第19讲 硝酸 含氮物质的转化
[目标速览] 1.掌握硝酸的性质及应用。2.能从物质类别、氮的化合价变化理解氮及其化合物的转化关系。3.能从含氮物质的性质和转化的视角解释生产、生活中的相关现象。
微考点 核心突破
考点1 典型的氧化性酸——硝酸
知|识|梳|理
1.物理性质
硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体。
2.化学性质
(1)不稳定性。
化学方程式:___________________________________________________________。
(2)强氧化性。
硝酸无论浓、稀都具有强氧化性,而且浓度越大,氧化性越强。
按要求完成下列反应的方程式:
①与金属反应。
稀硝酸与铜反应:____________________,
浓硝酸与铜反应:____________________。
②与非金属反应。
浓硝酸与C反应:____________________。
③与还原性化合物反应。
硝酸可氧化H2S、SO2、Na2SO3、HI、Fe2+等还原性物质。
稀硝酸与FeSO4溶液反应的离子方程式:
___________________________________________________________。
(3)与有机物反应。
①硝化反应(与反应):
___________________________________________________________。
②显色反应:含有苯基的蛋白质遇到浓硝酸时变黄色。
思维辨析
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
1.1 mol Cu和足量稀硝酸反应产生NA个NO分子。( )
2.1 mol Fe与足量的稀硝酸反应,转移2NA个电子。( )
3.用稀硝酸洗涤试管内壁的银镜的离子方程式为2Ag+2H++N===2Ag++NO↑+H2O。( )
4.消除久置浓硝酸的黄色可通入氧气。( )
5.铝和铁在浓硝酸中“钝化”是物理变化。( )
实|验|回|放
实验:硝酸与铜的反应
实验操作 实验现象 实验结论
如图所示,在橡胶塞侧面挖一个凹槽,并嵌入下端卷成螺旋状的铜丝。向具支试管中加入2 mL浓硝酸,用橡胶塞塞住试管口,使铜丝与浓硝酸接触,观察实验现象。向上拉铜丝,终止反应 反应较快,有红棕色气体生成,溶液呈绿色 反应生成NO2
将上述实验中的浓硝酸换成稀硝酸 反应较慢,有气泡产生,在接近管口处观察到红棕色气体,试管中的溶液呈蓝色 反应生成NO
化学方程式:Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O;
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
离子方程式:Cu+4H++2N===Cu2++2NO2↑+2H2O;
3Cu+8H++2N===3Cu2++2NO↑+4H2O。
知|识|拓|展
1.硝酸属于氧化性酸,具有很强的氧化性,除Pt、Au以外的大多数金属都能被硝酸氧化,但不生成H2。
2.浓硝酸的氧化性比稀硝酸的强,一般情况下,浓硝酸的还原产物是NO2,稀硝酸的还原产物是NO。在与铜的反应中,硝酸既表现出强氧化性又表现出酸性。
3.硝酸的浓度不同,与金属反应的产物也不同。通常,金属与浓硝酸反应时生成NO2气体;随着反应的进行,硝酸浓度变小,则生成NO气体,因此过量的Cu与浓硝酸反应时生成NO2与NO的混合气体。
4.铁与稀硝酸的反应:铁不足时发生反应Fe+4HNO3(稀)===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O;铁过量时发生反应3Fe+8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。
5.将浓硝酸与浓盐酸以1∶3的体积比混合,所得混合物称为王水,它能溶解一些不溶于硝酸的金属,如Pt、Au等。
6.N是一种有着鲜明个性的离子,不能单独表现强氧化性,但在酸性条件下,它能氧化多种离子,如Fe2+、I-、S、S2-等。
7.使指示剂先变色后褪色的物质。
(1)浓硝酸先变红后褪色
(2)氯水先变红后褪色
(3)Na2O2先变红后褪色
知|识|对|练
角度一 硝酸的性质
1.公元八世纪,阿拉伯炼金术士贾比尔·本·哈扬在干馏硝石的时候发现并制得了硝酸,这是人类关于硝酸最早的记录。下列关于硝酸的叙述正确的是( )
A.NO2溶于水生成硝酸,所以NO2是酸性氧化物
B.硝酸可与活泼金属反应生成盐和氢气
C.浓硝酸见光或受热易分解,必须保存在棕色细口瓶中
D.硝酸与铜的反应只表现出氧化性
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( )
① ② ③
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,但不能说明木炭一定与浓硝酸发生了反应
3.硝酸是一种无色液体,常用来制造火药、氮肥、染料。下列关于硝酸的认识正确的是( )
A.等质量的铜分别与足量的浓硝酸和稀硝酸反应,转移电子数不同
B.久置的浓硝酸呈黄色,体现了浓硝酸的不稳定性
C.检验久置于空气中的亚硫酸钠溶液是否变质,可以先加硝酸溶液,再加氯化钡溶液
D.工业制硝酸的原理:空气NONO2硝酸→尾气处理
4.如图甲是验证铜和浓硝酸反应的装置,乙、丙是改进后的装置。
(1)甲、乙、丙三个装置中发生反应的化学方程式都为___________________________________________________________
___________________________________________________________。
(2)和甲装置相比,乙装置的优点是____________________________。
(3)为了进一步验证NO2和水的反应,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气体充满试管②。当气体充满试管②后,将铜丝拉起与溶液脱离,欲使烧杯中的水进入试管②,应如何操作 ___________________________________________________________
___________________________________________________________。
角度二 硝酸根离子氧化性实验探究
5.为了探究N的氧化性,某实验小组以一定的气体流速分别向等量的煮沸和未煮沸的Ba(NO3)2溶液中通入SO2,测定溶液pH变化(装置如图1所示),测定结果如图2、图3所示。
(1)根据图2猜想:实验时N在无溶解氧条件下氧化性极弱。
验证:用图1装置(药品可替换)做下表实验,完成表中实验操作。
实验操作 实验现象与结论
________ ________ ________ 实验前600 s溶液pH变化与图2几乎相同,证明溶液pH下降的原因是SO2与H2O发生反应生成H2SO3,猜想正确
(2)根据图3推测:存在溶解氧时,通入Ba(NO3)2溶液中的SO2变为________,溶液酸性明显增强;酸性增强可提高N的氧化性,与SO2反应使溶液pH进一步下降。查阅资料得知前一步反应的活化能比后一步反应的活化能略大。画出SO2通入未煮沸的BaCl2溶液中时,溶液的pH变化图。
考点2 氮及其重要化合物的转化规律
知|识|梳|理
1.氮及其化合物间的转化关系
2.NH3、N、N和—NH2的比较及氨和铵盐的性质
NH3 N N —NH2
H︰︰H [H︰︰H]+ [︰︰H]- ·︰H
[]+ []-
三角锥形 正四面体形 V形 V形
独立存在 铵盐晶体 或溶液中 离子化 合物中 共价化 合物中
①与水反应 NH3+H2O NH3·H2O ②与酸反应 NH3+H+=== N ③与某些氧化 剂反应 ①与碱反应 N+OH-=== NH3·H2O ②与水反应 N+H2O NH3·H2O+H+ — —
3.氮及其化合物的推断
有关氮及其重要化合物的推断题常以产生白烟、红棕色气体、无色气体在空气中变为红棕色、能使湿润红色石蕊试纸变为蓝色等特殊现象为突破口。
4.氮元素的“价—类二维图”
氮元素有多种可变化合价,物质的种类较多,在复习时要从物质类别和价态变化理解这些物质之间的转化关系。
知|识|对|练
角度三 氮在自然界中的循环
6.海洋生物参与氮循环的过程如图所示。下列说法正确的是( )
A.反应①②④均为氧化还原反应
B.反应③④中的氮元素均被还原
C.反应③和⑤均属于氮的固定
D.等质量的N分别参与反应④和⑤,转移电子数之比为4∶3
7.一种新型制备氨的方法如图所示。下列说法错误的是( )
A.反应①属于氮的固定
B.反应③为MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
C.反应⑤两种气体相遇时产生白烟
D.该制备总反应为N2+3H22NH3
角度四 氮及其化合物的转化与物质推断
8.合成氨及其相关工业中,部分物质间的转化关系如下:
下列说法不正确的是( )
A.Ⅰ为人工固氮过程
B.硝酸铵是一种高效氮肥,可直接施用
C.Ⅴ中发生反应NH3+CO2+H2O+NaCl===NaHCO3↓+NH4Cl
D.Ⅵ的副产物可在上述流程中被再次利用
9.N元素是化工生产中的重要非金属元素,哈伯于1905年发明了合成氨技术——哈伯法,有效推动了工农业生产。结合氮及其化合物的“价(态)—类(别)”二维图(如图),回答下列问题:
(1)b的分子式为________;h中含有的化学键类型是____________________。
(2)写出物质d与水反应的离子方程式:___________________________________________________________
___________________________________________________________。
(3)下列有关物质的说法错误的是________(填字母)。
A.a比水蒸气的热稳定性更强
B.e是一种酸性氧化物
C.磷酸的酸性比f的酸性强
D.哈伯法属于氮的固定
(4)少量铜粉中加入稀f溶液,通过观察到__________________________的现象,证明f具有强氧化性。
(5)图示8个转化反应中,共有________(填数字)个不属于氧化还原反应。
角度五 氮及其化合物的转化与物质制备
10.亚硝酸钙[Ca(NO2)2]是水泥混凝土外加剂的主要原料,某学习小组设计实验制备亚硝酸钙,实验装置如图所示(夹持装置略去)。
已知:①2NO+CaO2===Ca(NO2)2,2NO2+CaO2===Ca(NO3)2;②2CaO2+2H2O===2Ca(OH)2+O2↑。
下列说法不正确的是( )
A.装置B、C中的试剂可以分别为水和无水CaCl2
B.将稀硝酸换成浓硝酸可以制备纯净的Ca(NO3)2
C.装置F中酸性K2Cr2O7溶液的作用是吸收多余的氮氧化物
D.该装置存在缺陷,应在装置D和E之间增加一个干燥装置
11.水合肼(N2H4·H2O)是重要的氢能源稳定剂,具有较强的还原性。水合肼的制备原理为NaClO+2NH3·H2O===N2H4·H2O+NaCl+2H2O。下列装置和操作能达到实验目的的是( )
甲 乙
丙 丁
A.装置甲用于制备NH3
B.装置乙用作反应过程的安全瓶
C.装置丙中先加入NaClO溶液,再从a口通入NH3
D.装置丁用于吸收反应中过量的NH3
角度六 氮及其化合物的转化与典型物质性质探究
12.一定温度下,探究铜与稀硝酸反应的过程如下:
下列说法不正确的是( )
A.过程Ⅰ中被还原的硝酸占反应硝酸总物质的量的四分之一
B.过程Ⅲ的反应速率比过程Ⅰ快的原因是NO2溶于水,使HNO3浓度增大
C.由实验可知,NO2对该反应可能具有催化作用
D.当活塞不再移动时,再抽入空气,铜可以继续溶解
