高中化学专题4硫氮和可持续发展本专题重难点突破学案苏教版必修1.docx
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高中化学专题4硫氮和可持续发展本专题重难点突破学案苏教版必修1
专题4硫、氮和可持续发展
本专题重难点突破
[学习目标定位] 1.学会用类比、对比的方法认识非金属及其化合物的共性和个性、区别和联系。
2.熟知典型物质及应用。
3.掌握常见气体的制备原理。
4.掌握与HNO3、NOx相关的计算方法。
一、利用比较法全面认识物质的性质
1．SO2的重要性质
（1）物质漂白性的比较
漂白类型
漂白原理
常见代表物
漂白特点
加合型
与有机色质结合，形成不稳定的无色化合物
SO2
一定条件下，SO2放出，又恢复原色
氧化型
将有色物质氧化为无色物质
氯水、HClO、Ca（ClO）2、O3、H2O2、Na2O2
褪色后不能恢复原色
吸附型
吸附作用物理变化
活性炭
通过一定的处理可以重复使用
（2）SO2和CO2性质的比较（常温下）
二氧化硫
二氧化碳
物理性质
气味
有刺激性气味
无味
毒性
有毒
无毒
溶解性
易溶（与水的体积比1∶40）
可溶（与水的体积比1∶1）
化学性质
与水反应
SO2＋H2OH2SO3
CO2＋H2OH2CO3
与碱[Ca（OH）2]反应
SO2和CO2通入澄清石灰水中，都先生成沉淀，当气体过量时沉淀又溶解
Ca（OH）2＋SO2===CaSO3↓＋H2O、
CaSO3＋SO2＋H2O===Ca（HSO3）2
Ca（OH）2＋CO2===CaCO3↓＋H2O、
CaCO3＋CO2＋H2O===Ca（HCO3）2
与碱性氧化物（CaO）反应
SO2＋CaO===CaSO3
CO2＋CaO===CaCO3
弱氧化性
SO2＋2H2S===3S↓＋2H2O
CO2＋C
2CO
还原性
SO2能被KMnO4（H＋）、X2（X＝Cl、Br、I）、Fe3＋等氧化剂氧化
无
漂白性
有，不稳定
无
对环境的影响
形成酸雨
引起温室效应
鉴别
①利用二氧化硫的还原性，用酸性高锰酸钾溶液、溴水、FeCl3溶液、H2O2等鉴别
②利用二氧化硫的漂白性，用品红溶液鉴别
【例1】 检验SO2气体中是否混有CO2气体，可采用的方法是（ ）
A．通过品红溶液
B．通过澄清石灰水
C．先通过NaOH溶液，再通过澄清石灰水
D．先通过足量酸性KMnO4溶液，再通过澄清石灰水
解析 要正确解题必须先做到以下两点：
（1）理解题意，本题要检验的是CO2，且CO2又是混在SO2气体中。
（2）要掌握SO2与CO2性质上的相似点与不同点。
如通过澄清石灰水都能生成白色沉淀（CaSO3和CaCO3），又如遇NaOH溶液都能发生反应，这便是它们性质上的相似点。
它们性质上的不同点又表现在，如SO2具有漂白性从而能使品红溶液褪色，而CO2不具备漂白性；又如在通过NaHCO3溶液时，由于H2SO3酸性>H2CO3酸性，所以SO2与NaHCO3溶液反应能放出CO2，而CO2却无法与NaHCO3反应；再如由于SO2的还原性，在通过酸性KMnO4溶液时会发生反应：
5SO2＋2KMnO4＋2H2O===K2SO4＋2MnSO4＋2H2SO4，而CO2却不具备这种还原性。
若对本题选项稍加分析，A项检验的是SO2而不是CO2；B项中不管是否混有CO2，溶液均变浑浊；C项中不管是否混有CO2，均有白色沉淀生成；唯有D项在通过酸性KMnO4溶液时混合气体中仅SO2被吸收，再通过澄清石灰水若有浑浊现象，说明混有CO2；若无浑浊现象，说明不混有CO2。
综上分析，D项正确。
答案 D
理解感悟
SO2和CO2都能使澄清的石灰水变浑浊，若通入的气体过量，则沉淀都可消失。
所以不能用澄清的石灰水鉴别SO2和CO2。
通常可用以下方法：
（1）用品红溶液，使品红溶液褪色的是SO2，不能使品红溶液褪色的是CO2。
（2）用氢硫酸，出现浑浊的是SO2，无明显现象的是CO2。
2H2S＋SO2===2H2O＋3S↓
（3）用高锰酸钾溶液，紫色褪去的是SO2，无明显现象的是CO2。
2KMnO4＋5SO2＋2H2O===K2SO4＋2MnSO4＋2H2SO4
