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第五章 化工生产中的重要非金属元素
2
2门世2有
3厚
·课堂建构
物理性质
硝酸
酸性
化学性质
不稳定性
硝酸、酸
强氧化性
雨及防治
酸雨成因
酸雨及防治
酸雨危害
防治措施第二节 氮及其化合物
课时3 硝酸 酸雨及防治
(一)基础巩固
1.(2024·广东肇庆高一期中)近年来,我国“蓝天保卫战”成果显著。下列说法正确的是 ( )
A.常温下,pH小于7的雨水即为酸雨
B.在燃煤中加入氧化钙可以减少温室气体的排放
C.“煤改气”有利于减少SO2等有害气体的排放
D.氮的氧化物排放会导致酸雨和光化学烟雾,汽车尾气中氮的氧化物来源于汽油燃烧
解析:常温下,pH小于5.6的雨水即为酸雨,A项错误;燃煤中含有硫,燃烧时生成二氧化硫,二氧化硫能与氧化钙反应,最终转化为硫酸钙,以减少二氧化硫的排放,不是减少温室气体的排放,B项错误;煤燃烧可能生成二氧化硫等污染物,“煤改气”有利于减少二氧化硫等有害气体的排放,C项正确;汽车尾气中排放的氮氧化物主要是空气中氮气与氧气在点火放电时反应生成的,D项错误。
答案:C
2.工业上用洗净的废铜屑作原料制取硝酸铜。为节约原料和减少环境污染,宜采取的方法是 ( )
A.Cu+HNO3(浓)Cu(NO3)2
B.Cu+HNO3(稀)Cu(NO3)2
C.CuCuOCu(NO3)2
D.CuCuSO4Cu(NO3)2
答案:C
3.(2024·广东汕头阶段练习)下列离子方程式书写正确的是 ( )
A.少量NH4HCO3溶液与足量NaOH溶液混合加热:N+OH-NH3↑+H2O
B.铜片与稀硝酸反应:3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O
C.氨水与稀醋酸反应:OH-+H+H2O
D.铁与稀硝酸反应:Fe+2H+Fe2++H2↑
解析:NaOH是足量的,N、HC都会与OH-发生反应,离子方程式应该为HC+N+2OH-C+NH3↑+2H2O,A项错误;反应符合事实,遵循拆分原则,B项正确;氨水中的NH3·H2O及稀醋酸溶液中的CH3COOH都是弱电解质,在水溶液中主要以分子形式存在,应该写化学式,离子方程式应该为NH3·H2O+CH3COOHN+CH3COO-+H2O,C项错误;硝酸有强氧化性,与金属反应不生成氢气,Fe与稀硝酸反应生成Fe(NO3)3、NO、H2O,该反应的离子方程式为Fe+4H++NFe3++NO↑+2H2O,D项错误。
答案:B
4.(2023·广东汕头)将铜丝插入浓硝酸中进行如图所示的探究实验(a~c是浸有相应试剂的棉花),下列分析正确的是 ( )
A.Cu与浓硝酸反应,硝酸只表现出酸性,产生红棕色气体
B.a处可观察到棉花变红后褪色
C.b处观察到棉花变蓝,说明NO2具有还原性
D.c处NaOH溶液能与产生的气体发生复分解反应
解析:铜丝与浓硝酸反应生成红棕色气体NO2,硝酸表现出酸性和氧化性,故A项错误;NO2溶于水生成硝酸,可使紫色石蕊溶液变红,然后硝酸的强氧化性又使石蕊溶液褪色,故B项正确;b处棉花变蓝,说明有I2生成,KI转换为I2,I元素化合价由-1价变为0价,则KI为还原剂、NO2为氧化剂,说明NO2具有氧化性,故C项错误;c处NO2与NaOH溶液反应生成NaNO2、NaNO3,N元素化合价由+4价转化为+3价和+5价,有化合价的变化,是氧化还原反应,故D项错误。
答案:B
5.(2022·广东珠海)氮及其化合物的变化关系如图所示。下列说法错误的是 ( )
NO2HNO3
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.图中所有标号的反应都是氧化还原反应
D.N2可在足量的O2中通过一步反应生成NO2