13.(2025·广州联考)某小组探究NH3的催化氧化,实验装置如图所示。③中气体颜色无明显变化,④中收集到红棕色气体,一段时间后,④中产生白烟。下列分析不正确的是( )
A.③④中现象说明③中的反应是4NH3+5O24NO+6H2O
B.④中白烟的主要成分是NH4Cl
C.一段时间后⑤中可能变蓝
D.若用氨气进行尾气处理,每处理0.6 mol NO2需消耗0.8 mol氨气
微充电 素养提升
高效破题——“三守恒”巧解金属与硝酸反应计算题
【方法归纳】
硝酸与金属反应的计算方法
硝酸与金属反应时,金属被氧化生成金属阳离子,硝酸被还原为低价氮的化合物。所遵循的规律必须符合三个守恒:
1.得失电子要守恒。
根据这个守恒,往往求氮元素被还原后的价态,根据价态确定反应产物。
2.N元素守恒。
硝酸与金属活动性顺序中氢以后的金属发生作用时,浓硝酸的还原产物主要是NO2,稀硝酸的还原产物主要是NO。若金属和一定量浓硝酸恰好反应,则产生的气体为NO、NO2的混合气体,无论硝酸的还原产物是NO、NO2还是两者的混合物,n(HNO3)还原=n(气体),n(HNO3)消耗=n(气体)+an(金属)(a为金属的化合价)或溶液中的N和放出的NO(或NO2)中N元素的物质的量之和等于原HNO3的物质的量。
3.溶液中要符合电荷守恒。
Mn+和H+所带正电荷总数应等于N所带负电荷总数(因为这种溶液中OH-浓度很小,可被忽略)。
另外,如果变价金属与硝酸反应,例如Fe,Fe不足时生成Fe3+,Fe过量时生成Fe2+。
【母题】 足量铜溶于一定量的浓硝酸,产生NO2、N2O4、NO的混合气体,这些气体若与1.12 L O2(标准状况)混合后通入水中,气体被水完全吸收。若向原所得溶液中加入5 mol·L-1 H2SO4溶液100 mL,则继续溶解的Cu的质量为( )
A.6.4 g B.9.6 g
C.19.2 g D.24 g
【衍生】 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。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。
微真题 把握方向
考向一 硝酸的性质、制备
1.(2024·湖南卷)某学生按图示方法进行实验,观察到以下实验现象:
①铜丝表面缓慢放出气泡,锥形瓶内气体呈红棕色;
②铜丝表面气泡释放速度逐渐加快,气体颜色逐渐变深;
③一段时间后气体颜色逐渐变浅,至几乎无色;
④锥形瓶中液面下降,长颈漏斗中液面上升,最终铜丝与液面脱离接触,反应停止。
下列说法正确的是( )
A.开始阶段铜丝表面气泡释放速度缓慢,原因是铜丝在稀硝酸中表面钝化
B.锥形瓶内出现了红棕色气体,表明铜和稀硝酸反应生成了NO2
C.气体红棕色逐渐变浅的主要原因是3NO2+H2O===2HNO3+NO
D.铜丝与液面脱离接触,反应停止,原因是硝酸消耗完全
2.(2024·北京卷)HNO3是一种重要的工业原料。可采用不同的氮源制备HNO3。
(1)方法一:早期以硝石(含NaNO3)为氮源制备HNO3,反应的化学方程式为H2SO4(浓)+NaNO3===NaHSO4+HNO3↑。该反应利用了浓硫酸的性质是酸性和________。
(2)方法二:以NH3为氮源催化氧化制备HNO3,反应原理分三步进行。
NH3NONO2HNO3
第Ⅰ步反应的化学方程式为____________________________________。
(3)人工固氮是高能耗的过程,结合N2分子结构解释原因:___________________________________________________________。
考向二 氮及其化合物的转化
3.(2023·江苏卷)氮及其化合物的转化具有重要应用。下列说法不正确的是( )
A.实验室探究稀硝酸与铜反应的气态产物:HNO3(稀)NONO2
B.工业制硝酸过程中的物质转化:N2NOHNO3
C.汽车尾气催化转化器中发生的主要反应:2NO+2CON2+2CO2
D.实验室制备少量NH3的原理:2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O
4.(2022·江苏卷)氮及其化合物的转化具有重要应用。下列说法不正确的是( )
A.自然固氮、人工固氮都是将N2转化为NH3
B.侯氏制碱法以H2O、NH3、CO2、NaCl为原料制备NaHCO3和NH4Cl
C.工业上通过NH3催化氧化等反应过程生产HNO3
D.多种形态的氮及其化合物间的转化形成了自然界的“氮循环”
第19讲 硝酸 含氮物质的转化
微考点·核心突破
考点1
知识梳理
2.(1)4HNO3(浓)2H2O+4NO2↑+O2↑
(2)①3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
②C+4HNO3(浓)CO2↑+4NO2↑+2H2O
③3Fe2++4H++N===3Fe3++NO↑+2H2O
(3)①+HNO3+H2O
思维辨析
1.× 提示:铜与稀硝酸的反应为3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,1 mol Cu反应会产生NA个NO分子。
2.× 提示:如Fe与足量的稀硝酸反应Fe+4HNO3(稀)===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O,1 mol Fe与足量的稀硝酸反应转移3NA个电子。
3.× 提示:银与稀硝酸反应的离子方程式为3Ag+4H++N===3Ag++NO↑+2H2O。
4.√ 提示:浓硝酸显黄色是由于硝酸见光或受热发生分解,生成的NO2溶于浓硝酸所致,通入O2(或空气)使其发生反应4NO2+O2+2H2O===4HNO3。
5.× 提示:钝化是在铁、铝的表面形成一层致密的氧化物保护膜,阻止了金属与硝酸的进一步反应,属于化学变化。
知识对练
1.C 解析 NO2和硝酸中氮元素的化合价不相等,NO2不是酸性氧化物;硝酸与活泼金属反应时常生成盐和含氮氧化物;浓硝酸见光易分解,应保存在棕色细口瓶中;硝酸与铜反应生成硝酸铜及NO或NO2,硝酸既表现出氧化性也表现出酸性。
2.B 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项正确;通过A项分析可知,浓硝酸受热分解可以产生二氧化氮和氧气,所以②中红棕色气体可能来源于硝酸分解,即不能表明②中木炭与浓硝酸发生反应,B项错误;实验③中木炭没有与浓硝酸接触,浓硝酸没有被加热,生成的红棕色气体二氧化氮只能是挥发出的硝酸蒸气与红热木炭反应或是挥发出的硝酸受热分解,从生成的二氧化氮看,都是来源于HNO3中+5价氮元素,所以红棕色气体是还原产物,C项正确;由于空气中含有氧气,因此红热的木炭可能与氧气反应产生了CO2,且③中木炭和浓硝酸并没有接触,因此不能说明木炭一定与浓硝酸发生了反应,D项正确。
3.B 解析 等质量的铜分别与足量的浓硝酸和稀硝酸反应,铜被氧化为Cu2+,转移电子数相同,A项错误;久置的浓硝酸呈黄色,是因为硝酸分解生成的NO2溶于硝酸中,体现了浓硝酸的不稳定性,B项正确;亚硫酸钠能被硝酸氧化为硫酸钠,检验久置于空气中的亚硫酸钠溶液是否变质,应该先加盐酸,再加氯化钡溶液,若生成白色沉淀,证明亚硫酸钠已变质,C项错误;工业制硝酸的原理:氨气NO→NO2硝酸→尾气处理,D项错误。
4.答案 (1)Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O (2)可控制反应速率,可吸收NO2,防止NO2污染环境 (3)c a、b 先关闭止水夹b,再关闭止水夹a,然后打开止水夹c,用手捂住试管②
解析 (2)可利用对比的方法,找出各装置的优缺点,NO2有毒,要进行尾气吸收。(3)本实验的目的之一是验证NO2与H2O的反应。丙装置中要使NO2充满试管②,应先关闭止水夹c,再打开止水夹a、b。待NO2充满试管②后,把铜丝拉起,先关闭止水夹b,再关闭止水夹a,然后打开止水夹c,用手捂住试管②,使气体受热膨胀,与水接触,NO2极易与水反应,使试管②内压强减小,烧杯中的水被压入试管②中。
5.答案 (1)将煮沸的硝酸钡溶液替换为等量的煮沸的水,然后以相同的流速通入二氧化硫,测定溶液pH的变化
(2)H2SO4
解析 (1)如果实验时N在无溶解氧条件下氧化性极弱,则溶液pH下降的原因是SO2与H2O发生反应生成H2SO3。验证猜想可以将煮沸的硝酸钡溶液替换为等量煮沸的水进行对比实验,具体操作为将煮沸的硝酸钡溶液替换为等量的煮沸的水,然后以相同的流速通入二氧化硫,测定溶液pH的变化。(2)未煮沸的Ba(NO3)2溶液中有O2,氧气具有氧化性,通入SO2后发生反应SO2+H2OH2SO3、2H2SO3+O2===2H2SO4。氯化钡溶液和硝酸钡溶液的区别在于Cl-不能将亚硫酸氧化为硫酸,但是溶解的氧气仍会将亚硫酸氧化为硫酸,又因为氧气氧化H2SO3的反应活化能较大,则该反应的反应速率小于硝酸钡存在时的反应速率,且600 s时溶液酸性要稍弱。
考点2
知识对练
6.D 解析 反应①为N—→NH3,N元素的化合价没有发生变化,不属于氧化还原反应;反应②为NH2OH—→N2H4,N元素的化合价由-1价降低为-2价,存在化合价变化,属于氧化还原反应;反应④为N—→NH2OH,N元素的化合价由+3价降低为-1价,存在化合价变化,属于氧化还原反应,A项错误;反应③为N2H4—→N2,N元素的化合价由-2价升高为0价,N元素被氧化,反应④为N—→NH2OH,N元素的化合价由+3价降低为-1价,N元素被还原,B项错误;氮的固定是游离态的氮转化为化合态的氮,因此反应③⑤不是氮的固定,C项错误;反应④为N—→NH2OH,N元素的化合价由+3价降低为-1价,降低4价,反应⑤为N—→N2,N元素的化合价由+3价降低为0价,降低3价,转移电子数之比为4∶3,D项正确。
7.D 解析 反应①是镁和氮气反应生成氮化镁,氮元素由游离态变为化合态,属于氮的固定,A项正确;反应③为电解熔融氯化镁生成镁和氯气,反应方程式为MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑,B项正确;反应⑤为氨气和氯化氢相遇生成氯化铵,现象为产生白烟,C项正确;根据图示,该制备总反应为2N2+6H2O4NH3+3O2,D项错误。
8.B 解析 甲是N2,与H2化合生成NH3。反应Ⅴ是侯氏制碱法原理,丁是NaHCO3,受热分解生成Na2CO3。NH3发生催化氧化生成NO,NO与O2反应生成NO2,NO2溶于水生成HNO3,HNO3和NH3反应生成NH4NO3,即乙是NO,丙是NO2。将空气中的氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮,Ⅰ为工业合成氨过程,属于人工固氮,A项正确;硝酸铵受热或受撞击会发生爆炸,不可直接施用,必须经过改性处理,B项错误;反应Ⅴ是侯氏制碱法原理,化学方程式为NH3+CO2+H2O+NaCl===NaHCO3↓+NH4Cl,C项正确;NaHCO3分解生成的CO2可以循环利用,D项正确。
9.答案 (1)N2 离子键、共价键 (2)3NO2+H2O===2H++2N+NO
(3)AC (4)铜粉溶解,溶液变为淡蓝色,有无色气体逸出 (5)2
解析 由题图可知,a为氨气、b为氮气、c为一氧化氮、d为二氧化氮、e为五氧化二氮、f为硝酸、h为氯化铵。(1)由分析可知,b为氮气,分子式是N2;h为含有离子键和共价键的离子化合物氯化铵。(2)二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮,反应的离子方程式为3NO2+H2O===2H++2N+NO。(3)同周期元素从左到右非金属性依次增强,氢化物的稳定性依次增强,则氨气的稳定性弱于水蒸气,A项错误;五氧化二氮与碱反应生成硝酸盐和水,则五氧化二氮属于酸性氧化物,B项正确;同主族元素从上到下非金属性依次减弱,最高价氧化物对应水化物的酸性依次减弱,则磷酸的酸性弱于硝酸,C项错误;合成氨反应是游离态氮元素转化为化合态氮元素的反应,属于人工固氮,D项正确。(4)少量铜粉中加入稀硝酸,铜粉溶解,溶液变为淡蓝色,有无色气体逸出,说明铜与稀硝酸反应生成硝酸铜、一氧化氮和水,反应中氮元素化合价部分降低被还原,硝酸在反应中表现强氧化性和酸性。(5)由题图可知,五氧化二氮与水生成硝酸的反应和氨气与氯化氢生成氯化铵的反应是没有元素化合价变化的非氧化还原反应,则8个转化反应中共有2个属于非氧化还原反应。
