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第16讲氮及其重要化合物

第16讲 氮及其重要化合物

考纲要求

考情分析

命题趋势

1.了解氮单质及其重要化合物的主要性质及应用。

2.会用硝酸的氧化性解释硝酸与金属、非金属及其他具有还原性物质反应的特点。

3.掌握氨气的实验室制法(包括所用试剂、仪器、反应原理和收集方法)。

2017,北京卷,27T

2017,全国卷Ⅲ,7T

2017,北京卷,12T

2016,全国卷乙,26T

2016,全国卷丙,27T

预计2019年高考对本部分的考查仍将以氨气、铵盐、一氧化氮、二氧化氮和硝酸等物质的性质为重点,以化学实验、化工生产工艺流程为载体,突出考查有关化学方程式的书写和氧化还原反应的计算。

分值:

3~6分

考点一 氮气及氮的氧化物

1.氮元素在自然界中的存在及氮的固定

2.氮气

(1)分子式:

__N2__,电子式:

__

N⋮⋮N

__,结构式:

__N≡N__。

(2)物理性质:

无色无味的气体,密度比空气略小,__难__溶于水,熔点、沸点很低。

(3)化学性质

①与氧气反应:

__N2+O2

2NO__(导致汽车尾气中产生氮的氧化物和雷电固氮);

②与氢气反应:

__N2+3H2

2NH3__(工业合成氨的反应原理);

③与Mg反应:

__3Mg+N2

Mg3N2__。

3.氮的氧化物

(1)氮的氧化物

氮有多种价态的氧化物,如__N2O__、__NO__、__NO2__、__N2O4__、N2O3、N2O5等,其中属于酸性氧化物的是__N2O3、N2O5__。

(2)NO和NO2性质的比较

性质

NO

NO2

颜色状态气味

无色无味气体

__红棕__色有刺激性气味的气体

溶解性

难溶于水

能与水反应

毒性

有毒(跟血红蛋白结合)

有毒

与水反应

不反应

__3NO2+H2O===2HNO3+NO__

与氧气反应

__2NO+O2===2NO2__

不反应

对环境的影响

导致光化学烟雾和酸雨,破坏臭氧层

1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。

(1)食品袋中充氮气可用来防腐。

( √ )

(2)NO能够与人体中的血红蛋白结合,造成人体缺氧中毒。

( √ )

(3)制取NO2时,用水或NaOH溶液吸收尾气。

( × )

(4)标准状况下,6.72LNO2与水充分反应转移的电子数目为0.1NA。

( × )

(5)常温常压下,92g的NO2和N2O4混合气体含有的原子数为6NA。

( √ )

(6)溴蒸气和NO2都为红棕色气体,用湿润的淀粉-KI试纸可以鉴别。

( × )

2.下列说法正确的是( B )

A.CO、NO、NO2都是大气污染气体,在空气中都能稳定存在

B.NO可用于某些疾病的治疗

C.常温下,N2既能与O2反应又能与H2反应

D.汽车尾气的主要污染成分包括NO、CO和N2

(1)NO2与N2O4存在下列平衡:

2NO2N2O4,因此实验测得NO2的平均相对分子质量总大于46。

(2)NO只能用排水法收集,不能用排空气法收集;而NO2只能用向上排空气法收集,不能用排水法收集。

一 氮的氧化物与O2、H2O反应的计算方法

1.关系式法

(1)NO和O2的混合气体通入水中

由2NO+O2===2NO2和3NO2+H2O===2HNO3+NO得总反应为4NO+3O2+2H2O===4HNO3。

(2)NO2和O2的混合气体通入水中

由3NO2+H2O===2HNO3+NO和2NO+O2===2NO2得总

反应为4NO2+O2+2H2O===4HNO3。

(3)NO、NO2和O2三种混合气体通入水中

先按3NO2+H2O===2HNO3+NO计算出生成的NO体积,然后加上原来混合气体中的NO体积,再按

(1)计算。

2.电子守恒法

当NOx转化为硝酸时要失去电子,如果是NOx与O2混合,则反应中O2得到的电子数与NOx失去的电子数相等。

3.原子守恒法

4NO2+O2和4NO+3O2从组成上均相当于2N2O5,都与N2O5+H2O===2HNO3等效。

当NO、NO2、O2的混合气体溶于水时,利用混合气体中N、O原子个数比进行分析判断。

[例1]如图所示,相同条件下,两个容积相同的试管分别装满NO2和NO气体,分别倒置于水槽中,然后通过导管缓慢通入氧气,边通边慢慢摇动试管,直到两个试管内充满液体。