解析:工业上生成硝酸的路径为合成氨→氨的催化氧化→一氧化氮转化为二氧化氮→二氧化氮与水反应获得硝酸。氮气与氧气在雷电作用下生成一氧化氮,一氧化氮会迅速被氧气氧化为二氧化氮,二氧化氮与水反应获得硝酸。A项,由分析可得,路线①②③是工业生产硝酸的主要途径,正确;B项,由分析可得,路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷电固氮生成硝酸的主要途径,正确;C项,图中所有标号的反应都有化合价变化,都是氧化还原反应,正确;D项,N2与O2化合生成NO,不能直接生成NO2,错误。
答案:D
6.(2022·广东揭阳)木炭与浓硫酸共热产生的气体X和铜与浓硝酸反应产生的气体Y同时通入盛有足量的BaCl2溶液的洗气瓶中(如图所示),下列有关说法正确的是 ( )
A.洗气瓶中产生的沉淀有BaCO3
B.Z导管口无红棕色气体出现
C.洗气瓶中产生的沉淀是BaSO3
D.Z导管出来的气体中有CO2
解析:A项,木炭与浓硫酸共热产生的气体X是CO2和SO2的混合气体,Cu与浓硝酸反应产生的气体Y是NO2,SO2+H2O+NO2H2SO4+NO,故洗气瓶中产生的是BaSO4沉淀,CO2与BaCl2溶液不反应,所以没有BaCO3沉淀生成,错误;B项,Z处逸出的气体中有CO2和NO,NO遇到空气中的氧气生成红棕色的NO2,故Z导管口有红棕色气体出现,错误;C项,洗气瓶中产生的是BaSO4沉淀,错误;D项,Z处逸出的气体中有CO2,正确。
答案:D
7.(2022·广东汕头)CuSO4有关制备途径及性质如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.途径①所用混酸中H2SO4与HNO3物质的量之比最好为 3∶2
B.相对于途径①③,途径②更好地体现了绿色化学思想
C.若混合气体X中含两种不同价态的硫元素,则1 mol CuSO4在 1 100 ℃所得混合气体X中O2可能为 0.75 mol
D.Y可能具有还原性
解析:由制备流程可知,①中发生反应3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O,②中发生反应2Cu+O2+2H2SO42CuSO4+2H2O,③中发生反应Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O,在1 100 ℃时发生反应2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑,CuSO4溶液与NaOH溶液反应生成Cu(OH)2沉淀,Cu(OH)2与Y反应生成Cu2O,Cu元素化合价降低,则Y作还原剂,具有还原性。A项,Cu与混酸发生反应3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,离子方程式为3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O,从方程式知,N由硝酸提供,H+由HNO3和H2SO4提供,所以HNO3为2 mol时,H2SO4为3 mol,混酸中H2SO4与HNO3物质的量之比最好为3∶2,正确;B项,①③均生成有毒气体,②中生成CuSO4和H2O,途径②更好地体现了绿色化学思想,正确;C项,CuSO4分解生成Cu2O,Cu元素的化合价降低,S元素为最高价,不能升高,所以O元素的化合价升高,即有O2生成,发生反应2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑,则1 mol CuSO4在1 100 ℃所得混合气体X中O2可能为0.5 mol,错误;D项,Cu(OH)2与Y反应生成Cu2O,Cu元素的化合价降低,则Y作还原剂,具有还原性,正确。
答案:C
(二)拓展提高
8.(2022·广东普宁)某校化学实验小组为了证明铜与稀硝酸反应产生一氧化氮,用如图所示装置进行实验(加热装置和夹持装置均已略去,装置气密性良好,F是用于鼓入空气的双连打气球)。
实验操作及现象:
实验操作 现象
Ⅰ.将装置B下移,使碳酸钙与稀硝酸接触 产生气体