10.B 解析 装置A中出来的气体中含有水蒸气和硝酸蒸气,水蒸气、硝酸蒸气能与过氧化钙反应,需要除去,装置B中盛放水,吸收硝酸蒸气,装置C中盛放无水氯化钙,干燥NO气体,A项正确;将稀硝酸换成浓硝酸,反应生成的NO2通过装置B转化为NO,NO与过氧化钙反应生成亚硝酸钙,因此不能得到纯净的硝酸钙,B项错误;氮的氧化物有毒,污染环境,需要尾气处理,利用酸性重铬酸钾溶液的强氧化性可以将氮的氧化物氧化为N,消除污染,C项正确;过氧化钙能与水反应,为提高产品的纯度,需要在D、E之间增加一个干燥装置,D项正确。
11.D 解析 装置甲中直接加热NH4Cl虽然能产生氨气,但因为盐酸的酸性强,很快在试管口附近与氨气结合变为NH4Cl固体,A项错误;氨气极易溶于水,导管应短进短出,可防止倒吸,B项错误;水合肼具有较强的还原性,容易被氧化,所以装置丙中应先从a口通入NH3,再滴入NaClO溶液,C项错误;氨气会污染环境,用装置丁吸收反应中过量的NH3,并且利用氨气不溶于四氯化碳来防止倒吸,D项正确。
12.B 解析 过程Ⅰ中被还原的硝酸产物为NO,通过反应方程式可得出被还原的硝酸占反应硝酸总物质的量的四分之一,A项正确;过程Ⅲ中硝酸的浓度没有过程Ⅰ中大,因为部分硝酸转化成了一氧化氮,因此反应速率比过程Ⅰ快的原因不可能是c(HNO3)增大,B项错误;由实验可知,过程Ⅲ反应速率比Ⅰ快,说明NO2可能对该反应具有催化作用,C项正确;当活塞不再移动时,再抽入空气,NO与O2反应生成NO2,NO2溶于水生成稀硝酸,能够继续溶解铜,D项正确。
13.B 解析 ①中高锰酸钾受热制备氧气,装置②中氯化铵与氢氧化钙共热反应制备氨气,装置③中氨气在催化剂作用下与氧气发生催化氧化反应生成一氧化氮,装置④中反应生成的NO与过量的O2反应生成红棕色气体NO2,NO2与水蒸气反应生成硝酸,硝酸与氨气反应生成硝酸铵,会有白烟产生,装置⑤中氮的氧化物与氧气溶于水反应生成硝酸,硝酸与铜反应生成淡蓝色的硝酸铜溶液。由分析可知,③中气体颜色无明显变化,④中收集到红棕色气体,一段时间后产生白烟说明③中氨气在催化剂作用下与氧气发生催化氧化生成一氧化氮,反应方程式为4NH3+5O24NO+6H2O,A项正确;由分析可知,④中白烟的主要成分是硝酸铵,B项错误;装置⑤中氮的氧化物与氧气溶于水反应生成硝酸,硝酸与铜反应生成淡蓝色的硝酸铜溶液,C项正确;用氨气处理尾气NO2,发生的反应的方程式为6NO2+8NH3===7N2+12H2O,NO2与NH3的化学计量数之比为6∶8,则处理0.6 mol NO2需消耗0.8 mol氨气,D项正确。
微充电·素养提升
母题 C 解析 设原来溶解的Cu的物质的量为x,Cu失去的电子被N元素得到生成氮的氧化物,这些氮的氧化物再与O2、H2O反应生成HNO3,可看成Cu失电子,O2得电子,则根据得失电子守恒可知,2x=×4,解得x=0.1 mol,所以原所得溶液中N的物质的量为0.2 mol;
3Cu+8H++2N===3Cu2++2NO↑+4H2O
1 mol 0.2 mol
H+过量,所以继续溶解的Cu的质量为×3×64 g·mol-1=19.2 g。
衍生 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。根据气体在标准状况下的总体积为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N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溶液至恰好使溶液中的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N形式留在溶液中的N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=57.8 g。
微真题·把握方向
1.C 解析 金属铜在稀硝酸中不会钝化,开始时反应速率较慢,可能的原因是铜表面有氧化铜,A项错误;由于装置内有空气,铜和稀硝酸反应生成的NO迅速被氧气氧化为红棕色的NO2,产生的NO2浓度逐渐增加,气体颜色逐渐变深,B项错误;装置内氧气逐渐被消耗,生成的NO2量逐渐达到最大值,同时装置内的NO2能与溶液中的H2O发生反应3NO2+H2O===2HNO3+NO,气体颜色变浅,C项正确;由于该装置为密闭体系,生成的NO无法排出,逐渐将锥形瓶内液体压入长颈漏斗,铜丝与液面脱离接触,反应停止,D项错误。
2.答案 (1)难挥发性 (2)4NH3+5O24NO+6H2O
(3)N2中存在氮氮三键,键能大,断键时需要较大的能量,故人工固氮是高能耗的过程
解析 (1)浓硫酸难挥发,产物HNO3为气体,有利于复分解反应进行,体现了浓硫酸的难挥发性和酸性。(2)第Ⅰ步反应为氨气的催化氧化,化学方程式为4NH3+5O24NO+6H2O。(3)N2中存在氮氮三键,键能大,断键时需要较大的能量,故人工固氮是高能耗的过程。
3.B 解析 Cu与稀硝酸的反应产物之一为NO,NO与氧气发生反应2NO+O2===2NO2,A项正确;工业制硝酸的生产流程为N2与H2在高温、高压、催化剂条件下制NH3,NH3催化氧化生成NO,NO、O2和水反应生成HNO3,B项错误;汽车尾气催化转化器主要将污染气体NO、CO转化为无污染的气体,故该反应方程式为2NO+2CON2+2CO2,C项正确;实验室利用熟石灰和氯化铵制备少量NH3,化学方程式为2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O,D项正确。
4.A 解析 自然固氮是将N2转化为含氮化合物,不一定是转化为NH3,比如大气固氮是将N2转化为NO,A项错误;侯氏制碱法以H2O、NH3、CO2、NaCl为原料制备NaHCO3和NH4Cl,反应的化学方程式为H2O+NH3+CO2+NaCl===NaHCO3↓+NH4Cl,B项正确;工业上通过NH3催化氧化等反应过程生产HNO3,相关的化学反应方程式为4NH3+5O24NO+6H2O、2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO、4NO2+O2+2H2O===4HNO3,C项正确;氮元素在自然界中既有游离态又有化合态,多种形态的氮及其化合物间的转化形成了自然界的“氮循环”,D项正确。(共85张PPT)
第19讲
大单元三 非金属及其化合物
硝酸 含氮物质的转化
目
标
速
览
1.掌握硝酸的性质及应用。2.能从物质类别、氮的化合价变化理解氮及其化合物的转化关系。3.能从含氮物质的性质和转化的视角解释生产、生活中的相关现象。
考点1 典型的氧化性酸——硝酸
微考点/核心突破
第一部分
1.物理性质
硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体。
2.化学性质
(1)不稳定性。
化学方程式：___________________________________。
(2)强氧化性。
硝酸无论浓、稀都具有强氧化性，而且浓度越大，氧化性越强。
按要求完成下列反应的方程式：
①与金属反应。
稀硝酸与铜反应：_________________________________________，
浓硝酸与铜反应：_________________________________________。
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
②与非金属反应。
浓硝酸与C反应： 。
③与还原性化合物反应。
硝酸可氧化H2S、SO2、Na2SO3、HI、Fe2+等还原性物质。
稀硝酸与FeSO4溶液反应的离子方程式：
。
3Fe2++4H++N===3Fe3++NO↑+2H2O
思维辨析
判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
1.1 mol Cu和足量稀硝酸反应产生NA个NO分子。( )
2.1 mol Fe与足量的稀硝酸反应，转移2NA个电子。( )
提示：铜与稀硝酸的反应为3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+ 4H2O，1 mol Cu反应会产生NA个NO分子。
提示：如Fe与足量的稀硝酸反应Fe+4HNO3(稀)===Fe(NO3)3+ NO↑+2H2O，1 mol Fe与足量的稀硝酸反应转移3NA个电子。
3.用稀硝酸洗涤试管内壁的银镜的离子方程式为2Ag+2H++N=== 2Ag++NO↑+H2O。( )
4.消除久置浓硝酸的黄色可通入氧气。( )
提示：银与稀硝酸反应的离子方程式为3Ag+4H++N===3Ag++ NO↑+2H2O。
提示：浓硝酸显黄色是由于硝酸见光或受热发生分解，生成的NO2溶于浓硝酸所致，通入O2(或空气)使其发生反应4NO2+O2+2H2O=== 4HNO3。
5.铝和铁在浓硝酸中“钝化”是物理变化。( )
提示：钝化是在铁、铝的表面形成一层致密的氧化物保护膜，阻止了金属与硝酸的进一步反应，属于化学变化。
实验：硝酸与铜的反应
实验操作 实验现象 实验结论
如图所示，在橡胶塞侧面挖一个凹槽，并嵌入下端卷成螺旋状的铜丝。向具支试管中加入2 mL浓硝酸，用橡胶塞塞住试管口，使铜丝与浓硝酸接触，观察实验现象。向上拉铜丝，终止反应 反应较快，有红棕色气体生成，溶液呈绿色 反应生成NO2
将上述实验中的浓硝酸换成稀硝酸 反应较慢,有气泡产生，在接近管口处观察到红棕色气体,试管中的溶液呈蓝色 反应生成NO
化学方程式：Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O；
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
离子方程式：Cu+4H++2N===Cu2++2NO2↑+2H2O；
3Cu+8H++2N===3Cu2++2NO↑+4H2O。
1.硝酸属于氧化性酸，具有很强的氧化性，除Pt、Au以外的大多数金属都能被硝酸氧化，但不生成H2。
2.浓硝酸的氧化性比稀硝酸的强，一般情况下，浓硝酸的还原产物是NO2，稀硝酸的还原产物是NO。在与铜的反应中，硝酸既表现出强氧化性又表现出酸性。
3.硝酸的浓度不同，与金属反应的产物也不同。通常，金属与浓硝酸反应时生成NO2气体；随着反应的进行，硝酸浓度变小，则生成NO气体，因此过量的Cu与浓硝酸反应时生成NO2与NO的混合气体。
4.铁与稀硝酸的反应：铁不足时发生反应Fe+4HNO3(稀)=== Fe(NO3)3+NO↑+2H2O；铁过量时发生反应3Fe+8HNO3(稀)=== 3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。
5.将浓硝酸与浓盐酸以1∶3的体积比混合，所得混合物称为王水，它能溶解一些不溶于硝酸的金属，如Pt、Au等。
角度一 硝酸的性质
1.公元八世纪，阿拉伯炼金术士贾比尔·本·哈扬在干馏硝石的时候发现并制得了硝酸，这是人类关于硝酸最早的记录。下列关于硝酸的叙述正确的是( )
A.NO2溶于水生成硝酸，所以NO2是酸性氧化物
B.硝酸可与活泼金属反应生成盐和氢气
C.浓硝酸见光或受热易分解，必须保存在棕色细口瓶中
D.硝酸与铜的反应只表现出氧化性
NO2和硝酸中氮元素的化合价不相等，NO2不是酸性氧化物；硝酸与活泼金属反应时常生成盐和含氮氧化物；浓硝酸见光易分解，应保存在棕色细口瓶中；硝酸与铜反应生成硝酸铜及NO或NO2，硝酸既表现出氧化性也表现出酸性。
解析
