质的性质与转化关系认识硝酸的工业制法、氨的实验室制法以及铵根离子的检验等。
4.能从物质类别和元素价态角度认识含氮物质之间的转化及其在资源综合利用和环境保护中的作用。
知 识 概 览
第1课时 氮气与氮的固定
一氧化氮和二氧化氮
一、氮气和氮的固定
1.氮元素在周期表中的位置。
氮元素位于元素周期表第 二 周期、第 ⅤA 族。氮原子的最外电子层有5个电子,既 不容易 得到3个电子,也 不容易 失去5个电子,一般通过 共用电子对 与其他原子相互结合构成物质。
2.N2的分子结构与性质。
(1)N2的分子结构。
N的原子结构示意图为___________;N2分子的电子式为___________,结构式为 N≡N 。
微解读由于N2分子中两个N原子之间形成氮氮三键(N≡N), N原子之间作用力很强,断开该化学键需要很高的能量,所以N2分子很稳定,通常情况难以发生化学反应,氮气常用作保护气。
(2)N2的化学性质。
在高温、放电等条件下,N2分子获得足够能量,使N≡N断裂,N2分子能够与其他物质发生反应。
微训练下列关于N2性质的叙述中错误的是( )。
A.N2性质很稳定,不支持任何物质的燃烧
B.氮气既具有氧化性,又具有还原性
C.在一定条件下N2能与H2反应,但反应不能进行到底
D.氮气与氧气在一定条件下反应生成一氧化氮
答案:A
解析:Mg可在N2中燃烧,A项错误;氮气中氮元素的化合价可以升高,也可以降低,既具有氧化性,又具有还原性,B项正确;N2与H2的反应属于可逆反应,C项正确;氮气与氧气在放电条件下反应生成NO,D项正确。
3.自然界中氮的存在形式和氮的固定。
微判断1(1)大气中的氮只以游离态形式存在。( )
(2)豆科植物通过根瘤菌吸收空气中的氮属于氮的固定,是化学变化。( )
×
√
一氧化氮与二氧化氮
1.NO与NO2的性质比较。
微思考请用一种简单方法证明某无色气体是NO,写出操作方法、实验现象及所依据的化学原理。
提示:向无色气体中通入空气,若无色气体变为红棕色即可证明该无色气体是NO,2NO+O2═2NO2。
微判断2(1)NO在空气中易转化为红棕色的NO2。( )
(2)NO2与H2O的反应,NO2既作氧化剂,又作还原剂。( )
(3)NO和NO2的颜色、气味、水溶性不同,但它们都是有毒的气体。( )
(4)在实验室里,NO和NO2均用排水法收集。( )
√
√
√
×
问题探究
民间有谚语“雷雨发庄稼”。即在雷雨过后,庄稼生长得更旺盛。
(1)请写出相关的化学方程式,并用文字表示其中蕴含的化学原理。
提示:有关反应的化学方程式如下。
由于硝酸与土壤中的矿物质作用生成硝酸盐,为土壤补充了氮肥,所以庄稼长得更旺盛。
(2)实验室能否用排空气法收集NO气体,能否用排水法收集NO2气体 为什么
提示:均不能。原因是NO能与空气中的氧气发生反应,NO2能与水发生反应生成硝酸和NO,一般用排水法收集NO,用向上排空气法收集NO2。
(3)如何除去NO气体中混有的少量NO2气体杂质
提示:可将混合气体通入盛有水的集气瓶,然后重新收集气体。
重难归纳
1.实验过程。
2.对工业生产硝酸的启示。
工业上生产硝酸的原理为3NO2+H2O═2HNO3+NO, 2NO+O2═2NO2(或总反应为4NO2+O2+2H2O═4HNO3)。向吸收后的废气中再通入适量的氧气或空气,能充分利用原料,并能减少NO的排放以保护环境。
特别提醒
(1)NO、NO2都不是酸性氧化物。 (2)NO2能单独被NaOH溶液吸收,化学方程式为2NO2+2NaOH═NaNO2+NaNO3+H2O;NO不能单独被NaOH溶液吸收,但NO与NO2等物质的量混合时,可以被NaOH溶液完全吸收,化学方程式为NO+NO2+2NaOH═2NaNO2+H2O。
典例剖析
【例1】为了有效实现NO和NO2的相互转化,设计如下实验:按图组装好实验装置,并检查装置的气密性,实验前用排水法收集半瓶NO气体。