（4）用溴水，使橙色褪去的是SO2，无明显现象的是CO2。
Br2＋2H2O＋SO2===2HBr＋H2SO4
（5）用硝酸酸化的硝酸钡溶液，产生白色沉淀的是SO2，无明显现象的是CO2。
2．浓硫酸的特性
浓硫酸具有吸水性、脱水性和强氧化性。
吸水性可用于实验室中氢气、二氧化碳、二氧化硫等的干燥，但不能干燥硫化氢或氨气等；在与金属铜反应时，浓硫酸表现强酸性和强氧化性，要注意反应条件与硝酸的不同，反应后硫酸与铜有可能都剩余等。
【例2】 某研究小组成员在讨论鉴别浓硫酸和稀硫酸的方案时，设计了如下方案：
甲
乙
丙
丁
戊
操作
火柴梗
加入金属铜片
分别加入到盛水的试管中
用玻璃棒蘸浓氨水靠近盛酸试剂瓶的瓶口
加到CuSO4·5H2O晶体中
结论
变黑者为浓硫酸
产生刺激性气味气体者为浓硫酸
放热者为浓硫酸
冒白烟者为浓硫酸
使晶体变白者为浓硫酸
（1）其中可行的是______________。
（2）其中稍作改进就可行的方案是________________，改进方法是________________。
（3）完全错误的是______，因为________________________________________________。
（4）请给出另外两种鉴别方法：
______________________________________
________________________________________________________________________。
解析 甲经放置后，浓硫酸有脱水性会把木柴炭化，可以区别。
乙中Cu与浓硫酸在常温下反应很慢，现象不明显，需要加热才能区分：
稀者不反应，浓者反应。
丙可行。
丁中因浓、稀硫酸都不挥发，所以不可区分。
戊可行。
答案
（1）甲、丙、戊
（2）乙 加热 （3）丁 硫酸是难挥发性酸 （4）以下任意两种（或其他可行方案均可）：
操作
滴加到NaCl固体中
加入铝片
加木炭，加热
称量同体积的酸
加热
结论
有白雾者为浓硫酸
常温反应者为稀硫酸
产生刺激性气味气体者为浓硫酸
轻者为稀硫酸
先沸腾者为稀硫酸
理解感悟 浓、稀硫酸的判断方法
各取少量试样，做以下实验，都可区分出来。
（1）称量：
取等体积，重者为浓硫酸（用手掂掂也能分辨出来）。
（2）放出H2：
分别加入到有Fe片的试管中，放出气体者为稀硫酸。
（3）脱水性：
用玻璃棒分别蘸取试样在纸上写字，在常温下，一会儿变黑者为浓硫酸。
也可用锯末、蔗糖等做相似的实验。
（4）吸水性：
加到CuSO4·5H2O晶体中，使晶体变白者为浓硫酸；得蓝色溶液者为稀硫酸。
（5）吸水性：
各取等质量试样，敞口放置一段时间后称量，增重者为浓硫酸。
（6）氧化性：
分别加入到有Cu片的试管中，加热，放出刺激性气味气体者为浓硫酸。
（7）酸碱指示剂：
在蓝色石蕊试纸上滴1～2滴待测溶液，变红色者为稀硫酸，先变红再变黑者为浓硫酸。
二、喷泉实验和气体制备综合实验
1．喷泉实验
（1）形成喷泉的原理
形成喷泉最根本的原因是瓶内外存在压强差。
当烧瓶内气体溶于液体或与之反应时，瓶内气体大量减少，压强降低，外界的大气压将液体压入烧瓶内，如此持续，最后液体将充满烧瓶。
①减小内压法：
如图Ⅰ所示。
烧瓶内气体与液体接触→气体溶解或发生化学反应→烧瓶内压强减小→外部液体迅速进入形成喷泉。
②增大外压法：
如图Ⅱ所示。
锥形瓶内液体挥发或发生化学反应产生气体→锥形瓶内压强增大→锥形瓶内液体迅速流入烧瓶形成喷泉。
（2）常见喷泉的形成主要有以下两类：
①极易溶于水的气体（NH3、HCl、SO2等）与水可形成喷泉；
②酸性气体（HCl、SO2、NO2、CO2、H2S等）与NaOH（aq）也能形成喷泉。
（3）喷泉实验成功的关键
①盛气体的烧瓶必须干燥；
②气体要充满烧瓶；
③烧瓶不能漏气（实验前应先检查装置的气密性）；
④所用气体能大量溶于所用液体或气体与液体快速反应。
（4）常见的喷泉实验装置
喷泉实验的本质是形成压强差而引发液体上喷，为此可设计多种不同的装置和采用不同的操作（如使气体溶于水、热敷、生成气体、发生气体体积减小的反应等）来使喷泉产生。