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，但不能说明木炭一定与浓硝酸发生了反应
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项正确；通过A项分析可知，浓硝酸受热分解可以产生二氧化氮和氧气，所以②中红棕色
解析
气体可能来源于硝酸分解，即不能表明②中木炭与浓硝酸发生反应，B项错误；实验③中木炭没有与浓硝酸接触，浓硝酸没有被加热，生成的红棕色气体二氧化氮只能是挥发出的硝酸蒸气与红热木炭反应或是挥发出的硝酸受热分解，从生成的二氧化氮看，都是来源于HNO3中+5价氮元素，所以红棕色气体是还原产物，C项正确；由于空气中含有氧气，因此红热的木炭可能与氧气反应产生了CO2，且③中木炭和浓硝酸并没有接触，因此不能说明木炭一定与浓硝酸发生了反应，D项正确。
解析
解析
4.如图甲是验证铜和浓硝酸反应的装置，乙、丙是改进后的装置。
(1)甲、乙、丙三个装置中发生反应的化学方程式都为_____________
__________________________。
(2)和甲装置相比，乙装置的优点是_____________________________
_____________________。
(3)为了进一步验证NO2和水的反应，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气体充满试管②。当气体充满试管②后，将铜丝拉起与溶液脱离，欲使烧杯中的水进入试管②，应如何操作 ______________________________________
____________________________。
Cu+4HNO3(浓)
===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
可控制反应速率，可吸收NO2，
防止NO2污染环境
c
a、b
先关闭止水夹b，再关闭止水夹a，然后打
开止水夹c，用手捂住试管②
(2)可利用对比的方法，找出各装置的优缺点，NO2有毒，要进行尾气吸收。(3)本实验的目的之一是验证NO2与H2O的反应。丙 装置中要使NO2充满试管②，应先关闭止水夹c，再打开止水夹 a、b。待NO2充满试管②后，把铜丝拉起，先关闭止水夹b，再关闭止水夹a，然后打开止水夹c，用手捂住试管②，使气体受热膨胀，与水接触，NO2极易与水反应，使试管②内压强减小，烧杯中的水被压入试管②中。
解析
角度二 硝酸根离子氧化性实验探究
5.为了探究N的氧化性，某实验小组以一定的气体流速分别向等量的煮沸和未煮沸的Ba(NO3)2溶液中通入SO2，测定溶液pH变化(装置如图1所示)，测定结果如图2、图3所示。
(1)根据图2猜想：实验时N在无溶解氧条件下氧化性极弱。
验证：用图1装置(药品可替换)做下表实验，完成表中实验操作。
实验操作 实验现象与结论
—————————————————————————————————————————————————— 实验前600 s溶液pH变化与图2几乎相同，证明溶液pH下降的原因是SO2与H2O发生反应生成H2SO3，猜想正确
将煮沸的硝酸钡溶液替换为等量的煮沸的水，然后以相同的流速通入二氧化硫，测定溶液pH的变化
(2)根据图3推测：存在溶解氧时，通入Ba(NO3)2溶液中的SO2变为 _______，溶液酸性明显增强；酸性增强可提高N的氧化性，与SO2反应使溶液pH进一步下降。查阅资料得知前一步反应的活化能比后一步反应的活化能略大。画出SO2通入未煮沸的BaCl2溶液中时，溶液的pH变化图。
H2SO4
答案
解析
酸氧化为硫酸，但是溶解的氧气仍会将亚硫酸氧化为硫酸，又因为氧气氧化H2SO3的反应活化能较大，则该反应的反应速率小于硝酸钡存在时的反应速率，且600 s时溶液酸性要稍弱。
解析
考点2 氮及其重要化合物的转化规律
微考点/核心突破
第一部分
1.氮及其化合物间的转化关系
2.NH3、N、N和—NH2的比较及氨和铵盐的性质
空间 结构 三角锥形 正四面体形 V形 V形
存在 形式 独立存在 铵盐晶体或溶液中 离子化 合物中 共价化
合物中
主要 性质 ①与水反应 NH3+H2O N H3·H2O ②与酸反应 NH3+H+===N ③与某些氧化剂反应 ①与碱反应 N+OH-===NH3·H2O ②与水反应 N+H2O NH3·H2O+H+ — —
3.氮及其化合物的推断
有关氮及其重要化合物的推断题常以产生白烟、红棕色气体、无色气体在空气中变为红棕色、能使湿润红色石蕊试纸变为蓝色等特殊现象为突破口。
4.氮元素的“价—类二维图”
氮元素有多种可变化合价，物质的种类较多，在复习时要从物质类别和价态变化理解这些物质之间的转化关系。
角度三 氮在自然界中的循环
6.海洋生物参与氮循环的过程如图
所示。下列说法正确的是( )
A.反应①②④均为氧化还原反应
B.反应③④中的氮元素均被还原
C.反应③和⑤均属于氮的固定
D.等质量的N分别参与反应④和⑤，转移电子数之比为4∶3
反应①为N—→NH3，N元素的化合价没有发生变化，不属于氧化还原反应；反应②为NH2OH—→N2H4，N元素的化合价由-1价降低为-2价，存在化合价变化，属于氧化还原反应；反应④为N—→NH2OH，N元素的化合价由+3价降低为-1价，存在化合价变化，属于氧化还原反应，A项错误；反应③为N2H4—→N2， N元素的化合价由-2价升高为0价，N元素被氧化，反应④为N—→NH2OH，N元素的化合价由+3价降低为-1价，N元素被还
解析
原，B项错误；氮的固定是游离态的氮转化为化合态的氮，因此反应③⑤不是氮的固定，C项错误；反应④为N—→NH2OH， N元素的化合价由+3价降低为-1价，降低4价，反应⑤为N
—→N2，N元素的化合价由+3价降低为0价，降低3价，转移电子数之比为4∶3，D项正确。
解析
解析
角度四 氮及其化合物的转化与物质推断
8.合成氨及其相关工业中，部分物质间的转化关系如下：
下列说法不正确的是( )
A.Ⅰ为人工固氮过程
B.硝酸铵是一种高效氮肥，可直接施用
C.Ⅴ中发生反应NH3+CO2+H2O+NaCl===NaHCO3↓+NH4Cl
D.Ⅵ的副产物可在上述流程中被再次利用
甲是N2，与H2化合生成NH3。反应Ⅴ是侯氏制碱法原理，丁是NaHCO3，受热分解生成Na2CO3。NH3发生催化氧化生成NO，NO与O2反应生成NO2，NO2溶于水生成HNO3，HNO3和NH3反应生成NH4NO3，即乙是NO，丙是NO2。将空气中的氮气转化为氮的化合物的过程称为固氮，Ⅰ为工业合成氨过程，属于人工固氮，A项正确；硝酸铵受热或受撞击会发生爆炸，不可直接施用，必须经过改性处理，B项错误；反应Ⅴ是侯氏制碱法原理，化学方程式为NH3+CO2+H2O+NaCl===NaHCO3↓+NH4Cl，C项正确；NaHCO3分解生成的CO2可以循环利用，D项正确。
解析
9.N元素是化工生产中的重要非金属元素，哈伯于1905年发明了合成氨技术——哈伯法，有效推动了工农业生产。结合氮及其化合物的“价(态)—类(别)”二维图(如图)，回答下列问题：
(1)b的分子式为 ；h中含有的化学键类型是 。
(2)写出物质d与水反应的离子方程式：
。
(3)下列有关物质的说法错误的是 (填字母)。
A.a比水蒸气的热稳定性更强
B.e是一种酸性氧化物
C.磷酸的酸性比f的酸性强
D.哈伯法属于氮的固定
N2
离子键、共价键
3NO2+H2O===2H++2N+NO
AC
(4)少量铜粉中加入稀f溶液，通过观察到________________________
_____________________的现象，证明f具有强氧化性。
(5)图示8个转化反应中，共有 (填数字)个不属于氧化还原反应。
由题图可知，a为氨气、b为氮气、c为一氧化氮、d为二氧化氮、e为五氧化二氮、f为硝酸、h为氯化铵。(1)由分析可知，b为氮气，分子式是N2；h为含有离子键和共价键的离子化合物氯化铵。
解析
铜粉溶解，溶液变为淡蓝
色，有无色气体逸出
2
(2)二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，反应的离子方程式为3NO2+H2O===2H++2N+NO。(3)同周期元素从左到右非金属性依次增强，氢化物的稳定性依次增强，则氨气的稳定性弱于水蒸气，A项错误；五氧化二氮与碱反应生成硝酸盐和水，则五氧化二氮属于酸性氧化物，B项正确；同主族元素从上到下非金属性依次减弱，最高价氧化物对应水化物的酸性依次减弱，则磷酸的酸性弱于硝酸，C项错误；合成氨反应是游离态氮元素转化为化合态氮元素的反应，属于人工固氮，D项正确。
解析
(4)少量铜粉中加入稀硝酸，铜粉溶解，溶液变为淡蓝色，有无色气体逸出，说明铜与稀硝酸反应生成硝酸铜、一氧化氮和水，反应中氮元素化合价部分降低被还原，硝酸在反应中表现强氧化性和酸性。(5)由题图可知，五氧化二氮与水生成硝酸的反应和氨气与氯化氢生成氯化铵的反应是没有元素化合价变化的非氧化还原反应，则8个转化反应中共有2个属于非氧化还原反应。
解析
角度五 氮及其化合物的转化与物质制备
10.亚硝酸钙[Ca(NO2)2]是水泥混凝土外加剂的主要原料，某学习小组设计实验制备亚硝酸钙，实验装置如图所示(夹持装置略去)。
已知：①2NO+CaO2===Ca(NO2)2，2NO2+CaO2===Ca(NO3)2；
②2CaO2+2H2O===2Ca(OH)2+O2↑。
下列说法不正确的是( )
A.装置B、C中的试剂可以分别为水和无水CaCl2
B.将稀硝酸换成浓硝酸可以制备纯净的Ca(NO3)2
C.装置F中酸性K2Cr2O7溶液的作用是吸收多余的氮氧化物
D.该装置存在缺陷，应在装置D和E之间增加一个干燥装置
装置A中出来的气体中含有水蒸气和硝酸蒸气，水蒸气、硝酸蒸气能与过氧化钙反应，需要除去，装置B中盛放水，吸收硝酸蒸气，装置C中盛放无水氯化钙，干燥NO气体，A项正确；将稀硝酸换成浓硝酸，反应生成的NO2通过装置B转化为NO，NO与过氧化钙反应生成亚硝酸钙，因此不能得到纯净的硝酸钙，B项错误；氮的氧化物有毒，污染环境，需要尾气处理，利用酸性重铬酸钾溶液的强氧化性可以将氮的氧化物氧化为N，消除污染，C项正确；过氧化钙能与水反应，为提高产品的纯度，需要在D、E之间增加一个干燥装置，D项正确。
解析
11.水合肼(N2H4·H2O)是重要的氢能源稳定剂,具有较强的还原性。水合肼的制备原理为NaClO+2NH3·H2O===N2H4·H2O+NaCl+2H2O。下列装置和操作能达到实验目的的是( )
A.装置甲用于制备NH3
B.装置乙用作反应过程的安全瓶
C.装置丙中先加入NaClO溶液，再从a口通入NH3
D.装置丁用于吸收反应中过量的NH3
装置甲中直接加热NH4Cl虽然能产生氨气，但因为盐酸的酸性 强，很快在试管口附近与氨气结合变为NH4Cl固体，A项错误；氨气极易溶于水，导管应短进短出，可防止倒吸，B项错误；水合肼具有较强的还原性，容易被氧化，所以装置丙中应先从a口通入NH3，再滴入NaClO溶液，C项错误；氨气会污染环境，用装置丁吸收反应中过量的NH3，并且利用氨气不溶于四氯化碳来防止倒吸，D项正确。
解析
角度六 氮及其化合物的转化与典型物质性质探究
12.一定温度下，探究铜与稀硝酸反应的过程如下：
下列说法不正确的是( )
A.过程Ⅰ中被还原的硝酸占反应硝酸总物质的量的四分之一
B.过程Ⅲ的反应速率比过程Ⅰ快的原因是NO2溶于水，使HNO3浓度增大
C.由实验可知，NO2对该反应可能具有催化作用
D.当活塞不再移动时，再抽入空气，铜可以继续溶解
过程Ⅰ中被还原的硝酸产物为NO，通过反应方程式可得出被还原的硝酸占反应硝酸总物质的量的四分之一，A项正确；过程Ⅲ中硝酸的浓度没有过程Ⅰ中大，因为部分硝酸转化成了一氧化氮，因此反应速率比过程Ⅰ快的原因不可能是c(HNO3)增大，B项错误；由实验可知，过程Ⅲ反应速率比Ⅰ快，说明NO2可能对该反应具有催化作用，C项正确；当活塞不再移动时，再抽入空气,NO与O2反应生成NO2，NO2溶于水生成稀硝酸，能够继续溶解铜,D项正确。
解析