假设试管内的溶质不向水槽中扩散,则两个试管内溶液物质的量浓度之比为( A )

A.1∶1  B.5∶7    

C.7∶5  D.4∶3

解析 NO2、NO装满试管,则体积相同,根据阿伏加德罗定律:

n(NO2)=n(NO)。

根据原子守恒知所得硝酸的物质的量相同,溶液的体积相同,所以两个试管中溶液的物质的量浓度之比为1∶1。

二 NOx尾气的处理方法

1.碱液吸收法

2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O

NO2+NO+2NaOH===2NaNO2+H2O

NO2、NO的混合气体能被足量烧碱溶液完全吸收的的条件是:

n(NO2)≥n(NO)。

一般适合工业尾气中NOx的处理。

2.催化转化法

在催化剂、加热条件下,氨可将氮氧化物转化为无毒气体(N2)或NOx与CO在一定温度下催化转化为无毒气体(N2和CO2)。

一般适用于汽车尾气的处理。

反应方程式为:

(1)4NH3+6NO

5N2+6H2O

(2)8NH3+6NO2

7N2+12H2O

(3)2NO+2CO催化剂,N2+2CO2

(4)2NO2+4CO催化剂,N2+4CO2

[例2](2018·湖北宜昌联考)氮氧化合物(用NOx表示)是大气污染的重要因素,根据NOx的性质特点,开发出多种化学治理氮氧化合物污染的方法。

(1)用氨可将氮氧化物转化为无毒气体。

已知:

4NH3+6NO

5N2+6H2O,8NH3+6NO2

7N2+12H2O。

同温同压下,3.5LNH3恰好将3.0LNO和NO2的混合气体完全转化为N2,则原混合气体中NO和NO2的体积之比为__1∶3__。

(2)工业尾气中氮的氧化物常采用碱液吸收法处理。

①NO2被烧碱溶液吸收时,生成两种钠盐,其物质的量之比为1:

1,写出该反应的化学方程式:

__2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O__。

②NO与NO2按物质的量之比1:

1被足量的NaOH溶液完全吸收后只得到一种钠盐,该钠盐的化学式是__NaNO2__。

解析 

(1)V(NO)+V(NO2)=3.0L,

V(NO)+

V(NO2)=3.5L,则V(NO)=0.75L,V(NO2)=2.25L,V(NO)∶V(NO2)=1∶3。

(2)②NO中氮的化合价为+2,NO2中氮的化合价为+4,利用电子守恒,二者按1∶1混合时与NaOH反应生成盐的化合价必然为+3价,即为NaNO2。

[例1]工业上利用氨氧化获得的高浓度NOx气体(含NO、NO2)制备NaNO2、NaNO3,工艺流程如下:

已知:

Na2CO3+NO+NO2===2NaNO2+CO2。

(1)中和液所含溶质除NaNO2及少量Na2CO3外,还有____________(填化学式)。

(2)中和液进行蒸发Ⅰ操作时,应控制水的蒸发量,避免浓度过大,目的是__________________。

蒸发Ⅰ产生的蒸气中含有少量NaNO2等有毒物质,不能直接排放,将其冷凝后用于流程中的____________(填操作名称)最合理。

(3)母液Ⅰ进行转化时加入稀HNO3的目的是__________。

母液Ⅱ需回收利用,下列处理方法合理的是______(填字母)。

a.转入中和液    b.转入结晶Ⅰ操作

c.转入转化液    d.转入结晶Ⅱ操作

(4)若将NaNO2、NaNO3两种产品的物质的量之比设为2∶1,则生产1.38吨NaNO2时,Na2CO3的理论用量为______吨(假定Na2CO3恰好完全反应)。