【例3】 喷泉是一种常见的自然现象，其产生原因是存在压强差。
（1）图甲为化学教学中常用的喷泉实验装置。
在烧瓶中充满干燥气体，胶头滴管及烧杯中盛有液体。
①下列组合中不可能形成喷泉的是________（填字母）。
A．HCl和H2O
B．O2和H2O
C．NH3和H2O
D．CO2和NaOH溶液
E．NO2和H2O
②若用D组合做喷泉实验，烧杯中的液体一定是NaOH溶液吗？
________________________________________________________________________。
（2）某学生积极思考产生喷泉的其他办法，并设计了如图乙所示的装置。
①在图乙的锥形瓶中，分别加入足量的下列物质，反应后可能产生喷泉的是________（填字母）。
A．Cu与稀盐酸
B．NaHCO3与NaOH溶液
C．CaCO3与稀硫酸
D．NH4HCO3与稀盐酸
这种方法产生喷泉的原理是___________________________________________________
________________________________________________________________________。
②在图乙锥形瓶外放一水槽，瓶中加入酒精，水槽中加入水后，再加入足量的下列物质，结果也产生喷泉。
水槽中加入的物质可能是________（填字母）。
A．浓硫酸B．食盐
C．硝酸钾D．硫酸铜
这种方法产生喷泉的原理是_____________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析
（1）①中O2难溶于水，不能使烧瓶中的压强减小。
②只要胶头滴管中的物质能把CO2几乎完全吸收，使烧瓶中的压强减小即可形成喷泉。
（2）①NH4HCO3与稀盐酸反应产生CO2气体，使锥形瓶内的压强增大。
②浓硫酸溶于水放出大量的热使酒精挥发，使锥形瓶内压强增大。
答案
（1）①B ②不一定，只要胶头滴管中盛有的浓碱溶液足以把烧瓶中的CO2吸收即可
（2）①D 锥形瓶中发生反应：
NH4HCO3＋HCl===NH4Cl＋CO2↑＋H2O，随着CO2气体的产生，锥形瓶中的压强增大而产生“喷泉” ②A 浓硫酸溶于水放出大量的热，温度升高使锥形瓶中的酒精挥发加快，锥形瓶内压强增大，从而形成喷泉
2．实验室气体的制备
（1）制备装置的选择
①分析反应原理：
主反应与副反应。
②分析反应试剂
固体：
块状、粒状还是粉末状；
溶液：
稀还是浓；
催化剂：
有还是无。
③分析反应条件：
加热还是不加热。
（2）反应装置的安装
①组装仪器的一般原则：
先零后整，先主后辅，从下到上、从左到右。
②组装顺序：
制备气体→净化→集气→尾气处理。
③在装入药品前要检查装置的气密性。
其基本方法：
一般先把导气管插入盛水的水槽中，把有关活塞关闭，微热主发生器，有气泡从水中冒出，停止微热后，水倒吸进入导气管中形成一段稳定的水柱，方可表示气密性良好。
（3）常见气体的发生装置
依据所用药品的状态和反应时是否需要加热，可把气体的发生装置归纳为三类（如图）：
（4）气体的净化干燥装置
结合气体杂质的性质，如果想用液体试剂来除杂就选用下图A装置，如果想用固体试剂来除杂就选用下图B、C装置。
（5）常见气体的收集装置
根据气体的溶解性及气体的密度确定气体的收集方法。
①排水集气法
条件：
气体难溶或微溶于水，且与水不发生化学反应，如H2、O2、NO、CO、CH4等。
②排空气集气法
条件：
气体不与空气发生反应，且密度与空气密度相差较大。
向上排空气集气法：
适用于密度大于空气的气体的收集，如CO2、Cl2、HCl、O2等。
向下排空气集气法：
适用于密度小于空气的气体的收集，如NH3、H2等。
③收集装置
排空气法
排液（水）法
（6）尾气的处理（吸收）方法
常用方法：
①点燃法：
如CO、H2、CH4等易燃性气体，可用此法。
②吸收法：
如Cl2、SO2、HCl、H2S等可用水或其他液体吸收。
用液体吸收气体的两种方法（如图所示）
A装置：
用于吸收易溶于水的气体，如Cl2、H2S、CO2等。