13.(2025·广州联考)某小组探究NH3的催化氧化，实验装置如图所 示。③中气体颜色无明显变化，④中收集到红棕色气体，一段时间后，④中产生白烟。下列分析不正确的是( )
①中高锰酸钾受热制备氧气，装置②中氯化铵与氢氧化钙共热反应制备氨气，装置③中氨气在催化剂作用下与氧气发生催化氧化反应生成一氧化氮，装置④中反应生成的NO与过量的O2反应生成红棕色气体NO2，NO2与水蒸气反应生成硝酸，硝酸与氨气反应生成硝酸铵，会有白烟产生，装置⑤中氮的氧化物与氧气溶于水反应生成硝酸，硝酸与铜反应生成淡蓝色的硝酸铜溶液。由分析可知，③中气体颜色无明显变化，④中收集到红棕色气体，一段时间后产生白烟说明③中氨气在催化剂作用下与氧气发生催化氧化
解析
解析
高效破题——“三守恒”巧解金属与
硝酸反应计算题
微充电/素养提升
第二部分
【方法归纳】
硝酸与金属反应的计算方法
硝酸与金属反应时，金属被氧化生成金属阳离子，硝酸被还原为低价氮的化合物。所遵循的规律必须符合三个守恒：
1.得失电子要守恒。
根据这个守恒，往往求氮元素被还原后的价态，根据价态确定反应产物。
2.N元素守恒。
硝酸与金属活动性顺序中氢以后的金属发生作用时，浓硝酸的还原产物主要是NO2，稀硝酸的还原产物主要是NO。若金属和一定量浓硝酸恰好反应，则产生的气体为NO、NO2的混合气体，无论硝酸的还原产物是NO、NO2还是两者的混合物，n(HNO3)还原=n(气体)，n(HNO3)消耗=n(气体)+an(金属)(a为金属的化合价)或溶液中的N 和放出的NO(或NO2)中N元素的物质的量之和等于原HNO3的物质的量。
3.溶液中要符合电荷守恒。
Mn+和H+所带正电荷总数应等于N所带负电荷总数(因为这种溶液中OH-浓度很小，可被忽略)。
另外，如果变价金属与硝酸反应，例如Fe，Fe不足时生成Fe3+，Fe过量时生成Fe2+。
【母题】 足量铜溶于一定量的浓硝酸，产生NO2、N2O4、NO的混合气体，这些气体若与1.12 L O2(标准状况)混合后通入水中，气体被水完全吸收。若向原所得溶液中加入5 mol·L-1 H2SO4溶液100 mL，则继续溶解的Cu的质量为( )
A.6.4 g B.9.6 g
C.19.2 g D.24 g
解析
【衍生】 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。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 。
5.824
5.376
1.52 mol
(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。
57.8
解析
解析
微真题/把握方向
第三部分
考向一 硝酸的性质、制备
1.(2024·湖南卷)某学生按图示方法进行实验，观察到以下实验现象：
①铜丝表面缓慢放出气泡，锥形瓶内气体呈红棕色；
②铜丝表面气泡释放速度逐渐加快，气体颜色逐渐变深；
③一段时间后气体颜色逐渐变浅，至几乎无色；
④锥形瓶中液面下降，长颈漏斗中液面上升，最终铜丝与液面脱离接触，反应停止。
下列说法正确的是( )
A.开始阶段铜丝表面气泡释放速度缓慢，原因是铜丝在稀硝酸中表面钝化
B.锥形瓶内出现了红棕色气体，表明铜和稀硝酸反应生成了NO2
C.气体红棕色逐渐变浅的主要原因是3NO2+H2O===2HNO3+NO
D.铜丝与液面脱离接触，反应停止，原因是硝酸消耗完全
金属铜在稀硝酸中不会钝化，开始时反应速率较慢，可能的原因是铜表面有氧化铜，A项错误；由于装置内有空气，铜和稀硝酸反应生成的NO迅速被氧气氧化为红棕色的NO2，产生的NO2浓度逐渐增加，气体颜色逐渐变深，B项错误；装置内氧气逐渐被消耗，生成的NO2量逐渐达到最大值，同时装置内的NO2能与溶液中的H2O发生反应3NO2+H2O===2HNO3+NO，气体颜色变浅，C项正确；由于该装置为密闭体系，生成的NO无法排出，逐渐将锥形瓶内液体压入长颈漏斗，铜丝与液面脱离接触，反应停止，D项错误。
解析
2.(2024·北京卷)HNO3是一种重要的工业原料。可采用不同的氮源制备HNO3。
(1)方法一：早期以硝石(含NaNO3)为氮源制备HNO3，反应的化学方程式为H2SO4(浓)+NaNO3===NaHSO4+HNO3↑。该反应利用了浓硫酸的性质是酸性和 。
难挥发性
(2)方法二:以NH3为氮源催化氧化制备HNO3，反应原理分三步进行。
第Ⅰ步反应的化学方程式为 。
(3)人工固氮是高能耗的过程，结合N2分子结构解释原因：
______________________________________________________________________________。
N2中存在氮氮三键，键能大，断键时需要较大的能量，故人工固氮是高能耗的过程
解析
解析
4.(2022·江苏卷)氮及其化合物的转化具有重要应用。下列说法不正确的是( )
A.自然固氮、人工固氮都是将N2转化为NH3
B.侯氏制碱法以H2O、NH3、CO2、NaCl为原料制备NaHCO3和NH4Cl
C.工业上通过NH3催化氧化等反应过程生产HNO3
D.多种形态的氮及其化合物间的转化形成了自然界的“氮循环”
解析
2HNO3+NO、4NO2+O2+2H2O===4HNO3，C项正确；氮元素在自然界中既有游离态又有化合态，多种形态的氮及其化合物间的转化形成了自然界的“氮循环”，D项正确。
解析课时微练(十九) 硝酸 含氮物质的转化
基础训练
1.二十四节气是中国历法的独特创造。四月农谚“雷雨肥田”“雨生百谷”描述的都是节气谷雨。下列元素在自然界中的转化与“雷雨肥田”有关的是( )
A.K B.N C.P D.C
2.我国清代《本草纲目拾遗》中记叙无机药物335种,其中“强水”条目下写道:“性最烈,能蚀五金……其水甚强,五金八石皆能穿第,惟玻璃可盛。”这里的“强水”是指硝酸,下列有关硝酸的相关描述正确的是( )
A.浓硝酸保存于无色试剂瓶中
B.向装有Fe(NO3)2溶液的试管中加入稀硫酸,可在试管口观察到红棕色气体
C.常温下,浓硝酸可以用铝制容器储存,说明浓硝酸与铝不反应
D.稀硝酸与金属反应时,可被还原为更低价态,说明稀硝酸的氧化性强于浓硝酸
3.铜粉放入稀硫酸溶液中,加热后无明显现象发生。当加入一种盐后,铜粉的质量减少,溶液呈蓝色,同时有气体逸出。该盐是( )
A.硫酸铁 B.碳酸钠
C.硝酸钾 D.硫酸亚铁
4.为解决铜与稀硝酸反应过程中装置内氧气对实验现象的干扰,以及实验后装置内氮氧化物无法全部排出进行绿色化处理等问题,某实验小组对装置进行了改造。改造后的装置如图所示(注:图中的试管底部有小孔)。下列说法错误的是( )
A.实验开始时先拉注射器A的活塞,其目的是除去反应前试管内的空气
B.注射器B可用于调节或平衡广口瓶内气体的压强
C.该实验装置可通过控制止水夹和注射器来控制反应的开始与停止
D.反应停止后,打开止水夹、缓慢拉动注射器A即可将试管内的氮氧化物全部排入注射器A中
5.将3.2 g铜投入一定物质的量浓度的硝酸溶液中,恰好完全反应,产生的二氧化氮和一氧化氮混合气体的物质的量共0.08 mol,原溶液中硝酸的物质的量为( )
A.0.08 mol B.0.18 mol
C.0.13 mol D.0.05 mol
6.将铜丝伸入盛有浓硝酸的具支试管中(如图所示,夹持装置已略去)进行实验,下列说法错误的是( )
A.反应进行一段时间后,具支试管中的气体可能为NO2和NO
B.铜丝绕成螺旋状的目的是增大反应物接触面积
C.反应进行一段时间后,烧杯中的溶质可能含NaNO3和NaNO2
D.该实验中浓硝酸主要体现强氧化性和脱水性
7.如图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图,下列说法错误的是( )
A.合成塔中发生的反应为氧化还原反应
B.向吸收塔中通入A是为了氧化NO
C.盛装浓硝酸的罐体材料可选择铜
D.尾气中的氮氧化物可用Na2CO3溶液吸收
8.Cu和浓硝酸反应生成氮氧化物,这些氮氧化物与图中NaOH溶液恰好完全反应生成NaNO3和NaNO2的混合溶液,反应过程及有关数据如图所示:
下列有关判断正确的是( )
A.标准状况下收集到的氮氧化物为22.4 L
B.该反应中浓硝酸只起到氧化剂的作用
C.浓硝酸和铜片需要在加热条件下才能反应
D.如果铜片溶解12.8 g,则生成1.0 mol的NaNO3
9.通常来说浓度12 mol·L-1以上的硝酸称为浓硝酸。Cu与硝酸反应时,硝酸的浓度不同,产物也不同。如图为3 mol Cu与足量14 mol·L-1硝酸反应的关系图,你认为合理的是( )
A.a B.b
C.c D.均不合理
10.实验室常利用难挥发性酸制备易挥发性酸的原理,用浓硫酸与硝石(NaNO3)反应制备HNO3,反应装置如图所示。下列说法错误的是( )
A.该装置不用橡皮塞和橡胶管,可避免被酸腐蚀
B.反应方程式为NaNO3+H2SO4(浓)NaHSO4+HNO3↑
C.反应温度如果过高,制得的HNO3可能会呈现黄色
D.制得的硝酸可用无色透明洁净的试剂瓶盛装
11.(2025·铜川模拟)实验室利用以下装置配制2 mol·L-1的稀硝酸并制取NO,其中装置及操作均正确且能达到实验目的的是( )
甲 乙 丙 丁
A.用装置甲制备NO气体
B.用装置乙收集NO气体
C.用装置丙进行NO的尾气吸收
D.用装置丁配制100 mL 2 mol·L-1HNO3溶液
能力训练
12.一定条件下,含氮元素的物质可发生如图所示的循环转化。
回答下列问题:
(1)氮原子的结构示意图为__________。
(2)图中属于“氮的固定”的是__________(填字母,下同);转化过程中发生非氧化还原反应的是________________。
(3)若“反应h”是在NO2与H2O的作用下实现,则该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为________。
(4)若“反应i”是在酸性条件下由N与Zn的作用实现,则该反应的离子方程式为________________________________。
13.1.52 g铜镁合金完全溶解于50 mL密度为1.40 g·mL-1、质量分数为63%的浓硝酸中,得到NO2和N2O4的混合气体0.05 mol,向反应后的溶液中加入V mL 3.20 mol·L-1 NaOH溶液,恰好使金属离子全部沉淀,共得到2.54 g沉淀。
已知:①不考虑反应过程中质量的损失;②不考虑溶液体积的变化。
回答下列问题:
(1)硝酸中氮元素的化合价为________价。
(2)得到0.05 mol由NO2和N2O4组成的混合气体时:
①NO2气体的颜色为________。
②n(N2O4)=________ mol。
③此时浓硝酸________(填“已”或“未”)反应完,若未反应完,剩余浓硝酸的物质的量浓度为________ mol·L-1(若答已反应完,此空可不用填)。
(3)2.54 g沉淀的成分为Cu(OH)2和Mg(OH)2:
①该沉淀中m[Cu(OH)2]=________ g。
②V=________。
(4)反应结束后所得的溶液中,溶质的物质的量浓度为________ mol·L-1。
14.某小组进行铜与浓硝酸反应的实验后,观察到反应剧烈进行,铜丝逐渐变细,溶液变绿,试管上方出现红棕色气体。小组成员试图探究溶液变绿的可能性。
(1)铜与浓硝酸反应的化学方程式为____________________________________________________________。
(2)甲同学推测溶液显绿色的原因是NO2在溶液中达到饱和,NO2的饱和溶液呈黄色,硝酸铜稀溶液呈蓝色,两者混合后呈绿色。
①甲同学取少量该绿色溶液,向其中加入适量水后溶液变为蓝色,可能的原因是____________________________________________(用化学方程式表示)。
②乙同学认为甲同学所做实验不足以支撑他的推测,还有可能是____________________________________。
