专题7 氮与社会可持续发展
第一单元 氮的固定
基础巩固
1.下列过程属于氮的固定的是( )。
A.氨气和硫酸反应制取铵态氮肥
B.由二氧化氮制备硝酸
C.工业上利用氮气和氢气合成氨气
D.硝酸盐在微生物作用下生成氮气
答案:C
解析:氮的固定是指将游离态的氮转化为含氮化合物的过程。
2.N2是空气的重要组成部分,有科学家依据蒸汽机的原理,设计制造出液氮蒸汽机,即利用液态氮的汽化来驱动机车,从而达到环境保护的目的,其原理主要依据是( )。
A.液氮的沸点为-195.8 ℃,远低于常温
B.N2在空气中燃烧放热
C.N2的化学性质很稳定
D.N2在空气中的体积分数约为78%
答案:A
解析:液氮的沸点很低,极易汽化,汽化时吸收热量,体积膨胀而驱动机车转动,此过程中不产生污染物,保护了环境,跟氮气的化学性质及在空气中的体积分数无关,A项符合题意。
3.下列关于氮气性质的说法正确的是( )。
A.点燃条件下,N2在氧气中燃烧生成NO
B.点燃时,N2与金属Mg反应生成Mg3N2,N2作还原剂
C.合成氨反应中,N2发生氧化反应
D.氮气的化学性质稳定,其原因是两个氮原子之间以共价三键结合
答案:D
解析:氮气在放电或高温条件下生成NO,A项错误;点燃时,N2与金属Mg反应生成Mg3N2,N2得电子,N的化合价降低,N2作氧化剂,B项错误;合成氨反应中,N2得电子,N的化合价降低,N2发生还原反应,C项错误;氮气的化学性质稳定,其原因是两个氮原子之间以共价三键结合,键能大,不易断裂,D项正确。
4.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①中发生了电子转移
B.反应③⑤属于氮的固定
C.反应③可能有氧气参与
D.生物死亡后,氮不再参与海洋中的氮循环
答案:C
解析:反应①中化合价未发生变化,则没有发生电子转移,A项错误;氮的固定是游离态的氮变为化合态的氮,故反应③⑤不属于氮的固定,B项错误;反应③N2H4中氮元素的化合价升高,失去电子,作还原剂,需要氧化剂参与反应,可能有氧气参与,C项正确;根据图中信息可知,生物死亡后,氮参与海洋中的氮循环,D项错误。
5.研究表明,一氧化氮在治疗心血管疾病中具有重要的作用。下列对一氧化氮的叙述错误的是( )。
A.NO是无色气体
B.NO是汽车尾气的有害成分之一
C.可以用向上排空气法收集NO
D.NO在一定条件下也可作氧化剂
答案:C
解析:因NO可与空气中的O2反应生成NO2,故NO不能用排空气法收集,只能用排水法收集。
6.在NO2被水吸收的反应中,发生还原反应的物质与发生氧化反应的物质的质量比为( )。
A.3∶1 B.1∶3
C.1∶2 D.2∶1
答案:C
解析:,发生还原反应的NO2与发生氧化反应的NO2的质量比为1∶2。
7.工业上常用原理:NOx+NH3N2+H2O,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相同状况的NH3恰好完全反应,全部转化为N2,则在原混合气体中NO与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,气体的体积之比等于物质的量之比,则3.0 mol NO、NO2混合气体与3.5 mol NH3恰好反应生成N2,设NO的物质的量为x,则NO2的物质的量为(3 mol-x),由得失电子守恒可知2x+4×(3 mol-x)=3×3.5 mol,x=0.75 mol,故原混合气体中NO与NO2的物质的量之比为1∶3。
8.A、B、C三种气体,A为无色不溶于水的气体单质,在一定条件下,A与O2反应生成B,B无色且微溶于水,它也能与O2反应生成C,C易溶于水并与水反应生成B,反应后所得溶液呈酸性。
(1)三种气体的化学式为A ,B ,C 。
(2)除去A气体中的少量O2的方法是 。
(3)除去B中的少量C的方法是 。