B装置：
用于吸收极易溶于水的气体，如HCl、HBr、NH3等。
倒扣漏斗的作用是防止倒吸。
③转化法。
采用一定的方法，使有毒气体转化成无毒气体即可排放。
如NO、NO2转化为N2即可排放。
④导入室外法。
如H2是无毒气体，可将其尾气导入室外，以防在实验室达到爆炸极限发生危险。
【例4】 某课外活动小组利用下列化学反应在实验室中制备氯气，并进行有关氯气性质的研究。
MnO2＋4HCl（浓）
MnCl2＋Cl2↑＋2H2O
（1）该小组同学欲用图1所示仪器及试剂（不一定全用）制备并收集纯净、干燥的氯气。
①应该选择的仪器是________（填字母）。
②将各仪器按先后顺序连接起来，应该是：
a接________，________接________，________接________，________接h（用导管口处的字母表示）。
③浓盐酸与二氧化锰反应的离子方程式为_________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）该小组同学设计并分别利用图2和图3所示装置探究氯气的氧化性。
①G中的现象是________，原因是__________________（用化学方程式表示）。
②H中的现象是__________________。
解析
（1）①MnO2与浓盐酸的反应属于“固－液加热型”。
应选择A作为反应装置。
②生成的Cl2中含有HCl气体和水蒸气，将该Cl2依次通过仪器C（d口进气，e口出气）、D（f口进气，g口出气）可获得纯净、干燥的Cl2。
Cl2的密度比空气大，应选择仪器B（b口进气，c口出气）用向上排空气法收集Cl2。
Cl2有毒，易与NaOH溶液发生化学反应，故选择仪器E吸收尾气。
③浓盐酸与二氧化锰反应的离子方程式为MnO2＋4H＋＋2Cl－△,Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。
（2）①Cl2有强氧化性，I－有较强的还原性，在G中，Cl2与溶液中的KI发生反应：
Cl2＋2KI===I2＋2KCl，淀粉遇I2显蓝色。
②Cl2有强氧化性，SO2有较强的还原性，在H中，Cl2将SO2氧化为SO
，SO
与Ba2＋反应生成BaSO4白色沉淀。
答案
（1）①ACDBE ②d e f g b c ③MnO2＋4H＋＋2Cl－△,Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O
（2）①溶液由无色变为蓝色 Cl2＋2KI===I2＋2KCl ②产生白色沉淀
三、NOx、HNO3的典型计算
1．硝酸的强氧化性及其典型计算
硝酸是常见的氧化性酸，具有强氧化性、强酸性和不稳定性，在试题中侧重强酸性和强氧化性的应用。
比如与金属铜反应时随着浓度的不同产物也会不同，计算时通常使用氮原子守恒和电子守恒法解决问题。
（1）依据守恒规律计算
①四个守恒
a．得失电子守恒：
金属失电子数＝n（NO2）＋3n（NO）。
b．氮原子守恒：
n（HNO3）总＝xn[M（NO3）x]＋n（NO2）＋n（NO）。
c．电荷守恒：
反应后溶液中c（NO
）＝x·c（Mx＋）＋c（H＋）。
d．若向反应后所得溶液中加入NaOH恰好使Mx＋沉淀完全，此时溶质为NaNO3，则存在n（Na＋）＝n（NO
）＝n（HNO3）总－n（NO）－n（NO2）。
②一个关系
起酸性作用的HNO3的物质的量是金属的物质的量和金属所带电荷数的乘积，可表示为n（HNO3）酸性＝xn（Mx＋）＝n（转移电子）。
（2）利用离子方程式计算
HNO3与H2SO4混合液跟金属的反应，当金属足量时，不能用HNO3与金属反应的化学方程式计算，应用离子方程式计算，因为生成的硝酸盐的NO
借助H＋仍能继续与金属反应。
【例5】 19.2gCu加入到100mL一定浓度的HNO3溶液中，假定两者恰好完全反应，同时产生标准状况下8.96LNO和NO2的混合气体（忽略气体的溶解及转化）。
求：
（1）混合气体中NO和NO2的体积比。
（2）HNO3溶液的物质的量浓度。
解析
（1）设NO2的物质的量为xmol，NO的物质的量为