Ⅱ.当装置C中产生白色沉淀时,立刻将装置B上提 —
Ⅲ.将装置A中铜丝放入稀硝酸中,给装置A微微加热 装置A中产生无色气体,装置E中开始时出现浅红棕色气体
Ⅳ.用装置F向装置E中鼓入空气 装置E中气体颜色逐渐加深
Ⅴ.一段时间后 装置C中白色沉淀溶解
请回答下列问题。
(1)操作Ⅰ中产生气体的化学式为 ,操作Ⅰ的目的是 ,装置D的作用是 。
(2)装置C中白色沉淀的化学式是 。
操作Ⅱ中当装置C中产生白色沉淀时立刻将装置B上提的原因
是 。
(3)操作Ⅲ中装置A中产生无色气体的化学方程式是 。
(4)装置E内气体颜色逐渐加深的原因是 。
(5)操作Ⅴ现象产生的原因是 , (用化学方程式表示)。
解析: (1)操作Ⅰ是用CaCO3与稀硝酸反应产生的CO2气体将装置中的空气排尽,以防止空气中的氧气对实验的干扰。装置D的作用是平衡压强,吸收NO、NO2、CO2等尾气,防止污染空气。
(2)装置C中出现白色沉淀说明E中的空气排尽了,生成的沉淀为CaCO3。当装置C中产生白色沉淀时立刻将装置B上提是防止CaCO3消耗硝酸过多,从而影响Cu与稀硝酸的反应。
(3)Cu与稀硝酸反应生成Cu(NO3)2、无色气体NO和H2O,反应的化学方程式是3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
(4)CO2的密度比空气的大,从长管进入装置E,并没有把E中的空气排尽,致使部分NO先与未排尽的空气反应生成少量红棕色气体NO2,当再从装置F鼓入空气时,装置E中有更多的NO2生成,所以气体颜色逐渐加深。
(5)装置C中白色沉淀溶解是因为NO2与水反应生成硝酸,发生反应的化学方程式为3NO2+H2O2HNO3+NO(或4NO+3O2+2H2O4HNO3),硝酸能溶解碳酸钙沉淀,发生反应CaCO3+2HNO3Ca(NO3)2+H2O+CO2↑。
答案: (1)CO2 用CaCO3与稀硝酸反应产生的CO2气体将装置中的空气排尽 平衡压强,吸收NO、NO2、CO2等尾气,防止污染空气
(2)CaCO3 防止CaCO3消耗硝酸过多,从而影响Cu与稀硝酸的反应
(3)3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(4)CO2的密度比空气的大,从长管进入装置E,并没有把E中的空气排尽,致使部分NO先与未排尽的空气反应生成少量红棕色气体NO2,当再从装置F鼓入空气时,装置E中有更多的NO2生成
(5)3NO2+H2O2HNO3+NO(或4NO+3O2+2H2O4HNO3) CaCO3+2HNO3Ca(NO3)2+H2O+CO2↑
9.某学习小组探究浓、稀硝酸氧化性的相对强弱,按如图所示装置进行实验(夹持仪器已略去)。实验表明浓硝酸能将NO氧化成NO2,而稀硝酸不能氧化NO。由此得出的结论是浓硝酸的氧化性强于稀硝酸。
可选试剂:浓硝酸、3 mol·L-1稀硝酸、蒸馏水、浓硫酸、氢氧化钠溶液及二氧化碳。
已知:氢氧化钠溶液不与NO反应,能与NO2反应,反应的化学方程式为2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O。
(1)实验应避免有害气体排放到空气中,装置③、④、⑥中盛放的试剂依次是 。
(2)滴加浓硝酸之前的操作除了“检验装置的气密性”外,还有“加入试剂,打开弹簧夹后 ”。
(3)装置②的作用是 ,发生反应的化学方程式是 。
(4)该小组得出的结论所依据的实验现象是 。
解析: (1)根据实验目的以及装置特点进行判断。装置①浓硝酸与铜反应,装置②利用二氧化氮与水反应生成硝酸和一氧化氮,装置③盛放稀硝酸,验证稀硝酸不能氧化NO,装置④中盛放的是浓硝酸,若浓硝酸能氧化NO,则装置④液面的上方会产生红棕色气体,装置⑤是收集NO,装置⑥中盛放NaOH溶液吸收NO2,防止污染大气。(2)由于装置中残存的空气能氧化NO而对实验产生干扰,所以滴加浓硝酸之前需要通入一段时间CO2赶走装置中的空气,再将装置⑤中导管末端伸入倒置的烧瓶内,防止反应产生的NO气体逸出。(3)根据二氧化氮的性质且能转化为一氧化氮选择试剂,根据实验现象结合二氧化氮的性质书写反应方程式。(4)NO通过稀硝酸溶液后,若无红棕色NO2产生,说明稀硝酸不能氧化NO,所以盛放稀硝酸装置的液面上方没有颜色变化即可说明。装置④中盛放的是浓硝酸,若浓硝酸能氧化NO,则装置④液面的上方会产生红棕色气体。
