高中化学 含氮物质的转化性质实验探究.docx

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高中化学含氮物质的转化性质实验探究

课时22　含氮物质的转化、性质实验探究

考点一　氮及其化合物的转化关系

【考必备·清单】

（1）歧化——同一物质中某元素的化合价在同一反应中既升高又降低

如：

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O

（2）归中——不同物质中同一元素的不同化合价在同一反应中只靠拢

如：

6NO＋4NH3

5N2＋6H2O

NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O

【提素能·好题】

1．依据下图中氮元素及其化合物的转化关系，判断下列说法中不正确的是（　　）

A．X是N2O5

B．可用排空气法收集NO气体

C．工业上以NH3、空气、水为原料生产硝酸

D．从原理上看，NH3可与NO2反应实现NH3→N2的转化

解析：

选B　NO遇空气中的氧气被氧化为NO2，不可用排空气法收集NO气体，故B错误。

2．NH3是一种重要的化工原料，可以制备一系列物质（如图）。

下列有关表述正确的是（　　）

A．NH4Cl和NaHCO3都是常用的化肥

B．NH4Cl、HNO3和Na2CO3受热时都易分解

C．NH3和NO2在一定条件下可发生氧化还原反应

D．图中所涉及的盐类物质均可以水解

解析：

选C　A项，NaHCO3不是化肥；B项，Na2CO3受热不易分解；D项，NaCl不水解。

3．如图是某元素的价类二维图。

其中X是一种强碱，G为正盐，通常条件下Z是无色液体，D的相对分子质量比C小16，各物质转化关系如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．A的水溶液显碱性

B．D为一种无色气体

C．B和F能发生复分解反应生成盐

D．F在一定条件下可直接与Y反应生成D

解析：

选BD　D的相对分子质量比C小16，Y可能为氧气；Z是无色液体，可能为水；X为强碱，强碱与铵盐加热反应生成氨气，F可为氨气；氨气和氧气发生反应生成氮气，E为氮气；氮气与氧气反应生成一氧化氮，D为一氧化氮；一氧化氮与氧气反应生成二氧化氮，C为二氧化氮；二氧化氮与水反应生成硝酸，B为硝酸。

A项，硝酸与强碱X反应生成的A为硝酸盐，属于强酸强碱盐，溶液不水解显中性，错误；B项，D为一氧化氮，是一种无色气体，正确；C项，B为硝酸，F为氨气，硝酸和氨气直接化合生成硝酸铵，属于化合反应，错误；D项，F为氨气，Y为氧气，氨气和氧气在一定条件下反应可以生成一氧化氮和水，正确。

考点二　氨气的制备、性质实验探究

【考必备·清单】

1．氨气的实验室制法

2．氨气制备的简易方法

方法

化学方程式（或原理）

发生装置

加热

浓氨水

NH3·H2O

NH3↑＋H2O

浓氨水＋

NaOH（s）

NaOH溶于水放热，促使氨水分解，且OH－浓度的增大有利于NH3的生成

浓氨水＋

CaO（s）

CaO与水反应，使溶剂（水）减少；反应放热，促使氨水分解。

化学方程式：

NH3·H2O＋CaO===NH3↑＋Ca（OH）2

【探题源·规律】

[典例]　（2020·百校联盟摸底）某研究性学习小组设计用如图所示实验装置（夹持仪器省略）制取干燥的氨气并验证NH3具有还原性，请回答下列问题：

（1）实验室制备氨气有多种方法，现欲用NH4Cl与Ca（OH）2反应制取NH3，则甲中的气体发生装置为________（从Ⅱ中选用）；用浓氨水与生石灰反应也可制取NH3，反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

（2）装置丙用于收集NH3，应将导管________（填“a”或“b”）延长至集气瓶底部，装置乙中盛放的试剂为________，装置己的作用为___________________________________________

__________________________________________________________________（答两点）。

（3）若装置丁中黑色固体变红，则装置戊中现象为____________________________。

[解析]　