答案:(1)N2 NO NO2
(2)通过灼热的铜丝网
(3)通过盛水的洗气瓶后干燥
解析:A为无色不溶于水的气体单质,A可能是H2、N2、O2等,A与O2反应生成B,B无色且微溶于水,则A为N2,B为NO,C为NO2。
9.以下是氮循环的一部分。
(1)通常状况下,NO2的颜色是 。
(2)反应①的化学方程式是 。
(3)NO2易溶于水,并与水发生化学反应。该反应中,氧化剂是 。
(4)化合物A的化学式是 。
(5)治理汽车尾气的一种方法是用催化剂使NO与CO发生反应:2NO+2CO2CO2+N2。当生成2 mol N2时,被还原的NO为 mol。
答案:(1)红棕色 (2)N2+O22NO
(3)NO2 (4)HNO3 (5)4
解析:(1)NO2的颜色是红棕色。(2)反应①是N2与O2在放电条件下的反应,化学方程式是N2+O22NO。(3)NO2易溶于水,发生的反应是3NO2+H2O2HNO3+NO。该反应中,NO2中的氮元素化合价既有降低又有升高,NO2既是氧化剂又是还原剂。(4)由3NO2+H2O2HNO3+NO知A的化学式是HNO3。(5)从2NO+2CO2CO2+N2看出NO与N2的物质的量之比为2∶1,则生成2 mol N2时反应的NO为4 mol。
10.为了有效实现NO与NO2的相互转化,设计如下实验:按图组装好实验装置,并检验装置气密性,实验前用排水法收集半烧瓶NO气体。
(1)打开止水夹,推动针筒活塞,使O2进入烧瓶。关上止水夹,首先观察到烧瓶中的现象: ,产生此现象时发生反应的化学方程式为 。
(2)轻轻摇动烧瓶,观察到烧瓶中的现象。
① ;
② 。
产生此现象时发生反应的化学方程式为 。
答案:(1)烧瓶中气体由无色变为红棕色 2NO+O22NO2
(2)①烧瓶中红棕色气体又变为无色
②烧杯中水倒吸到烧瓶中(或烧瓶中液面上升) 3NO2+H2O2HNO3+NO
解析:(1)无色的NO能与O2反应产生红棕色的NO2,化学方程式为2NO+O22NO2。
(2)轻轻摇动烧瓶,使得NO2与水发生反应3NO2+H2O2HNO3+NO,所以烧瓶中红棕色气体又变为无色,烧瓶中液面上升;产生此现象时发生反应的化学方程式为3NO2+H2O2HNO3+NO。
能力提升
1.氮是动植物生长不可缺少的元素,含氮化合物也是重要的化工原料。自然界中存在如图所示的氮元素的循环过程,下列说法不正确的是( )。
A.过程①“雷电作用”中发生的反应是N2+O22NO
B.过程③“固氮作用”中,氮气被还原
C.⑤中涉及的反应可能有2N+O22N
D.⑥中涉及的反应可能有2N+12H+N2↑+6H2O
答案:D
解析:过程①“雷电作用”中氮气与氧气化合生成NO,即发生的反应是N2+O22NO,A项正确;过程③“固氮作用”中氮元素化合价降低,氮气被还原,B项正确;⑤中N被氧化为N,涉及的反应可能有2N+O22N,C项正确;⑥中氮元素化合价降低,N被还原,涉及的反应不可能为2N+12H+N2↑+6H2O,因为此反应中只有元素化合价降低,没有元素化合价升高,且电荷不守恒,D项错误。
2.将10 mL充满NO2和O2混合气体的试管倒置在水槽中,反应停止后试管内剩余2 mL无色气体,则原混合气体中NO2和O2的体积分别是( )。
①9.2 mL和0.8 mL
②4.4 mL和5.6 mL
③7.2 mL和2.8 mL
④6.4 mL和3.6 mL
A.①③ B.②④
C.②③ D.①④
答案:D
解析:剩余2 mL气体可能是NO或O2,分两种情况讨论:
(1)若剩余的是NO,可以看成先发生了反应:4NO2+O2+2H2O4HNO3。剩余的NO2又与水作用,最终有2 mL NO产生。由反应3NO2+H2O2HNO3+NO可知剩余的NO2体积为2 mL×3=6 mL。则原有O2体积为(10 mL-6 mL)×=0.8 mL,NO2体积为10 mL-0.8 mL=9.2 mL。