(1)打开弹簧夹,推动针筒活塞,使O2进入烧瓶。关上弹簧夹,首先观察到烧瓶中的现象为 ,产生此现象的化学方程式为 。
(2)轻轻摇动烧瓶,观察到烧瓶中的现象为
① ;
② 。
产生此现象的化学方程式为 。
答案:(1)烧瓶中气体颜色由无色变为红棕色
2NO+O2═2NO2
(2)①烧瓶中红棕色气体又变为无色
②烧杯中的水倒吸到烧瓶中(或烧瓶中液面上升)
3NO2+H2O═2HNO3+NO
学以致用
1.无色的混合气体甲,可能含NO、CO2、NO2、N2中的几种,将一定量的气体甲经过如图实验的处理,结果得到酸性溶液,而几乎无气体剩余,则气体甲的组成为( )。
A.NO2、N2 B.NO、CO2
C.NO2、CO2 D.NO、CO2、N2
答案:B
解析:混合气体无色,说明气体中不含NO2;气体通过Na2O2后显红棕色,说明原混合气体中含有NO,且有与Na2O2反应生成O2的气体CO2;通入水中,溶液呈酸性,且几乎无气体剩余,说明原气体中不含N2。
2.NO2和溴蒸气都是有刺激性气味的红棕色有毒气体。已知Br2易溶于有机溶剂CCl4,而NO2在CCl4中不溶解。鉴别NO2和溴蒸气,下列试剂不可行的是( )。
A.CCl4 B.蒸馏水
C.NaOH溶液 D.AgNO3溶液
答案:C
解析:NO2在CCl4中不溶解,而Br2易溶于CCl4,Br2的CCl4溶液为橙红色,A项试剂可行;NO2与水反应生成硝酸和NO,溶液颜色为无色,而溴蒸气溶于水,溴水为橙黄色,B项试剂可行; NO2和Br2均能与NaOH溶液反应,现象相同,C项试剂不可行; NO2通入AgNO3溶液中,有气体生成,而溴蒸气通入AgNO3溶液中生成AgBr淡黄色沉淀,现象不同,D项试剂可行。
问题探究
如图所示,试管中盛装的气体呈红棕色,把试管倒扣在盛有水的水槽中,
试管内液面上升,但不能充满试管,当向试管内通入氧气后,可以观察到试管中液面继续上升,经过多次重复后,试管被液体充满。
(1)该气体有没有可能是N2和NO2的混合气体 有没有可能是NO与NO2的混合气体 说明原因。
提示:没有可能。有可能。N2和O2常温下不反应,试管内不会充满液体,而NO和NO2的混合气体中,NO2与水反应生成NO,4NO+3O2+2H2O═4HNO3,当NO和O2的体积比为4∶3时,试管内充满液体。
(2)若该气体只含有NO2,则NO2与鼓入的O2的体积比为多少时,试管被液体充满。
提示:若该气体只含有NO2,4NO2+O2+2H2O═4HNO3,则NO2与鼓入的O2的体积比为4∶1时,试管被液体充满。
重难归纳
氮的氧化物溶于水的计算有以下几种情况。
1.NO2或NO2和N2的混合气体溶于水时可依据: 3NO2+H2O═2HNO3+NO,利用气体体积差值进行计算,V剩=V(N2)+ V(NO2)。
2.NO2和O2的混合气体、NO和O2的混合气体与水反应的化学方程式如下所示。
3NO2+H2O══2HNO3+NO ①
2NO+O2══2NO2 ②
由方程式①×2+②得:4NO2+O2+2H2O══4HNO3 ③
由方程式①×2+②×3得:4NO+3O2+2H2O══4HNO3 ④
3.NO2和O2混合后溶于水时,由4NO2+O2+2H2O══4HNO3可知,当体积比
4.NO和O2混合后溶于水时,其反应关系式是4NO+3O2+2H2O══4HNO3
5.根据电子守恒或原子守恒计算。
(1)当NO2或NO转化为HNO3时失去电子,若两种气体与O2混合通入水中时,O2得电子,且得失电子数必须相等,这是应用电子守恒解答此类题目的依据。
(2)利用原子个数比分析氮氧化物与氧气的混合气体溶于水的化学方程式。在反应4NO2+O2+2H2O═4HNO3和4NO+3O2+2H2O═4HNO3中,“4NO2+O2”和“4NO+3O2”从组成上均相当于2N2O5的组成,也就是N、O的原子个数比符合2∶5时,氮的氧化物和氧气均无剩余,这两种情况均可利用混合气体中N、O的原子个数比来分析:
典例剖析