（1）铵盐与氢氧化钙反应需要加热，且有水生成，应选装置B；氧化钙与一水合氨反应生成氢氧化钙和氨气。

（2）氨气密度比空气小，应用向下排空气法收集，所以将b管延伸至集气瓶底部；氨气是碱性气体，可用碱石灰干燥；氨气与氧化铜反应时，氨气不能消耗完，装置己的作用是吸收未反应完的NH3，防止空气中水蒸气进入装置戊中。

（3）氨气与氧化铜反应生成铜和水，装置戊中的现象为白色固体变为蓝色。

[答案]　

（1）B　CaO＋NH3·H2O===Ca（OH）2＋NH3↑

（2）b　碱石灰　吸收未反应完的NH3，防止空气中水蒸气进入装置戊中

（3）白色固体变为蓝色

【提素能·好题】

1．下列制备NH3并制取氨水的装置正确且能达到实验目的的是（　　）

A.制取NH3

B.干燥NH3

C.收集NH3

D.吸收氨水

解析：

选BD　A项，加热固体时试管口应略向下倾斜，错误；B项，用碱石灰干燥NH3，正确；C项，氨气密度小于空气，应用向下排空气法收集，错误；D项，氨气极易溶于水但不溶于四氯化碳，可通过四氯化碳层再进入水层吸收氨气可防止倒吸，正确。

2．Ⅰ.实验室制取氨气的常见方法如下：

序号

方法

装置

①

氯化铵与熟石灰固体混合加热

②

浓氨水加热

③

浓氨水滴加到固体烧碱上

（1）方法①的化学方程式为_____________________________________________。

（2）依据表中所列方法，从下列图中选择合适的发生装置并将其序号填入表中装置栏中。

Ⅱ.甲同学设计了如图所示实验装置（部分夹持仪器未画出），探究氨气的还原性并检验产物。

实验现象为黑色CuO变为红色，白色无水CuSO4粉末变为蓝色，同时生成一种无色、无污染的气体。

（3）写出氨气与CuO反应的化学方程式________________________________________。

（4）碱石灰的作用是_________________________________________________________。

（5）该装置存在明显缺陷，应在上述装置最后连接一个尾气吸收装置，你认为可选用________（填字母）。

解析：

Ⅰ.

（1）氯化铵与熟石灰固体混合加热生成氨气、氯化钙和水，反应的化学方程式为2NH4Cl＋Ca（OH）2

CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。

（2）氯化铵与熟石灰固体混合加热制备气体是固体＋固体

气体的反应，选择b装置；浓氨水加热是液体直接加热得到氨气，选择a装置；浓氨水滴加到固体烧碱上不需要加热，利用固体烧碱溶解放热使一水合氨分解生成氨气，选择c装置。

Ⅱ.发生装置是氯化铵和氢氧化钙固体混合加热反应生成氨气、氯化钙和水蒸气，通过干燥管中碱石灰吸收水蒸气，得到干燥氨气，通过玻璃管与氧化铜加热反应生成铜、氮气和水，最后通过无水硫酸铜检验生成的水蒸气。

（3）氨气具有还原性，CuO具有氧化性，二者发生氧化还原反应生成氮气、铜和水，反应的化学方程式为3CuO＋2NH3

3Cu＋N2＋3H2O。

（4）碱石灰的作用是吸收氨气中的水蒸气，防止干扰产物水的检验。

（5）氨气极易溶于水，吸收需要防止倒吸，故选a或b或d。

答案：

（1）2NH4Cl＋Ca（OH）2

CaCl2＋2NH3↑＋2H2O

（2）①b　②a　③c

（3）3CuO＋2NH3

3Cu＋N2＋3H2O

（4）吸收氨气中的水蒸气，防止干扰产物水的检验

（5）a或b或d

考点三　喷泉实验及拓展应用

【考必备·清单】

1．喷泉实验的原理

使烧瓶内外在短时间内产生较大的压强差，利用大气压将烧瓶下面烧杯中的液体压入烧瓶内，在尖嘴导管口形成喷泉。

2．形成喷泉的类型

下面是几种常见的能形成喷泉的气体和液体。

气体

HCl

NH3

CO2、Cl2、

SO2、H2S

NO2

NO、O2、

（4∶3）

NO2、O2

（4∶1）

吸收剂

水、NaOH

溶液

水

NaOH溶液

水

水

水

3．喷泉实验的发散装置及操作方法

（1）喷泉实验是中学化学的重要实验，其本质是形成压强差而引发液体上喷，以教材中的装置（发散源）可设计如图所示的多种不同的装置和采用不同的操作（如使气体溶于水、热敷或冷敷、生成气体等）来形成喷泉。