③丙同学进一步探究反应后溶液呈绿色是否与NO2的溶解有关,设计实验:用不同气体将反应后溶液中的NO2赶出,观察并分析现象。实验记录如下:
注:实验过程中气体流速均已保持一致
实验编号 1 2 3
通入气体 N2 CO2 O2
实验现象 大量红棕色气体逸出,约25 min后溶液变为蓝色 大量红棕色气体逸出,约25 min后溶液变为蓝色 大量红棕色气体逸出,约5 min后溶液变为蓝色
实验2不能将大理石与稀盐酸反应产生的气体直接通入溶液中,说明原因:________________________________________________________________________。
该实验说明反应后的溶液呈绿色的主要原因________(填“是”或“不是”)NO2的溶解所导致的。
(3)丁同学结合上述实验继续推测溶液显绿色源于铜的亚硝酸化合物,铜和浓硝酸的反应过程中还生成了亚硝酸,进而与Cu2+结合形成绿色物质。资料显示[Cu(NO2)4]2-为绿色。
①查阅资料后发现尿素[CO(NH2)2]可以和亚硝酸发生反应但不会影响NO2的生成,在与亚硝酸的反应中可生成两种无污染的气体,其化学方程式为____________________________________。
②丙同学往反应结束后的试管中加入一勺尿素,溶液立刻恢复蓝色。随后小组成员又做了补充实验:在铜和浓硝酸反应开始前,提前加入一定量的尿素,反应现象变为________________________,则说明丁同学的推测具有一定科学性。
15.(2025·周口模拟)某兴趣小组设计实验验证铜与浓硝酸、稀硝酸的反应,装置如图所示(夹持装置未画出):
实验一:验证铜与浓硝酸的反应
按图示连接好装置,________后,装入药品,关闭K2、K3,打开K1,一段时间后,再关闭K1,打开K2,加入足量的浓硝酸。
实验二:验证铜与稀硝酸的反应
待装置B中反应完全后……
回答下列有关问题:
(1)实验一中的横线上应填入的内容是________________________________;装置B中装浓硝酸的仪器名称是____________。
(2)实验一中“关闭K2、K3,打开K1”的目的是____________________________________。
(3)装置B中发生反应的离子方程式为______________________________________________。
(4)实验二的后续操作顺序为________(填字母),打开止水夹后装置C的具支试管中的现象为________________________。
a.打开止水夹
b.打开K1
c.打开K3,加入蒸馏水
d.关闭K1
e.插入铜丝
(5)实验结束后,有同学观察到装置B中溶液呈绿色,装置C中溶液呈蓝色。小组同学认为颜色不同的原因可能如下:
猜想1:硝酸铜溶液的物质的量浓度不同,溶液颜色不同,浓度小时呈蓝色,浓度大时呈绿色。
猜想2:NO2溶解在硝酸铜溶液中,导致溶液颜色不同。
继续实验,打开K1,一段时间后,装置B中溶液变为蓝色,说明______可能成立,请设计实验验证另一猜想的可能性:______________________________________________________________________________________。
课时微练(十九) 硝酸 含氮物质的转化
1.B 解析 “雷雨肥田”的意思是在放电条件下N2和O2反应生成NO,NO与O2反应生成NO2,NO2与水反应生成HNO3,HNO3随雨水降落与土壤中的物质反应生成硝酸盐,硝酸盐作为氮肥被农作物吸收,B项正确。
2.B 解析 浓硝酸见光会分解,要保存在棕色试剂瓶中,A项错误;酸性溶液中硝酸根离子有强氧化性,与亚铁离子发生氧化还原反应生成一氧化氮,一氧化氮在试管口与氧气反应生成二氧化氮,可在试管口观察到红棕色气体,B项正确;常温下,铝在浓硝酸中发生钝化,所以浓硝酸可以用铝制容器储存,C项错误;稀硝酸与金属反应时,稀硝酸被还原为一氧化氮,反应较慢,浓硝酸被还原为二氧化氮,反应较快,所以稀硝酸的氧化性比浓硝酸弱,D项错误。
3.C 解析 Cu与Fe3+反应无气体生成,A项错误;Cu与稀硫酸不反应,加入Na2CO3时与酸反应生成二氧化碳气体,但Cu不溶解,B项错误;Cu、稀硫酸、KNO3混合时发生反应3Cu+8H++2N===3Cu2++2NO↑+4H2O,则铜粉质量减小,同时溶液逐渐变为蓝色,且有气体逸出,C项正确;Cu、稀硫酸、FeSO4混合时不发生反应,D项错误。
4.D 解析 拉注射器A可将试管中的气体排出,同时使试管中的液面上升,A项正确;拉注射器B可降低广口瓶中的压强,推注射器B可增大气体压强,B项正确;该实验装置可通过控制止水夹和注射器来控制反应的开始与停止,C项正确;反应停止后,提拉粗铜丝,使粗铜丝下端靠近软胶塞A,再打开止水夹,缓慢拉注射器A的活塞,可观察到试管内的无色气体被吸入注射器A内,试管内稀硝酸液面逐渐上升,注射器B活塞缓慢向内移动,如不提拉铜丝会继续反应,D项错误。
5.B 解析 在铜与硝酸的反应中,硝酸表现氧化性和酸性,n(HNO3)=n(气体)+2×n[Cu(NO3)2],所以n(HNO3)=0.08 mol+×2=0.18 mol,故选B。
思维建模 金属与硝酸反应计算的思维模型
6.D 解析 浓硝酸和铜反应生成二氧化氮,随着反应进行,硝酸变稀,生成一氧化氮,A项正确;铜丝绕成螺旋状,和硝酸接触更加充分,反应更加充分,B项正确;反应开始时,为浓硝酸和铜反应生成二氧化氮,二氧化氮和氢氧化钠反应生成NaNO3和NaNO2,C项正确;该实验中浓硝酸主要体现强氧化性和酸性,不体现脱水性,D项错误。
7.C 解析 氮气和氢气发生氧化还原反应生成氨气,分离出的氨气被氧气氧化为一氧化氮,一氧化氮和氧气、水反应生成硝酸,故A为氧气。由分析可知,合成塔中发生的反应为氧化还原反应,A项正确;由分析可知,A为氧气,向吸收塔中通入A是为了氧化NO,B项正确;铜和浓硝酸在常温下能够反应,C项错误;碳酸钠溶液显碱性,氮氧化物能被碱性溶液吸收,故尾气中的氮氧化物可用Na2CO3溶液吸收,D项正确。
8.D 解析 NO2、N2O4在标准状况下不是气体,在标准状况下收集的氮氧化物的体积小于22.4 L,A项错误;浓硝酸与Cu反应生成硝酸铜、氮氧化物,硝酸表现酸性和强氧化性,B项错误;浓硝酸和Cu在常温下就能反应生成硝酸铜、氮氧化物,C项错误;根据反应过程可知仅有两种元素的化合价发生变化,即Cu→Cu2+、HNO3→NaNO2,12.8 g Cu的物质的量为=0.2 mol,根据得失电子守恒,n(NaNO2)×2=n(Cu)×2,因此n(NaNO2)=0.2 mol,根据钠元素守恒,n(NaNO3)=0.6 L×2 mol·L-1-0.2 mol=1.0 mol,D项正确。
9.B 解析 Cu与浓硝酸反应的方程式为Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,可得关系式1 mol Cu~4 mol浓硝酸~2 mol NO2,但随着反应的进行,浓硝酸逐渐变稀,发生的反应为3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,可得关系式3 mol Cu~8 mol稀硝酸~2 mol NO,也就是说3 mol Cu完全消耗时,产生气体的量小于6 mol,但是会大于2 mol,曲线b满足条件,故选B。
10.D 解析 浓酸能腐蚀橡皮塞和橡胶管,该装置不用橡皮塞和橡胶管,可避免被酸腐蚀,A项正确;该实验利用高沸点的浓硫酸制备低沸点的硝酸,反应方程式为NaNO3+H2SO4(浓)NaHSO4+HNO3↑,B项正确;硝酸在温度过高时能分解生成二氧化氮、氧气和水,NO2溶于水呈黄色,C项正确;硝酸见光易分解,所以应避光保存,应存放在棕色试剂瓶中,D项错误。
11.B 解析 装置甲使用了长颈漏斗,会造成NO泄露,A项错误;NO难溶于水,可用排水法收集NO气体,B项正确;NO不与NaOH溶液反应,不能被吸收,C项错误;定容时应用胶头滴管滴加蒸馏水,D项错误。
12.答案 (1) (2)k和c a和l (3)2∶1
(4)4Zn+2N+10H+===4Zn2++N2O↑+5H2O
解析 (2)氮的固定是游离态的氮转化成为化合态的氮,根据题图可知,属于氮的固定的是k和c;发生非氧化还原反应,说明反应前后各元素化合价没有发生变化,则属于非氧化还原反应的是a和l。(3)反应h的化学方程式为3NO2+H2O===2HNO3+NO,氧化产物是HNO3,还原产物是NO,因此氧化产物和还原产物的物质的量之比为2∶1。(4)根据电荷守恒、得失电子守恒以及原子守恒,配平离子方程式为4Zn+2N+10H+===4Zn2++N2O↑+5H2O。
13.答案 (1)+5 (2)①红棕色 ②0.01 ③未 11.6
(3)①1.96 ②200 (4)2.56
解析 (1)硝酸中H元素的化合价为+1价,O元素的化合价为-2价,根据正、负化合价代数和为零可得,N元素的化合价为+5价。(2)①NO2为红棕色气体。②金属离子全部沉淀时得到的2.54 g沉淀为氢氧化铜、氢氧化镁,故沉淀中氢氧根离子的质量为2.54 g-1.52 g=1.02 g,氢氧根离子的物质的量为=0.06 mol,根据电荷守恒可知,金属提供的电子的物质的量等于氢氧根离子的物质的量,标准状况下,NO2和N2O4混合气体的物质的量为0.05 mol,设二氧化氮的物质的量为a mol,则四氧化二氮的物质的量为(0.05-a)mol,根据电子转移守恒可知,a×1+(0.05-a)×2×1=0.06,解得a=0.04,则n(N2O4)=0.01 mol。③加入的浓硝酸的质量是50 mL×1.40 g·mL-1=70 g,含有硝酸的质量是70 g×63%=44.1 g,物质的量是44.1 g÷63 g·mol-1=0.7 mol。设铜、镁的物质的量分别为x mol、y mol,则64x+24y=1.52(质量之和是1.52 g),98x+58y=2.54(氢氧化物质量之和是2.54 g),联立二式,解得x=0.02,y=0.01。0.02 mol铜和0.01 mol镁转化成对应的硝酸盐,参与成盐的硝酸根离子是0.06 mol,生成氮氧化物消耗0.06 mol硝酸,所以硝酸总共消耗0.12 mol,未反应完。剩余硝酸0.7 mol-0.12 mol=0.58 mol,浓度是=11.6 mol·L-1。(3)①根据铜原子守恒,氢氧化铜有0.02 mol,质量是0.02 mol×98 g·mol-1=1.96 g。②加入的氢氧化钠要与硝酸中和,然后和金属离子反应生成沉淀,中和反应消耗0.58 mol氢氧化钠,生成沉淀消耗0.06 mol,共需要0.64 mol氢氧化钠,溶液体积V==0.2 L=200 mL。(4)所得溶液中含有0.64 mol硝酸钠,浓度为=2.56 mol·L-1。
14.答案 (1)Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
(2)①3NO2+H2O===2HNO3+NO ②硝酸铜浓溶液呈绿色,稀溶液呈蓝色 ③制得的CO2中存在HCl气体杂质,通入反应后的溶液,Cl-可与铜离子结合生成黄色的[CuCl4]2-,影响实验结论 不是
(3)①CO(NH2)2+2HNO2===2N2↑+CO2↑+3H2O ②铜迅速溶解,生成大量红棕色气体,溶液变为蓝色
解析 (2)①加入适量水后,NO2被反应掉,所以颜色变为蓝色,用化学方程式表示为3NO2+H2O===2HNO3+NO;②还可能是硝酸铜溶液被稀释,颜色发生改变;③石灰石和稀盐酸制取二氧化碳,盐酸易挥发,制得的CO2中可能存在HCl气体杂质,通入反应后的溶液,Cl-可与铜离子配合生成黄色的[CuCl4]2-,影响实验结论;通入三种不同气体后,实验1、2和3的现象不相同,大量红棕色气体逸出后溶液没有立刻变蓝,故该实验说明反应后的溶液呈绿色的主要原因不是二氧化氮的溶解导致。(3)①尿素可以和亚硝酸反应生成两种无污染的气体,可推出气体为N2和CO2,其反应的化学方程式为CO(NH2)2+2HNO2===2N2↑+CO2↑+3H2O;②在铜和浓硝酸反应开始前,提前加入一定量的尿素,则反应现象变为铜迅速溶解,生成大量红棕色气体,溶液变为蓝色。