【例2】在一定条件下,将充满NO2和O2的试管倒立于水槽中,充分反应后,剩余气体体积为原混合气体体积的 ,则原混合气体中NO2和O2的体积之比可能是( )。
①8∶1 ②7∶3 ③7∶1 ④4∶1
A.①② B.①③
C.②③ D.②④
答案:C
特别提醒
氮的氧化物与O2混合通入水中,剩余气体只可能是NO或O2,不可能是NO2,因为过量的NO2会与水反应生成NO,且形成的溶液中的溶质为HNO3。
学以致用
3.按图进行实验。试管中装有12 mL NO,然后间歇而又缓慢地向其中通入8 mL O2,下列是有关最终状态的描述,其中正确的是( )。
①试管内气体呈红棕色 ②试管内气体呈无色
③试管内液面不变 ④试管内液面上升
⑤试管内气体是O2 ⑥试管内气体是NO
A.①③ B.②④⑤ C.②④⑥ D.②③⑤
答案:C
4.有一支充有20 mL NO和NO2混合气体的试管,倒置于盛有水的水槽中,充分反应后,仍有12 mL无色气体,则原混合气体中NO和NO2体积比为(气体体积均在相同状况下测得)( )。
A.2∶3 B.3∶2
C.1∶4 D.4∶1
答案:A
5.将容积为50 mL的量筒充满二氧化氮和氧气的混合气体,将量筒倒置在盛满水的水槽里,一段时间后,量筒里剩余气体的体积为5 mL。则原混合气体中NO2和O2的体积比可能是
或 。
答案:18∶7 43∶7
解析:NO2与O2和水的反应计算关系式可由下列化学方程式推导出来。
2NO+O2══2NO2 ①
3NO2+H2O══2HNO3+NO ②
由②×2+①得 4NO2+O2+2H2O══4HNO3③
若剩余的5 mL气体为O2,则参加反应③的NO2和O2的总体积为50 mL-5 mL=45 mL,则原混合气体里,NO2的体积为45 mL× =36 mL,O2的体积为50 mL-36 mL=14 mL,即NO2与O2的体积比为36∶14=18∶7。
若剩余的5 mL气体为NO,由②式得过量的NO2体积为15 mL,则发生反应③的NO2和O2的总体积为50 mL-15 mL=35 mL,原混合气体里,O2的体积为35 mL× =7 mL,NO2的体积为50 mL-7 mL=43 mL,即NO2与O2的体积比为43∶7。
规律总结
解答氮的氧化物溶于水这类题型常用的三种方法——讨论法、差量法、电子守恒法。 (1)讨论法:由于某一条件的不确定,结果可能是两个或两个以上,这类题需要用讨论的方法解决。
(2)差量法:差量法是根据化学反应中反应物和生成物的相差量与反应物的消耗量或生成物的增加量之间的比例关系为解题思路而建立起来的解题方法。解题的关键是找准变化量,进而列出比例关系进行计算,这是一种简捷的解题方法。 (3)电子守恒法:NOx转化为硝酸时要失去电子,如果是NOx与O2混合,则反应中O2得到的电子数与NOx失去的电子数相等。
1.下列关于N2的叙述错误的是( )。
A.N2既可作氧化剂又可作还原剂
B.在雷雨天,空气中的N2与O2可反应生成NO
C.氮的固定是将N2转化成含氮的化合物
D.氮气性质稳定,不能与金属发生反应
答案:D
解析:N2中N元素的化合价可以降低变成NH3,也可以升高生成NO,故N2既可作氧化剂又可作还原剂,故A项正确。雷雨天时,发生自然固氮,空气中N2与O2可反应生成NO,故B项正确。氮的固定是将空气中游离态的氮(N2)转化为含氮化合物的过程,故C项正确。氮气也能与活泼金属发生反应,例如氮气与镁在点燃条件下生成氮化镁,故D项错误。
2.下列反应属于氮的固定的是( )。
答案:D
解析:氮的固定是指将大气中游离态的氮变为化合态的氮的过程,只有D项符合题意。
3.下列关于氮的氧化物的说法中,正确的是( )。
A.氮的氧化物都是酸性氧化物
B.氮的氧化物都既有氧化性,又有还原性
C.NO2与H2O反应生成HNO3,所以NO2是酸性氧化物
D.NO和NO2均有毒
答案:D