（2）设计说明：

（Ⅰ）装置改变了胶头滴管的位置，胶头滴管挤入少量水于试剂瓶中，即可使少量溶液沿导管进入烧瓶中，导致大量的NH3溶解，烧瓶内形成负压而产生喷泉。

（Ⅱ）装置省去了胶头滴管，用手（或热毛巾等）捂热烧瓶，氨气受热膨胀，赶出玻璃导管内的空气，氨气与水接触，即发生喷泉（或用浸冰水的毛巾“冷敷”烧瓶，使水进入烧瓶中，瓶内氨气溶于水）。

（Ⅲ）装置在水槽中加入能使水温升高的物质致使锥形瓶内酒精因升温而挥发，锥形瓶内气体压强增大而产生喷泉。

（Ⅳ）装置向导管中通入一定量的H2S和SO2，现象为有淡黄色粉末状物质生成，瓶内壁附有水珠，NaOH溶液上喷形成喷泉。

（Ⅴ）装置打开①处的止水夹并向烧瓶中缓慢通入等体积的HCl气体后关闭该止水夹，等充分反应后再打开②处的止水夹，观察到先有白烟产生，后产生喷泉。

（Ⅵ）装置中，挤压胶头滴管，然后打开导管上部的两个活塞，则在右面烧瓶出现喷烟现象，再打开导管下部活塞，则可产生双喷泉。

【探题源·规律】

[典例]　（2019·南京师大附中检测）

利用如图所示的装置，可以验证NH3和HCl的有关性质。

实验前a、b、c活塞均关闭。

（1）若要在烧瓶Ⅱ中产生“喷泉”现象，烧瓶Ⅰ中不产生“喷泉”现象，其操作方法是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）若先打开a、c活塞，再挤压胶头滴管，在烧瓶中可观察到的现象是

________________________________________________________________________。

（3）通过挤压胶头滴管和控制活塞的开关，在烧瓶Ⅰ中产生“喷泉”现象，烧瓶Ⅱ中不产生“喷泉”现象，其操作方法是__________________________________________________

________________________________________________________________________。

若要在该装置中产生双喷泉现象，其操作方法是______________________________

________________________________________________________________________。

[解析]　

（1）打开a、b活塞，再将胶头滴管中的水挤入烧瓶Ⅱ中，由于NH3极易溶于水，使烧瓶内气体压强迅速减小，烧杯中的水迅速进入烧瓶Ⅱ中，形成喷泉。

（2）先打开a、c活塞，再将胶头滴管中的水挤入烧瓶Ⅱ中，烧瓶Ⅱ中的气压迅速减小，烧瓶Ⅰ中的HCl气体会流向烧瓶Ⅱ中，且与NH3化合生成NH4Cl而产生白烟。

（3）在

（2）基础上，若关闭a活塞，打开b活塞，烧杯中的水会迅速进入烧瓶Ⅰ中，形成喷泉；若打开b活塞，不关闭a活塞，烧瓶中的水便会同时进入烧瓶Ⅰ和Ⅱ中，形成双喷泉。

[答案]　

（1）先打开a、b活塞，再挤压胶头滴管（或先挤压胶头滴管，再打开a、b活塞）

（2）烧瓶Ⅱ中导管口处产生白烟

（3）先打开a、c活塞，再挤压胶头滴管（或先打开a活塞，挤压胶头滴管，再打开c活塞），片刻后，关闭a活塞，然后打开b活塞　先打开a、c活塞，再挤压胶头滴管（或先打开a活塞，挤压胶头滴管，再打开c活塞），片刻后，打开b活塞

【提素能·好题】

1.