(2)若剩余的是O2,则有10 mL-2 mL=8 mL是NO2与O2的混合气体按反应:4NO2+O2+2H2O4HNO3进行。所以NO2的体积为8 mL×=6.4 mL,O2体积为10 mL-6.4 mL=3.6 mL。
3.如图所示,在注射器里吸入20 mL NO,然后吸入5 mL水。若再吸入30 mL空气(按O2体积占20%计算),夹住弹簧夹,观察现象(不考虑摩擦力,即所有操作都在常温常压下进行)。已知常温常压下,气体摩尔体积为24.5 L·mol-1,下列说法错误的是( )。
A.最终剩余气体中NO体积为12 mL
B.可观察到注射器的活塞缓缓向左移动,最终活塞最左端停在约36 mL刻度处
C.可观察到注射器内气体由无色变成红棕色,最后变成无色
D.若反应前后液体体积不变,所得HNO3溶液的浓度约为0.065 mol·L-1
答案:B
解析:30 mL空气中氧气体积为30 mL×20%=6 mL,根据方程式2NO+O22NO2,反应消耗12 mL NO,生成12 mL NO2,NO2再与水反应,3NO2+H2O2HNO3+NO,生成NO为12 mL×=4 mL,所以最后剩余NO为(20-12+4) mL=12 mL,A项正确;注射器内气体减少,所以注射器的活塞缓缓向左移动,体积为剩余的NO、N2和水的体积,约为41 mL,B项错误;NO是无色气体,NO2是红棕色气体,所以注射器内气体由无色变成红棕色,最后变成无色,C项正确;根据A项中分析可知,若反应前后液体体积不变,生成硝酸的物质的量浓度为≈0.065 mol·L-1,D项正确。
4.CO2、SO2的混合气体和NO2同时通入盛有足量氯化钡溶液的洗气瓶中(如图所示),下列有关说法合理的是( )。
A.洗气瓶中产生的沉淀是BaCO3
B.在X导管出来的气体中无CO2
C.洗气瓶中产生的沉淀是BaSO4
D.在X导管口有无色气体逸出
答案:C
解析:SO2和NO2同时通入足量氯化钡溶液中,生成BaSO4和NO,CO2不参与反应,NO和CO2从X口逸出,NO与空气中的O2反应生成红棕色的NO2,无BaCO3产生。
5.汽车尾气中常含有CO、NOx等气体。为减轻污染,一般汽车都加装了“催化净化器”,可将汽车尾气中的有毒气体转化为无污染的气体。某化学兴趣小组在实验室模拟汽车尾气处理,设计了如图所示装置(部分夹持装置已略去)。
(1)装置(Ⅲ)的主要作用为 。
(2)装置(Ⅰ)停止加强热,打开活塞K,充入适量氧气时,装置(Ⅱ)中可观察到的现象是 。
(3)该套装置中有不完善之处,还应在装置(Ⅳ)后补充 。
(4)工业上常用纯碱溶液来吸收NOx,有关反应的化学方程式为2NO2+Na2CO3NaNO2+NaNO3+CO2、NO2+NO+Na2CO32NaNO2+CO2。现有标准状况下a L NO2和b L NO的混合气体恰好被200 mL Na2CO3溶液完全吸收,则a、b应满足的关系为 。
Na2CO3溶液的物质的量浓度为 mol·L-1。
答案:(1)检验CO是否转化为CO2
(2)有红棕色气体生成
(3)尾气处理装置
(4)a∶b≥1∶1
解析:(1)CO、NO在催化剂条件下转化为N2和CO2,澄清石灰水是检验CO是否转化为CO2。
(2)充入适量氧气时,NO与O2反应生成NO2,有红棕色气体生成。
(3)尾气中有未反应的CO、NO,应该有尾气处理装置。
(4)根据反应2NO2+Na2CO3NaNO2+NaNO3+CO2、NO2+NO+Na2CO32NaNO2+CO2可知,NO2和NO的物质的量之比应大于或等于1∶1,气体才会反应完全。与NO2和NO反应的Na2CO3的物质的量为 mol,与NO2单独反应的Na2CO3的物质的量为 mol,故Na2CO3的物质的量浓度为c(Na2CO3)= mol·L-1。
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