[答题送检]来自阅卷名师报告

错误

致错原因

扣分

(1)

Na2CO3吸收NOx时,发生反应的类型没有判断清楚

-1

(2)

HNO3既是强酸又是强氧化剂。

向母液Ⅰ中加入HNO3的目的与最后得到NaNO3有直接关系

-2

[解析]

(1)NO2与碱液反应可生成NaNO3。

(2)蒸发Ⅰ操作的目的是使NaNO2结晶析出,使NaNO3留在母液中,当H2O蒸发量太大时,可能会造成NaNO3的浓度过大,从而形成饱和溶液而结晶析出。

NaNO2冷凝后用于流程中的溶碱操作,以达到原料循环利用的目的。

(3)酸性条件下,NaNO2易被氧化,加入HNO3可提供酸性环境。

母液Ⅱ中含有NaNO3,将其转入转化液,或转入结晶Ⅱ操作,以达到原料循环利用的目的。

(4)设Na2CO3理论用量为x,根据Na元素守恒得2×

×

,解得x=1.59t。

[答案]

(1)NaNO3 

(2)防止NaNO3的析出 溶碱 

(3)将NaNO2转化为NaNO3 cd (4)1.59

1.利用石灰乳和硝酸工业的尾气(含NO、NO2)反应,既能净化空气,又能获得应用广泛的Ca(NO2)2,其部分工艺流程如下:

(1)一定条件下,NO与NO2存在下列反应:

NO(g)+NO2(g)N2O3(g),其平衡常数表达式为K=__

__。

(2)上述工艺中采用气—液逆流接触吸收(尾气从吸收塔底进入,石灰乳从吸收塔顶喷淋),其目的是__使尾气中的NO、NO2被充分吸收__;滤渣可循环使用,滤渣的主要成分是__Ca(OH)2__(填化学式)。

(3)该工艺需控制NO和NO2的物质的量之比接近1∶1。

若n(NO):

n(NO2)>1∶1,则会导致__排放气体中NO的含量升高(或气体吸收不完全)__;若n(NO)∶n(NO2)<1∶1,则会导致__产品Ca(NO2)2中Ca(NO3)2的含量升高__。

(4)生产中溶液需保持弱碱性,在酸性溶液中Ca(NO2)2会发生分解,产物之一是NO,其反应的离子方程式为__3NO

+2H+===NO

+2NO↑+H2O__。

解析 

(2)逆流吸收尾气的目的是充分接触吸收。

从信息“滤渣可循环使用”知滤渣为Ca(OH)2。

(3)由NO+NO2+Ca(OH)2===Ca(NO2)2+H2O和4NO2+2Ca(OH)2===Ca(NO2)2+Ca(NO3)2+2H2O知:

当n(NO)∶n(NO2)<1∶1时可全部被吸收,只是使产品Ca(NO2)2中增多了Ca(NO3)2杂质;若是NO过量,过量的NO与Ca(OH)2不反应,使尾气中NO增多。

1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。

(1)密闭容器中2molNO与1molO2充分反应,产物的分子数为2NA。

( × )

(2)通过灼热的镁粉除去N2中的O2。

( × )

(3)(2016·全国卷乙)用向上排空气法收集铜粉与稀硝酸反应产生的NO。

( × )

(4)燃料的脱硫脱氮、SO2的回收利用和NOx的催化转化都是减少酸雨产生的措施。

( √ )

2.(双选)一定条件下,将0.1LCO、0.2LCO2、0.1LNO、0.2LNO2和0.2LNH3混合,然后分别通过盛有足量蒸馏水、饱和碳酸氢钠溶液和氢氧化钠溶液的三个洗气瓶(洗气瓶排列顺序不确定)。

假设气体通过每个洗气瓶都能充分反应,则尾气(已干燥)( AC )