如图装置中，干燥烧瓶内盛有某种气体，烧杯和滴管内盛放某种溶液。

挤压滴管的胶头，下列与实验事实不相符的是（　　）

A．CO2（NaHCO3溶液）/无色喷泉

B．NH3（H2O中含酚酞）/无色喷泉

C．H2S（CuSO4溶液）/黑色喷泉

D．HCl（AgNO3溶液）/白色喷泉

解析：

选AB　二氧化碳难溶于碳酸氢钠溶液，不能产生压强差，无法形成喷泉，A项与实验事实不相符。

NH3·H2O是碱，遇酚酞变红色，能形成红色喷泉，B项与实验事实不相符。

2．下图是课外活动小组的同学设计的4个喷泉实验方案，下列有关操作不可能引发喷泉的是（　　）

A．挤压装置①的胶头滴管使CCl4全部进入烧瓶，片刻后打开止水夹

B．挤压装置②的胶头滴管使NaOH溶液全部进入烧瓶，片刻后打开止水夹

C．用鼓气装置从装置③的a处不断鼓入空气并打开止水夹

D．在装置④的水槽中慢慢加入足量浓硫酸并打开止水夹

解析：

选B　H2难溶于NaOH溶液，不能使烧瓶内外形成较大压强差，故不能引发喷泉。

随堂检测反馈

1．（2019·海南高考）干燥的二氧化碳和氮气反应可生成氨基甲酸铵固体，化学方程式为2NH3（g）＋CO2（g）NH2COONH4（s）　ΔH<0，在四氯化碳中通入二氧化碳和氨制备氨基甲酸铵的实验装置如下图所示，回答下列问题：

（1）装置1用来制备二氧化碳气体：

将块状石灰石放置在试管中带孔塑料板上，漏斗中所加试剂为________；装置2中所加试剂为__________。

（2）装置4中试剂为固体NH4Cl和Ca（OH）2，发生反应的化学方程式为________________________________；试管口不能向上倾斜的原因是__________________。

装置3中试剂为KOH，其作用为__________。

（3）反应时三颈瓶需用冷水浴冷却，其目的是______________________________。

解析：

（1）装置1用来制备二氧化碳气体，反应方程式为CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O，在试管的带孔塑料板上放置块状CaCO3，在长颈漏斗中加入稀盐酸；装置2中所加试剂为浓硫酸，作用是干燥CO2气体。

（2）在装置4中试剂为固体NH4Cl和Ca（OH）2，二者混合加热发生反应制取氨气，发生反应的化学方程式为Ca（OH）2＋2NH4Cl

CaCl2＋2NH3↑＋2H2O；试管口不能向上倾斜的原因是防止冷凝水倒流到试管底部使试管破裂。

装置3中试剂为KOH，其作用为干燥氨气。

（3）反应时三颈瓶需用冷水浴冷却，原因是2NH3（g）＋CO2（g）NH2COONH4（s）　ΔH<0的正反应是放热反应，降低温度，化学平衡向放热的正反应方向移动，从而可提高产物的产量。

答案：

（1）稀盐酸　浓H2SO4

（2）Ca（OH）2＋2NH4Cl

CaCl2＋2NH3↑＋2H2O

防止冷凝水倒流到试管底部使试管破裂　干燥剂（干燥氨气）

（3）降低温度，使平衡正向移动提高产量

2．（2019·江苏高考）N2O、NO和NO2等氮氧化物是空气污染物，含有氮氧化物的尾气需处理后才能排放。

（1）N2O的处理。

N2O是硝酸生产中氨催化氧化的副产物，用特种催化剂能使N2O分解。

NH3与O2在加热和催化剂作用下生成N2O的化学方程式为____________________________。

（2）NO和NO2的处理。

已除去N2O的硝酸尾气可用NaOH溶液吸收，主要反应为：

NO＋NO2＋2OH－===2NO

＋H2O

2NO2＋2OH－===NO

＋NO

＋H2O

①下列措施能提高尾气中NO和NO2去除率的有________（填字母）。

A．加快通入尾气的速率

B．采用气、液逆流的方式吸收尾气

C．吸收尾气过程中定期补加适量NaOH溶液

②吸收后的溶液经浓缩、结晶、过滤，得到NaNO2晶体，该晶体中的主要杂质是________（填化学式）；吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是________（填化学式）。