ymol，则
解得x＝0.3mol，y＝0.1mol。
故V（NO）∶V（NO2）＝1∶3。
（2）根据N原子守恒有
c（HNO3）＝
＝10mol·L－1。
答案
（1）V（NO）∶V（NO2）＝1∶3
（2）10mol·L－1
【例6】 足量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1.68LO2（标准状况）混合后通入水中，所有气体完全被水吸收生成硝酸。
若向所得硝酸铜溶液中加入5mol·L－1NaOH溶液至Cu2＋恰好完全沉淀，则消耗NaOH溶液的体积是（ ）
A．60mLB．45mL
C．30mLD．15mL
解析 由题意可知：
HNO3
，由关系式分析可得：
Cu失去的电子数与O2得到的电子数相等。
即n（Cu）＝2n（O2）＝2×
＝0.15mol。
根据NaOH和Cu（NO3）2的反应可得关系式：
n（NaOH）＝2n[Cu（NO3）2]＝2n（Cu2＋）＝0.3mol，则V（NaOH）＝
＝0.06L＝60mL。
故正确答案为A。
答案 A
2．氮的氧化物溶于水的计算方法
NO2和NO有如下反应：
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO①
2NO＋O2===2NO2②
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3③
4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3④
（1）NO和NO2的混合气体
NO、NO2的混合气体溶于水时仅涉及反应①：
可利用气体体积变化差值进行计算
V剩＝V（NO）原＋
V（NO2）
（2）NO2和O2的混合气体
NO2和O2的混合气体溶于水时涉及反应③：
其计算如下表：
x＝
0x＝
x>
反应情况
O2过量，剩余气体为O2
恰好完全反应
NO2过量，剩余气体为NO
（3）NO和O2的混合气体
NO、O2的混合气体溶于水时涉及反应④：
其计算如下表：
x＝
0x＝
x>
反应情况
O2过量，剩余气体为O2
恰好完全反应
NO过量，剩余气体为NO
【例7】 将充满NO2和O2的混合气体的量筒倒置于水中，充分反应后，保持气体压强不变，水进入至量筒体积的一半处停止了，则原混合气体中NO2和O2的体积比是________________。
解析 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO①
2NO＋O2===2NO2②
由方程式①×2＋②得：
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3③
由方程式①×2＋②×3得：
4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3④
NO2和O2的体积比不等于4∶1，则需讨论NO2和O2分别过量时的两种情况。
设混合气体的体积为1，混合气体中NO2的体积为x，则O2为（1－x）。
（1）假定原混合气体中V（NO2）∶V（O2）<4∶1
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3
41
xy
＝
解得y＝
，剩余的O2：
（1－x）－
＝
解得x＝
V（NO2）∶V（O2）＝
∶（1－
）＝2∶3。
（2）假定原混合气体中V（NO2）∶V（O2）>4∶1
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3
41
y1－x
＝
解得y＝4（1－x）
暂时剩余NO2：
1－[4（1－x）＋（1－x）]＝5x－4
由反应式：
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO可知最后剩余NO：
由
＝
得x＝
（不合题意，舍去）。
答案 2∶3
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