15.答案 (1)检验装置的气密性 分液漏斗 (2)排尽装置内的空气,防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化 (3)Cu+2N+4H+===Cu2++2NO2↑+2H2O (4)cbdea 液面上方出现红棕色气体 (5)猜想2 取适量装置C中的溶液于试管中,加入Cu(NO3)2固体,若溶液变为绿色,说明猜想1成立
解析 研究铜与浓、稀硝酸反应的差异,先利用二氧化碳将装置中的空气排出,防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化,装置B中滴加浓硝酸时Cu与浓硝酸反应生成二氧化氮,在C中验证铜和稀硝酸的反应,最后尾气处理,以此来解答。(1)装置连接后首先需要做的是检验装置的气密性;装置B中装浓硝酸的仪器名称是分液漏斗。(2)由于装置中含有空气,会干扰NO检验,所以实验一中“关闭K2、K3,打开K1”的目的是排尽装置内的空气,防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化。(3)装置B中浓硝酸和铜反应生成硝酸铜、二氧化氮和水,发生反应的离子方程式为Cu+2N+4H+===Cu2++2NO2↑+2H2O。(4)先打开K3,加入蒸馏水充分吸收生成的NO2气体,之后打开K1通入CO2,排尽装置内生成的NO气体,防止干扰实验,关闭K1后,插入铜丝使之与稀硝酸反应,再打开止水夹,使生成的气体与O2接触。打开止水夹后氧气把NO氧化为二氧化氮,则装置C的具支试管中的现象为液面上方出现红棕色气体。(5)继续实验,打开K1,一段时间后,装置B中溶液变为蓝色,由于A装置中二氧化碳把二氧化氮带出,因此说明猜想2可能成立,要验证猜想1的可能性,实验方案为取装置C中的溶液适量于试管中,加入Cu(NO3)2固体,若溶液变为绿色,说明猜想1成立。(共46张PPT)
课时微练(十九)
硝酸 含氮物质的转化
1.二十四节气是中国历法的独特创造。四月农谚“雷雨肥田”“雨生百谷”描述的都是节气谷雨。下列元素在自然界中的转化与“雷雨肥田”有关的是( )
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“雷雨肥田”的意思是在放电条件下N2和O2反应生成NO，NO与O2反应生成NO2，NO2与水反应生成HNO3，HNO3随雨水降落与土壤中的物质反应生成硝酸盐，硝酸盐作为氮肥被农作物吸收，B项正确。
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2.我国清代《本草纲目拾遗》中记叙无机药物335种，其中“强水”条目下写道：“性最烈，能蚀五金……其水甚强，五金八石皆能穿第，惟玻璃可盛。”这里的“强水”是指硝酸，下列有关硝酸的相关描述正确的是( )
A.浓硝酸保存于无色试剂瓶中
B.向装有Fe(NO3)2溶液的试管中加入稀硫酸，可在试管口观察到红棕色气体
C.常温下，浓硝酸可以用铝制容器储存，说明浓硝酸与铝不反应
D.稀硝酸与金属反应时，可被还原为更低价态，说明稀硝酸的氧化性强于浓硝酸
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浓硝酸见光会分解，要保存在棕色试剂瓶中，A项错误；酸性溶液中硝酸根离子有强氧化性，与亚铁离子发生氧化还原反应生成一氧化氮，一氧化氮在试管口与氧气反应生成二氧化氮，可在试管口观察到红棕色气体，B项正确；常温下，铝在浓硝酸中发生钝化，所以浓硝酸可以用铝制容器储存，C项错误；稀硝酸与金属反应时，稀硝酸被还原为一氧化氮，反应较慢，浓硝酸被还原为二氧化氮，反应较快，所以稀硝酸的氧化性比浓硝酸弱，D项错误。
解析
3.铜粉放入稀硫酸溶液中，加热后无明显现象发生。当加入一种盐 后，铜粉的质量减少，溶液呈蓝色，同时有气体逸出。该盐是( )
A.硫酸铁 B.碳酸钠 C.硝酸钾 D.硫酸亚铁
Cu与Fe3+反应无气体生成，A项错误；Cu与稀硫酸不反应，加入Na2CO3时与酸反应生成二氧化碳气体，但Cu不溶解，B项错误；Cu、稀硫酸、KNO3混合时发生反应3Cu+8H++2N===3Cu2++ 2NO↑+4H2O,则铜粉质量减小,同时溶液逐渐变为蓝色,且有气体逸出，C项正确；Cu、稀硫酸、FeSO4混合时不发生反应,D项错误。
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4.为解决铜与稀硝酸反应过程中装置内氧气对实验现象的干扰，以及实验后装置内氮氧化物无法全部排出进行绿色化处理等问题，某实验小组对装置进行了改造。改造后的装置如图所示(注：图中的试管底部有小孔)。下列说法错误的是( )
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A.实验开始时先拉注射器A的活塞，其目的是除去反应前试管内的空气
B.注射器B可用于调节或平衡广口瓶内气体的压强
C.该实验装置可通过控制止水夹和注射器来控制反应的开始与停止
D.反应停止后，打开止水夹、缓慢拉动注射器A即可将试管内的氮氧化物全部排入注射器A中
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拉注射器A可将试管中的气体排出，同时使试管中的液面上升，A项正确；拉注射器B可降低广口瓶中的压强，推注射器B可增大气体压强，B项正确；该实验装置可通过控制止水夹和注射器来控制反应的开始与停止，C项正确；反应停止后，提拉粗铜丝，使粗铜丝下端靠近软胶塞A，再打开止水夹，缓慢拉注射器A的活 塞，可观察到试管内的无色气体被吸入注射器A内，试管内稀硝酸液面逐渐上升，注射器B活塞缓慢向内移动，如不提拉铜丝会继续反应，D项错误。
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5.将3.2 g铜投入一定物质的量浓度的硝酸溶液中，恰好完全反应，产生的二氧化氮和一氧化氮混合气体的物质的量共0.08 mol，原溶液中硝酸的物质的量为( )
A.0.08 mol B.0.18 mol C.0.13 mol D.0.05 mol
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在铜与硝酸的反应中,硝酸表现氧化性和酸性，n(HNO3)=n(气体)+ 2×n[Cu(NO3)2]，所以n(HNO3)=0.08 mol+×2=0.18 mol，故选B。
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思维建模
金属与硝酸反应计算的思维模型
6.将铜丝伸入盛有浓硝酸的具支试管中(如图所示，夹持装置已略去)进行实验，下列说法错误的是( )
A.反应进行一段时间后，具支试管中的气体可能为NO2和NO
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B.铜丝绕成螺旋状的目的是增大反应物接触面积
C.反应进行一段时间后，烧杯中的溶质可能含NaNO3和NaNO2
D.该实验中浓硝酸主要体现强氧化性和脱水性
浓硝酸和铜反应生成二氧化氮，随着反应进行，硝酸变稀，生成一氧化氮，A项正确；铜丝绕成螺旋状，和硝酸接触更加充分，反应更加充分，B项正确；反应开始时，为浓硝酸和铜反应生成二氧化氮，二氧化氮和氢氧化钠反应生成NaNO3和NaNO2，C项正确；该实验中浓硝酸主要体现强氧化性和酸性，不体现脱水性，D项错误。
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7.如图为合成氨以及氨氧化制硝酸的流程示意图，下列说法错误的是
( )
A.合成塔中发生的反应为氧化还原反应
B.向吸收塔中通入A是为了氧化NO
C.盛装浓硝酸的罐体材料可选择铜
D.尾气中的氮氧化物可用Na2CO3溶液吸收
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氮气和氢气发生氧化还原反应生成氨气，分离出的氨气被氧气氧化为一氧化氮,一氧化氮和氧气、水反应生成硝酸，故A为氧气。由分析可知，合成塔中发生的反应为氧化还原反应，A项正确；由分析可知，A为氧气，向吸收塔中通入A是为了氧化NO，B项正确；铜和浓硝酸在常温下能够反应，C项错误；碳酸钠溶液显碱性，氮氧化物能被碱性溶液吸收，故尾气中的氮氧化物可用Na2CO3溶液吸收，D项正确。
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8.Cu和浓硝酸反应生成氮氧化物，这些氮氧化物与图中NaOH溶液恰好完全反应生成NaNO3和NaNO2的混合溶液，反应过程及有关数据如图所示：
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下列有关判断正确的是( )
A.标准状况下收集到的氮氧化物为22.4 L
B.该反应中浓硝酸只起到氧化剂的作用
C.浓硝酸和铜片需要在加热条件下才能反应
D.如果铜片溶解12.8 g，则生成1.0 mol的NaNO3
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9.通常来说浓度12 mol·L-1以上的硝酸称为浓硝酸。Cu与硝酸反应时，硝酸的浓度不同，产物也不同。如图为3 mol Cu与足量14 mol·L-1硝酸反应的关系图，你认为合理的是( )
A.a B.b
C.c D.均不合理
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Cu与浓硝酸反应的方程式为Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+ 2H2O，可得关系式1 mol Cu~4 mol浓硝酸~2 mol NO2，但随着反应的进行，浓硝酸逐渐变稀，发生的反应为3Cu+8HNO3(稀)=== 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O，可得关系式3 mol Cu~8 mol稀硝酸~
2 mol NO，也就是说3 mol Cu完全消耗时，产生气体的量小于
6 mol，但是会大于2 mol，曲线b满足条件，故选B。
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10.实验室常利用难挥发性酸制备易挥发性酸的原理，用浓硫酸与硝石(NaNO3)反应制备HNO3，反应装置如图所示。下列说法错误的是( )
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11.(2025·铜川模拟)实验室利用以下装置配制2 mol·L-1的稀硝酸并制取NO，其中装置及操作均正确且能达到实验目的的是( )
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A.用装置甲制备NO气体
B.用装置乙收集NO气体
C.用装置丙进行NO的尾气吸收
D.用装置丁配制100 mL 2 mol·L-1 HNO3溶液
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装置甲使用了长颈漏斗,会造成NO泄露，A项错误；NO难溶于水,可用排水法收集NO气体，B项正确；NO不与NaOH溶液反应,不能被吸收，C项错误；定容时应用胶头滴管滴加蒸馏水，D项错误。
解析
12.一定条件下，含氮元素的物质可发生如图所示的循环转化。
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能力训练
回答下列问题：
(1)氮原子的结构示意图为 。