解析:NO、NO2等不是酸性氧化物,A项错误;N2O5中氮元素为最高正化合价,只有氧化性,B项错误;尽管NO2与H2O反应生成HNO3,但N的价态发生了变化,故NO2不是酸性氧化物,C项错误。
4.在标准状况下,将O2和NO2按1∶4的体积比充满干燥的烧瓶中,把烧瓶倒置于水中,瓶内液体逐渐上升,假设烧瓶内溶液不扩散,最终烧瓶内所得溶液溶质的物质的量浓度为( )。
答案:C
5.如图所示,向盛有3.0 mL NO的试管中缓缓通入1.5 mL O2 (所有气体体积均在标准状况下测定)。
请回答下列问题。
(1)写出观察到的现象(可不写满,也可补充):
① ;
② ;
③ 。
(2)最终试管中剩余的气体是 ,体积为 。
答案:(1)①通入O2,试管内气体颜色变为红棕色 ②试管内液面升高 ③最后试管内有无色气体剩余
(2)NO 1.0 mL
解析:试管中通入O2,NO与O2反应生成NO2,气体颜色变为红棕色,NO2与水反应生成NO和HNO3,液面上升。根据反应4NO+3O2+2H2O══4HNO3,1.5 mL O2完全反应消耗2.0 mL NO,故最后剩余的气体为NO,体积为3.0 mL-2.0 mL=1.0 mL。第1课时 氮气与氮的固定 一氧化氮和二氧化氮
课后·训练提升
合格考过关检验
1.水体中部分含氮物质的循环过程如图所示。其中属于氮的固定的是( )。
A.①③ B.④
C.⑤ D.②⑥
答案C
解析将游离态的氮(即氮气)转化为化合态的氮(即氮的化合物)的过程,叫做氮的固定,分析转化关系可知,图中属于氮的固定的是⑤。
2.下列关于氮气的说法错误的是( )。
A.通常情况下N2性质很稳定,所以N2可以在电焊时作保护气
B.N2+O22NO,该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一
C.工业上利用氮气与氧气反应生成的NO制取硝酸
D.在反应3Mg+N2Mg3N2中N2作氧化剂
答案C
解析N2很稳定,常用作保护气,但在高温下N2与O2产生的NO易被氧化为NO2,故汽车尾气会造成环境污染,N2与金属、H2反应时N2作氧化剂,A、B、D项均正确。氮气与氧气的反应很难进行,工业上不用该反应制取NO制备硝酸,C项错误。
3.下列关于NO和NO2的说法正确的是( )。
A.NO2是红棕色气体,易溶于水,属于酸性氧化物
B.NO2和O2以一定比例混合可以被水完全吸收转化成HNO3
C.NO可以采用向上排空气法进行收集
D.NO2可由N2和O2直接化合得到
答案B
解析NO2是红棕色气体,易溶于水,与水反应生成HNO3、NO,反应前后元素化合价发生变化,因此NO2不属于酸性氧化物,A项错误。二氧化氮和氧气按照体积比4∶1通入水中,可以完全反应,化学方程式为4NO2+O2+2H2O4HNO3,B项正确。NO易与空气中的氧气反应生成NO2,不可以采用排空气法进行收集,C项错误。N2和O2直接化合得到NO,NO与O2反应产生NO2,因此NO2不可由N2和O2直接化合得到,D项错误。
4.某氮的氧化物和一氧化碳在催化剂的作用下充分反应,生成氮气和二氧化碳,可消除CO与该氮的氧化物的污染。若测得氮气和二氧化碳的物质的量之比为1∶2,则该氮的氧化物是( )。
A.N2O B.NO
C.NO2 D.N2O5
答案B
解析设氮的氧化物的化学式为NxOy,由题意得:2NxOy+2yCOxN2+2yCO2。N2、CO2的物质的量之比为1∶2,则x∶(2y)=1∶2,x∶y=1∶1,即该氮的氧化物是NO。
5.同温同压下,在3支相同的试管中分别充有等体积混合的两种气体,它们是①NO和NO2;②NO2和O2;③HCl和N2。现将3支试管均倒置在盛有足量水的水槽中,充分反应后,试管中剩余气体的体积分别为V1、V2、V3,V1、V2、V3的大小关系是 。
答案V1>V3>V2
解析因①中对应的反应为3NO2+H2O2HNO3+NO,所以剩余气体体积为试管容积的;因②中的反应为4NO2+O2+2H2O4HNO3,所以剩余气体的体积为试管容积的;③中HCl溶于水,N2不溶于水,所以剩余气体的体积为试管容积的。