A.可能是单一气体

B.不可能含有一氧化碳

C.可能存在原气体中的两种气体

D.成分和洗气瓶的排列顺序无关

解析 若混合气体中先通入NaOH溶液,然后再依次通入饱和碳酸氢钠溶液、水(或水、饱和碳酸氢钠溶液),则最后得到的尾气为CO;若混合气体先通过饱和碳酸氢钠溶液、水(或水、饱和碳酸氢钠溶液),最后通入NaOH溶液,则尾气为CO和NO,由此可知尾气中一定含有CO。

考点二 氨和铵盐

1.氨的物理性质

无色有__刺激性__气味的气体,密度比空气__小__,易__液化__。

极易溶于水(1∶700),可由__喷泉__实验证明。

2.氨的化学性质

(1)还原性:

与氧气反应:

__4NH3+5O2

4NO+6H2O__。

与Cl2反应:

__8NH3+3Cl2===N2+6NH4Cl__。

(2)与酸反应:

与氯化氢反应:

__NH3+HCl===NH4Cl__,产生白烟。

(3)与水反应:

__NH3+H2ONH3·H2ONH

+OH-__,氨的水溶液叫氨水,呈弱碱性。

①氨水组成:

三种分子:

__NH3、NH3·H2O、H2O__;三种离子:

__NH

、OH-、H+__。

②氨水的性质:

容易挥发;氨水质量分数越大,其密度越__小__;氨水是很好的沉淀剂,能使Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+转变为氢氧化物沉淀,其中AgOH、Cu(OH)2、Zn(OH)2等沉淀能溶于过量氨水,生成配离子。

③涉及氨水的离子方程式的书写

a.氨水作反应物,用分子式NH3·H2O表示,如:

3NH3·H2O+Al3+===Al(OH)3↓+3NH

b.生成氨水时,若反应物(强碱溶液)为浓溶液或在加热条件下:

NH

+OH-

NH3↑+H2O;

c.生成氨水时,若反应物(强碱溶液)为稀溶液且不加热条件下:

NH

+OH-===NH3·H2O。

(4)与盐溶液反应

现象

离子方程式

FeCl3溶液

生成__红褐__色沉淀

Fe3++3NH3·H2O===Fe(OH)3↓+3NH

AlCl3溶液

生成__白__色沉淀

Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH

3.氨的用途

(1)液氨汽化时吸收大量的热,故用作__制冷剂__。

(2)制氮肥、硝酸、铵盐、纯碱等。

4.铵盐及NH

的检验

(1)铵盐的物理性质

大多数的铵盐是__白__色固体,均__易__溶于水。

(2)铵盐的化学性质(用化学方程式表示)

(3)NH

的检验

1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。

(1)加热NH4Cl和Ca(OH)2的混合物,并将产生的气体通入酚酞溶液中,酚酞溶液变成红色。

( √ )

(2)除去NH4Cl溶液中的Fe3+,可先加入NaOH溶液,然后过滤。

( × )

(3)氨水中物质的量浓度最大的粒子是NH3·H2O(除水外)。

( √ )

(4)检验NH

时,往试样中加入NaOH溶液,微热,用湿润的蓝色石蕊试纸检验逸出的气体。

( × )

(5)向AgNO3溶液中滴加过量氨水,溶液澄清,Ag+与NH3·H2O能大量共存。

( × )

2.下列说法正确的是( A )

A.所有铵盐受热均可以分解,但产物不一定有NH3

B.加热可除去NH4Cl中的少量NaHCO3

C.在盛有硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(SO4)2]溶液的试管中,滴加少量NaOH溶液,在试管口用湿润的红色石蕊试纸检验,试纸变蓝

D.铵盐都易溶于水,其水溶液均呈酸性

(1)NH3是中学化学中唯一的碱性气体,可在推断题中作为解题的突破口,确定NH3的存在。

(2)氨水为混合物,既不是电解质也不是非电解质。

计算氨水浓度时,溶质视为NH3。

(3)铵盐受热都能分解,但不是都产生NH3,如NH4NO3受热分解生成N2O和H2O。

一 喷泉实验

1.喷泉实验的原理

由于容器内外产生压强差而形成喷泉。

气体迅速溶于水或某种溶液中,容器内压强小于容器外压强,从而产生喷泉,依据这一原理,只要能够造成容器内气体大量溶于液体,就可以形成喷泉。

2.形成喷泉的类型

(1)只要气体易溶于吸收剂,均可做喷泉实验,吸收剂可以是水,也可以是酸液、碱液等。

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)