（3）NO的氧化吸收。

用NaClO溶液吸收硝酸尾气，可提高尾气中NO的去除率。

其他条件相同，NO转化为NO

的转化率随NaClO溶液初始pH（用稀盐酸调节）的变化如图所示。

①在酸性NaClO溶液中，HClO氧化NO生成Cl－和NO

，其离子方程式为________________________________________________________________________。

②NaClO溶液的初始pH越小，NO转化率越高。

其原因是

________________________________________________________________________。

解析：

（1）根据信息知，NH3和O2在加热和催化剂作用下生成N2O和H2O，利用电子守恒法配平化学方程式可得2NH3＋2O2

N2O＋3H2O。

（2）①A项，通入尾气速率过快时，尾气吸收不充分，错误；B项，采用气、液逆流方式吸收尾气时，尾气吸收会更充分，正确；C项，补充NaOH溶液，c（OH－）增大，能更充分吸收尾气，正确。

②NO2与NaOH反应可生成NaNO2、NaNO3和水，所以NaNO2晶体中会混有NaNO3杂质。

由吸收尾气的主要反应可知，NO2吸收更充分，故吸收后排放的尾气中NO的含量较高。

（3）①根据题目信息知，在酸性NaClO溶液中，HClO氧化NO生成Cl－和NO

，利用电子守恒法可配平反应的离子方程式：

3HClO＋2NO＋H2O===3Cl－＋2NO

＋5H＋。

②在酸性条件下，ClO－转化成HClO，溶液的pH越小，生成HClO的浓度越大，HClO的氧化性越强，则NO转化率越高。

答案：

（1）2NH3＋2O2

N2O＋3H2O

（2）①BC　②NaNO3　NO

（3）①3HClO＋2NO＋H2O===3Cl－＋2NO

＋5H＋

②溶液pH越小，溶液中HClO的浓度越大，氧化NO的能力越强

3．（2016·全国卷Ⅰ）氮的氧化物（NOx）是大气污染物之一，工业上在一定温度和催化剂条件下用NH3将NOx还原生成N2。

某同学在实验室中对NH3与NO2反应进行了探究。

回答下列问题：

（1）氨气的制备

①氨气的发生装置可以选择上图中的________，反应的化学方程式为______________。

②欲收集一瓶干燥的氨气，选择上图中的装置，其连接顺序为：

发生装置→________（按气流方向，用小写字母表示）。

（2）氨气与二氧化氮的反应

将上述收集到的NH3充入注射器X中，硬质玻璃管Y中加入少量催化剂，充入NO2（两端用夹子K1、K2夹好）。

在一定温度下按图示装置进行实验。

操作步骤

实验现象

解释原因

打开K1，推动注射器活塞，使X中的气体缓慢通入Y管中

①Y管中____________

②反应的化学方程式______

将注射器活塞退回原处并固定，待装置恢复到室温

Y管中有少量水珠

生成的气态水凝聚

打开K2

③______________________

④__________________

解析：

（1）①图中给出了两种气体制备装置，一种是固固加热制气装置，一种是固液加热制气装置。

如果选择A装置制取氨气，则反应的化学方程式为2NH4Cl＋Ca（OH）2

CaCl2＋2NH3↑＋2H2O；如果选择B装置制取氨气，则反应的化学方程式为NH3·H2O

NH3↑＋H2O。

②欲收集一瓶干燥的氨气，首先要除去杂质，制备氨气的杂质只有水蒸气，由于氨气溶于水显碱性，因此要选用碱石灰作干燥剂，干燥管的进出口方向为粗进细出，因此先接d后接c；其次要收集氨气，由于氨气的密度小于空气，要从短管进气，因此先接f再接e；最后要进行尾气处理，由于氨气极易溶于水，因此可以选择水吸收尾气，还要注意防倒吸，所以接i。