等级考素养提升
1.研究表明,N2O与CO在Fe+作用下的反应过程如图所示。下列有关说法不正确的是( )。
A.CO与CO2分子中都只含有极性共价键
B.反应Fe++N2OFeO++N2中,Fe+作催化剂
C.1 mol N2O完全反应转移2 mol e-
D.总反应的化学方程式为N2O+CON2+CO2
答案B
解析CO2的分子结构为OCO,只含有极性共价键,CO的分子结构为C≡O,只含有极性共价键,A项正确;反应Fe++N2OFeO++N2中,Fe+作还原剂,B项错误;根据Fe++N2OFeO++N2、FeO++COFe++CO2,可知总反应的化学方程式为N2O+CON2+CO2,N元素化合价由+1价降低为0价,1 mol N2O完全反应转移2 mol e-,C项、D项正确。
2.向雾霾亮剑,让天空更蓝,打赢这场蓝天保卫战。工业废气NO、NO2是造成大气污染的气体之一。工业上常用NOx+NH3N2+H2O的原理,使NOx转化为无毒的N2。现有NO、NO2的混合气体3.0 L,可与3.5 L相同状况下的NH3恰好完全反应,全部转化为N2,则在原混合气体中NO和NO2的物质的量之比是( )。
A.1∶1 B.2∶1
C.3∶1 D.1∶3
答案D
解析相同状况下,气体的体积比等于物质的量之比,设3.0 mol NO、NO2混合气体与3.5 mol NH3恰好反应生成N2,若NO为x mol,则NO2为(3.0-x) mol,由得失电子守恒可知2x+4(3.0-x)=3×3.5,x=0.75,故原混合气体中NO和NO2的物质的量之比为1∶3。
3.已知浓硝酸与铜反应产生NO2。利用NO、O2与Na2CO3溶液反应制备NaNO2的装置如图所示(盛放浓硝酸的仪器为分液漏斗,夹持装置已省略),下列关于该实验的描述不正确的是( )。
A.B装置中发生的反应属于氧化还原反应
B.实验过程中,装置B有防止倒吸的作用
C.装置C中发生反应的化学方程式为2Na2CO3+4NO+O24NaNO2+2CO2
D.最后得到的尾气不可以被NaOH溶液完全吸收
答案B
解析装置A中浓硝酸与铜反应,产生的二氧化氮与B装置的水反应可以产生NO,是氧化还原反应,A项正确;B装置的作用是产生一氧化氮,不能防止倒吸,B项错误;根据原子守恒可知,装置C中发生反应的化学方程式为2Na2CO3+4NO+O24NaNO2+2CO2,C项正确;尾气中有氮气,不能被碱液吸收,D项正确。
4.某活动小组利用如图装置验证NO的还原性及探究工业生产硝酸的原理(装置气密性已检查完毕)。
Ⅰ.向广口瓶中通入NO并测定NO的体积。
(1)通入NO前,从滴定管向广口瓶中加满水;
(2)从导管a通入一定量的NO,并记录滴定管液面变化的示数为a L(a<0.05,气体体积已换算为标准状况)。
Ⅱ.验证NO的还原性及探究工业生产硝酸的原理。
(1)停止通入NO后关闭K1、K3,打开K2,从导管b缓缓通入O2,可观察到的现象是 ,写出对应现象的化学方程式: , ;
(2)继续通入O2,打开K3并及时调整滴定管;
(3)滴定管中液面与广口瓶中液面相平,直至广口瓶中刚好充满液体。
①当通入氧气的体积为a L时,则广口瓶中剩余的气体体积为 ;
②当广口瓶中刚好充满液体时,所得溶液的物质的量浓度为 mol·L-1。
答案Ⅱ.(1)气体先变为红棕色,然后逐渐变浅,直至无色 2NO+O22NO2 3NO2+H2O2HNO3+NO (3)① L ②
解析Ⅱ.(3)①NO遇到O2生成红棕色的NO2,NO2与水反应生成HNO3和NO,上述过程的总反应化学方程式为4NO+3O2+2H2O4HNO3,反应消耗NO的体积为V(NO)=V(O2)=a L×a L,剩余气体体积为 L;②标准状况下,生成HNO3的物质的量n(HNO3)=n(NO)= mol,c(HNO3)= mol·L-1。