吸收剂

水、NaOH溶液

NaOH溶液

(2)容器内的液体由于受热挥发(如浓盐酸、浓氨水、酒精等)或由于发生化学反应产生气体,容器内产生大量气体,压强迅速增大,促使容器内液体迅速向外流动,也能形成喷泉。

如喷雾器、人造喷泉、火山喷发等均是利用此原理。

3.引发喷泉的几种方法

(1)使烧瓶内的气体迅速溶于水或某种液体中。

(2)使烧瓶内气体温度降低,从而使气压减小。

(3)使烧瓶外待喷液液面上的气压增大。

4.喷泉实验的几种装置

装置②中最好采用顶部有孔的烧瓶。

装置③引发喷泉的方法是打开止水夹,用热毛巾或双手捂热烧瓶,松开后片刻即形成喷泉现象。

[例1]下图是某课外活动小组的同学设计的四个喷泉实验方案。

下列有关操作不可能引发喷泉现象的是( A )

A.挤压装置①的胶头滴管使稀盐酸全部进入烧瓶,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.向装置④的水槽中慢慢加入适量的浓硫酸并打开止水夹

解析 依据喷泉实验原理,装置①的胶头滴管中的稀盐酸全部进入A烧瓶后,烧瓶中的Cl2不会大量溶解,也就不会形成较大压强差。

二 氨气的制法

1.氨的实验室制法

加热固态铵盐和碱的混合物:

2.实验室制取少量NH3的两种简易方法

(1)加热浓氨水

①反应原理:

NH3·H2O

NH3↑+H2O。

②装置:

见图甲。

(2)浓氨水中加固态碱性物质

①反应原理:

浓氨水中存在以下平衡:

NH3+H2ONH3·H2ONH

+OH-,加入固态碱性物质(如CaO、NaOH、碱石灰等),消耗水使平衡逆向移动,同时反应放热,促进NH3·H2O的分解。

②装置:

见图乙。

[例2](2016·全国卷乙节选)氨气的制备:

(1)氨气的发生装置可以选择上图中的__A__,反应的化学方程式为__2NH4Cl+Ca(OH)2

2NH3↑+CaCl2+2H2O或BNH3·H2O

NH3↑+H2O__。

(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→__dcfei__(按气流方向,用小写字母表示)。

解析 

(1)制备氨气,可以用加热NH4Cl和Ca(OH)2的方法,选择装置A;或用加热浓氨水的方法,选择装置B。

(2)制备的氨气中含有水蒸气,先用碱石灰干燥,再用向下排空气法收集,最后用倒扣漏斗吸收尾气。

故连接顺序为:

发生装置→dcfei。

[例1]NH3及其盐都是重要的化工原料。

(1)用NH4Cl和Ca(OH)2制备NH3,反应发生、气体收集和尾气处理装置依次为______。

(2)按如图装置进行NH3性质实验。

①先打开旋塞1,B瓶中的现象是______,原因是______。

稳定后,关闭旋塞1。

②再打开旋塞2,B瓶中的现象是___________________________________________。

(3)设计实验,探究某一种因素对溶液中NH4Cl水解程度的影响。

限选试剂与仪器:

固体NH4Cl、蒸馏水、100mL容量瓶、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、药匙、天平、pH计、温度计、恒温水浴槽(可调控温度)。

①实验目的:

探究______对溶液中NH4Cl水解程度的影响。

②设计实验方案。

拟定实验表格,完整体现实验方案[列出能直接读取数据的相关物理量及需拟定的数据,数据用字母表示;表中“V(溶液)”表示所配制溶液的体积]。

物理量

实验序号   

V(溶液)/mL

1

100

2

100

③按实验序号1所拟数据进行实验,若读取的待测物理量的数值为Y,则NH4Cl水解反应的平衡转化率为______(只列出算式,忽略水自身电离的影响)。

[答题送检]来自阅卷名师报告

错误

致错原因

扣分

(1)