(2)图中属于“氮的固定”的是 (填字母，下同)；转化过程中发生非氧化还原反应的是 。
(3)若“反应h”是在NO2与H2O的作用下实现，则该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为 。
(4)若“反应i”是在酸性条件下由N与Zn的作用实现，则该反应的离子方程式为 。
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k和c
a和l
2∶1
4Zn+2N+10H+===4Zn2++N2O↑+5H2O
(2)氮的固定是游离态的氮转化成为化合态的氮，根据题图可知，属于氮的固定的是k和c；发生非氧化还原反应，说明反应前后 各元素化合价没有发生变化，则属于非氧化还原反应的是a和l。(3)反应h的化学方程式为3NO2+H2O===2HNO3+NO，氧化产物是HNO3，还原产物是NO，因此氧化产物和还原产物的物质的量之比为2∶1。(4)根据电荷守恒、得失电子守恒以及原子守恒，配平离子方程式为4Zn+2N+10H+===4Zn2++N2O↑+5H2O。
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13.1.52 g铜镁合金完全溶解于50 mL密度为1.40 g·mL-1、质量分数为63%的浓硝酸中，得到NO2和N2O4的混合气体0.05 mol，向反应后的溶液中加入V mL 3.20 mol·L-1 NaOH溶液，恰好使金属离子全部沉淀，共得到2.54 g沉淀。
已知：①不考虑反应过程中质量的损失；②不考虑溶液体积的变 化。
回答下列问题：
(1)硝酸中氮元素的化合价为 价。
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+5
(2)得到0.05 mol由NO2和N2O4组成的混合气体时：
①NO2气体的颜色为 。
②n(N2O4)= mol。
③此时浓硝酸 (填“已”或“未”)反应完，若未反应完，剩余浓硝酸的物质的量浓度为 mol·L-1(若答已反应完，此空可不用填)。
(3)2.54 g沉淀的成分为Cu(OH)2和Mg(OH)2：
①该沉淀中m[Cu(OH)2]= g。
②V= 。
(4)反应结束后所得的溶液中,溶质的物质的量浓度为 mol·L-1。
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红棕色
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未
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质的量为a mol,则四氧化二氮的物质的量为(0.05-a)mol,根据电子转移守恒可知,a×1+(0.05-a)×2×1=0.06，解得a=0.04，则n(N2O4)= 0.01 mol。③加入的浓硝酸的质量是50 mL×1.40 g·mL-1=70 g,含有硝酸的质量是70 g×63%=44.1 g,物质的量是44.1 g÷63 g·mol-1= 0.7 mol。设铜、镁的物质的量分别为x mol、y mol，则64x+24y=1.52(质量之和是1.52 g)，98x+58y=2.54(氢氧化物质量之和是2.54 g),联立二式，解得x=0.02，y=0.01。0.02 mol铜和0.01 mol镁转化成对应的硝酸盐，参与成盐的硝酸根离子是0.06 mol，生成
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14.某小组进行铜与浓硝酸反应的实验后，观察到反应剧烈进行，铜丝逐渐变细，溶液变绿，试管上方出现红棕色气体。小组成员试图探究溶液变绿的可能性。
(1)铜与浓硝酸反应的化学方程式为
。
(2)甲同学推测溶液显绿色的原因是NO2在溶液中达到饱和，NO2的饱和溶液呈黄色，硝酸铜稀溶液呈蓝色，两者混合后呈绿色。
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Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
①甲同学取少量该绿色溶液，向其中加入适量水后溶液变为蓝色，可能的原因是 (用化学方程式表示)。
②乙同学认为甲同学所做实验不足以支撑他的推测，还有可能是__________________________________。
③丙同学进一步探究反应后溶液呈绿色是否与NO2的溶解有关，设计实验：用不同气体将反应后溶液中的NO2赶出，观察并分析现象。实验记录如下：
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3NO2+H2O===2HNO3+NO
硝酸铜浓溶液呈绿色，稀溶液呈蓝色
注：实验过程中气体流速均已保持一致
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实验编号 1 2 3
通入气体 N2 CO2 O2
实验现象 大量红棕色气体逸出，约25 min后溶液变为蓝色 大量红棕色气体逸出，约25 min后溶液变为蓝色 大量红棕色气体逸出，约5 min后溶液变为蓝色
实验2不能将大理石与稀盐酸反应产生的气体直接通入溶液中，说明原因：_____________________________________________________
_______________________________________________。
该实验说明反应后的溶液呈绿色的主要原因 (填“是”或“不是”) NO2的溶解所导致的。
(3)丁同学结合上述实验继续推测溶液显绿色源于铜的亚硝酸化合 物，铜和浓硝酸的反应过程中还生成了亚硝酸，进而与Cu2+结合形成绿色物质。资料显示[Cu(NO2)4]2-为绿色。
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制得的CO2中存在HCl气体杂质，通入反应后的溶液，Cl-可与铜离子结合生成黄色的[CuCl4]2-，影响实验结论
不是
①查阅资料后发现尿素[CO(NH2)2]可以和亚硝酸发生反应但不会影响NO2的生成，在与亚硝酸的反应中可生成两种无污染的气体，其化学方程式为 。
②丙同学往反应结束后的试管中加入一勺尿素，溶液立刻恢复蓝 色。随后小组成员又做了补充实验：在铜和浓硝酸反应开始前，提前加入一定量的尿素，反应现象变为___________________________
，则说明丁同学的推测具有一定科学性。
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CO(NH2)2+2HNO2===2N2↑+CO2↑+3H2O
铜迅速溶解，生成大量红棕色气体，溶液变为蓝色
(2)①加入适量水后，NO2被反应掉，所以颜色变为蓝色，用化学方程式表示为3NO2+H2O===2HNO3+NO；②还可能是硝酸铜溶液被稀释，颜色发生改变；③石灰石和稀盐酸制取二氧化碳，盐酸易挥发，制得的CO2中可能存在HCl气体杂质，通入反应后的溶 液，Cl-可与铜离子配合生成黄色的[CuCl4]2-，影响实验结论；通入三种不同气体后，实验1、2和3的现象不相同，大量红棕色气体逸出后溶液没有立刻变蓝，故该实验说明反应后的溶液呈绿色的
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主要原因不是二氧化氮的溶解导致。(3)①尿素可以和亚硝酸反应生成两种无污染的气体，可推出气体为N2和CO2，其反应的化学方程式为CO(NH2)2+2HNO2===2N2↑+CO2↑+3H2O；②在铜和浓硝酸反应开始前，提前加入一定量的尿素，则反应现象变为铜迅速溶解，生成大量红棕色气体，溶液变为蓝色。
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15.(2025·周口模拟)某兴趣小组设计实验验证铜与浓硝酸、稀硝酸的反应，装置如图所示(夹持装置未画出)：
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实验一：验证铜与浓硝酸的反应
按图示连接好装置，__________后，装入药品，关闭K2、K3，打开K1，一段时间后，再关闭K1，打开K2，加入足量的浓硝酸。
实验二：验证铜与稀硝酸的反应
待装置B中反应完全后……
回答下列有关问题：
(1)实验一中的横线上应填入的内容是 ；装置B中装浓硝酸的仪器名称是 。
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检验装置的气密性
分液漏斗
(2)实验一中“关闭K2、K3，打开K1”的目的是_____________________
。
(3)装置B中发生反应的离子方程式为
____________________________________。
(4)实验二的后续操作顺序为 (填字母)，打开止水夹后装置C的具支试管中的现象为 。
a.打开止水夹 b.打开K1
c.打开K3，加入蒸馏水 d.关闭K1
e.插入铜丝
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排尽装置内的空气，防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化
Cu+2N+4H+===Cu2++2NO2↑+2H2O
cbdea
液面上方出现红棕色气体
(5)实验结束后，有同学观察到装置B中溶液呈绿色，装置C中溶液呈蓝色。小组同学认为颜色不同的原因可能如下：
猜想1：硝酸铜溶液的物质的量浓度不同，溶液颜色不同，浓度小时呈蓝色，浓度大时呈绿色。
猜想2：NO2溶解在硝酸铜溶液中，导致溶液颜色不同。
继续实验，打开K1，一段时间后，装置B中溶液变为蓝色，说明_________可能成立，请设计实验验证另一猜想的可能性：________
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猜想2
取适量装置C中的溶液于试管中，加入Cu(NO3)2固体，若溶液变为绿色，说明猜想1成立
研究铜与浓、稀硝酸反应的差异，先利用二氧化碳将装置中的空气排出，防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化，装置B中滴加浓硝酸时Cu与浓硝酸反应生成二氧化氮，在C中验证铜和稀硝酸的反应，最后尾气处理，以此来解答。(1)装置连接后首先需要做的是检验装置的气密性；装置B中装浓硝酸的仪器名称是分液漏 斗。
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(2)由于装置中含有空气，会干扰NO检验，所以实验一中“关闭
K2、K3，打开K1”的目的是排尽装置内的空气，防止Cu与稀硝酸反应生成的NO被氧化。(3)装置B中浓硝酸和铜反应生成硝酸铜、二氧化氮和水，发生反应的离子方程式为Cu+2N+4H+===Cu2++ 2NO2↑+2H2O。(4)先打开K3，加入蒸馏水充分吸收生成的NO2气 体，之后打开K1通入CO2，排尽装置内生成的NO气体，防止干扰实验，关闭K1后，插入铜丝使之与稀硝酸反应，再打开止水夹，
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使生成的气体与O2接触。打开止水夹后氧气把NO氧化为二氧化 氮，则装置C的具支试管中的现象为液面上方出现红棕色气体。(5)继续实验，打开K1，一段时间后，装置B中溶液变为蓝色，由于A装置中二氧化碳把二氧化氮带出，因此说明猜想2可能成立，要验证猜想1的可能性，实验方案为取装置C中的溶液适量于试管中，加入Cu(NO3)2固体，若溶液变为绿色，说明猜想1成立。
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