（2）由题干内容“工业上在一定温度和催化剂条件下用NH3将NOx还原生成N2”，结合实验条件可知反应为8NH3＋6NO2

7N2＋12H2O，NO2为红棕色气体，发生反应后变成无色气体，因此现象为红棕色气体逐渐变浅。

反应后气体分子数减少，Y管中的压强小于外压，因此产生倒吸现象。

答案：

（1）①A　2NH4Cl＋Ca（OH）2

2NH3↑＋CaCl2＋2H2O（或B　NH3·H2O

NH3↑＋H2O）　②dcfei

（2）①红棕色气体慢慢变浅　②8NH3＋6NO2

7N2＋12H2O　③Z中NaOH溶液产生倒吸现象

④反应后气体分子数减少，Y管中压强小于外压

[课时跟踪检测]

一、选择题（本题共5小题，每小题有一个或两个选项符合题意）

1．氮及其化合物的变化关系如下图所示。

则下列说法不正确的是（　　）

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．上述所有反应都是氧化还原反应

D．氮气可在足量的氧气中通过一步反应生成NO2

解析：

选CD　氮气和氧气在放电或高温条件下反应生成NO，NO与O2反应生成NO2，即氮气与氧气不能一步转化为NO2；反应④不是氧化还原反应。

2．实验室制取氨气、收集、验证其还原性并进行尾气处理的装置和原理能达到实验目的的是（　　）

A．用装置甲制取氨气

B．用装置乙收集氨气时气体应该从a口进b口出

C．装置丙中黑色固体变成红色时还原产物一定为铜

D．可以用装置丁吸收氨气，进行尾气处理

解析：

选B　A项，氯化铵受热分解生成氨气和氯化氢，冷却后又重新化合生成氯化铵，不能用装置甲制取氨气，错误；B项，氨气密度小于空气，可以用向下排空气法收集，即用装置乙收集氨气时气体应该从a口进b口出，正确；C项，装置丙中黑色固体变成红色时还原产物不一定为铜，因为氧化亚铜也是红色的，错误；D项，氨气极易溶于水，不能用水直接吸收，错误。

3．下面是实验室制取氨气的装置和选用的试剂，其中错误的是（　　）

解析：

选AC　A项，NH4Cl受热可产生NH3和HCl，但两者遇冷会重新反应生成NH4Cl，在此过程中还有可能出现堵塞导管的情况，因此不能用该方法制取氨气，错误；B项，浓氨水滴入氧化钙固体中，会发生CaO＋NH3·H2O===Ca（OH）2＋NH3↑，可以制取氨气，正确；C项，试管口未向下倾斜，会导致加热产生的水蒸气冷凝后倒流入试管底部而使试管炸裂，错误；D项，浓氨水受热产生氨气，通过碱石灰吸收水蒸气后即得干燥的NH3，正确。

4．如图是含氮化合物及单质的“类别—价态”二维图，结合二维图及氧化还原反应原理的基本规律，下列相关分析或预测错误的是（　　）

A．硝酸具有较强的氧化性，可用稀硝酸清洗“银镜实验”后的试管

B．NO、NO2和NH3在一定条件下均能反应，可用氨气处理氮氧化物

C．可加热NH4NO3和Ca（OH）2制备氨气

D．联氨（N2H4）可能被亚硝酸（HNO2）氧化生成氢叠氮酸HN3

解析：

选C　HNO3中氮元素为＋5价，具有强氧化性，稀硝酸能氧化许多不活泼的金属，如Cu、Ag等，故A正确；由题图可知NO、NO2和NH3在一定条件下均能发生归中反应，产物是氮气和水，氨气可用于处理氮氧化物，故B正确；通过分析NH4NO3中氮元素价态可知，其可能发生自身的氧化还原反应，所以其受热分解产物不一定有NH3，故不能用NH4NO3和Ca（OH）2共热制备NH3，故C错误；依据价态分析