答案: (1)3 mol·L-1稀硝酸、浓硝酸、氢氧化钠溶液
(2)通入CO2一段时间,关闭弹簧夹,将装置⑤中导管末端伸入倒置的烧瓶内
(3)将NO2转化为NO 3NO2+H2O2HNO3+NO
(4)装置③中液面上方气体仍为无色,装置④中液面上方气体由无色变为红棕色
(三)挑战创新
10.(2023·广东汕头)某学习小组对Cu与HNO3的反应进行了研究。
(1)铜与稀硝酸反应的化学方程式是 。
(2)Cu与HNO3制取氮氧化物的反应装置如图所示。实验可观察到装置B中液面上方为无色气体,C中液面上方为红棕色气体。
①盛稀硝酸的仪器名称为 。
②为排尽整套装置内的空气,先打开弹簧夹,通入 (填化学式),一段时间后关闭弹簧夹。
③C中液面上方为红棕色气体,其原因是 (用化学方程式表示)。
(3)学习小组在做铜与硝酸反应的实验时的操作和现象如图所示。图中溶液A遇铜片立即产生气泡,而相同条件下 3 mol·L-1稀硝酸(溶液B)遇铜片短时间内无明显变化,一段时间后才有少量气泡产生。分析溶液A的成分后,学习小组探究溶液A与铜片能够立即发生反应的原因。
①假设1: (填化学式)对该反应有催化作用。
实验验证:向溶液B中加入少量硝酸铜固体,溶液呈浅蓝色,放入铜片,没有明显变化。
结论:假设1不成立。
②假设2:NO2对该反应有催化作用。
方案1:向放有铜片的溶液B中通入少量NO2,铜片表面立即产生气泡,反应持续进行。有同学认为应补充对比实验:另取一份放有铜片的溶液B,向其中加入数滴5 mol·L-1硝酸,无明显变化。补充该实验的目的是 。
方案2:向A中鼓入N2 数分钟得溶液C,相同条件下,铜片与A、C溶液的反应速率分别为v(A)、v(C),当v(A) (填“>”“=”或“<”)v(C)时,实验能够证明假设2成立。
③经检验,A溶液中还含有少量亚硝酸(HNO2)。设计实验证明HNO2也对该反应有催化作用。操作和预期现象是:向含有铜片的B溶液
中 。
最后结论:NO2和HNO2对铜与硝酸的反应都有催化作用。
解析: (1)稀硝酸是氧化剂,铜是还原剂,铜与稀硝酸反应生成Cu(NO3)2、NO和H2O。(2)装置A中稀硝酸与铜反应生成NO,装置B除去NO中的硝酸,装置C中NO与浓硝酸反应生成了NO2,装置D除去尾气,避免污染空气。①根据题中装置图,可得盛稀硝酸的仪器名称为分液漏斗。②为了排除装置内的空气,需要通入不与产生的气体反应的气体,可通入N2、CO2、稀有气体等。③根据装置B中为无色气体,可知通入C中的气体为NO,装置C中液面上方为红棕色气体,可知NO与浓硝酸反应生成了NO2。(3)①由验证性实验中加少量硝酸铜固体可得,该假设是探究Cu2+或Cu(NO3)2对该反应有催化作用。②因为NO2 会与水反应产生硝酸,致使硝酸浓度增大,为避免浓度对反应的影响,故需增加对照实验;向A中鼓入N2数分钟后,使得溶液中NO2的浓度下降,得溶液C,当v(A)>v(C)时,实验能够证明假设2成立。③欲设计实验证明HNO2也对该反应有催化作用,只需证明往含有铜片的B溶液中加入少量的固体NaNO2后,比没加固体NaNO2的反应速率大就行。
答案: (1)3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(2)①分液漏斗 ②N2(或CO2、稀有气体等) ③NO+2HNO3(浓)3NO2+H2O
(3)①Cu2+[或Cu(NO3)2] ②排除通NO2带来的硝酸浓度增大的影响 > ③加入少量的固体NaNO2,B溶液中铜片上立即生成气泡,反应持续进行
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