A、B的区别在于试管口的倾斜方向,试管中装入固态药品加热时,应选A,NH3是一种密度较小,极易溶于水的气体,应采用向下排空气法收集

-2

(2)

不能熟练应用阿伏加德罗定律来判断HCl与NH3的物质的量的关系

-2

(3)

考查控制变量法,若研究温度对NH4Cl水解程度的影响,则除温度不同外,其他因素应完全相同

-2

[解析]

(1)用氢氧化钙和氯化铵固体制备氨气时,试管口应略向下倾斜,选用A装置;氨气密度小于空气,采用向下排空气法收集,选用C装置;氨气极易溶于水,尾气处理时选用G装置,防止倒吸。

(2)①A中压强大于B,打开旋塞1后,氯化氢进入B瓶与氨气反应生成氯化铵白色固体小颗粒,所以有白烟生成,同时B瓶压强急剧减小。

②打开旋塞2后,烧杯中的溶液在外界大气压的作用下被压入B瓶,因NH4Cl溶液显酸性而使石蕊水溶液变红。

(3)①由题中所提供的仪器可探究温度对氯化铵水解程度的影响。

②测定中,采用控制变量法,其他条件相同,只改变温度,测溶液的pH变化即可。

③若测定溶液的pH为Y,溶液中c(H+)=10-Ymol/L,忽略水的电离,则参与水解反应的c(NH

)=c(H+),则氯化铵水解反应的平衡转化率为

×100%=

×100%。

[答案]

(1)ACG

(2)①出现白烟 A瓶压强比B瓶大,HCl进入B瓶与NH3反应生成NH4Cl固体小颗粒 ②烧杯中的液体倒吸入B瓶,且紫色石蕊溶液变红

(3)①温度

M(NH4Cl)/g

T/℃

pH

a

b

Y

a

c

X

③α=

×100%

1.某兴趣小组用下图装置探究氨的催化氧化。

(1)氨催化氧化的化学方程式为__4NH3+5O2

4NO+6H2O__。

(2)加热玻璃管2一段时间后,挤压1中打气球鼓入空气,观察到2中物质呈红热状态;停止加热后仍能保持红热,该反应是__放热__反应(填“吸热”或“放热”)。

(3)为保证在装置4中观察到红棕色气体,装置3应装入__浓H2SO4__;若取消装置3,在装置4中仅观察到大量白烟,原因是__生成的NO与O2反应生成NO2,NO2与水反应生成HNO3,NH3与HNO3反应生成了NH4NO3__。

(4)为实现氨催化氧化,也可用装置5替换装置__1__(填装置代号);化合物X为__NH4Cl__(只写一种),Na2O2的作用是__与HCl反应生成氧气__。

解析 

(1)NH3催化氧化生成NO和水。

(2)停止加热还能保持红热,说明反应为放热反应。

(3)为在装置4中观察到红棕色气体NO2,需在装置3中将生成的水吸收,以保证进入装置4的气体是干燥的NO,故装置3中应装入的试剂为浓硫酸;看到“白烟”,说明生成固体,结合有关反应可知产生白烟现象的原因:

生成的NO与O2反应生成NO2,NO2与水反应生成HNO3,NH3与HNO3反应生成了NH4NO3。

(4)装置5是气体发生装置,故结合原装置可知可以代替装置1;化合物X必须受热分解才能产生NH3,同时产生的另一产物还要与Na2O2作用产生氧气,因此X可以为NH4Cl、NH4HCO3等。

1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。

(1)(2017·江苏卷)NH3易溶于水,所以NH3可用作制冷剂。

( × )

(2)(2016·江苏卷)NH4HCO3受热易分解,故可作氮肥。

( × )

(3)(2016·上海卷)用生石灰与浓氨水制得的气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝,说明NH3为碱性气体。

( √ )

(4)施肥时,草木灰(有效成分为K2CO3)不能与NH4Cl混合使用,是因为K2CO3与NH4Cl反应生成氨气会降低肥效。

( √ )

2.(2016·上海卷

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