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2024届高考化学一轮复习课件 第四章 化工生产中的重要非金属元素 第3讲 氮及其化合物
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第3讲 氮及其化合物
必备知识·整合
一、氮气及其氧化物1.氮的位、构、性(1)氮元素位于元素周期表的第 周期、第 族。
二
ⅤA
(2)原子结构示意图为 。
(3)性质:最外层有 个电子,既不容易得电子,也不容易失电子。
5
2.氮的固定
游离
化合
自然
3.氮气(1)物理性质: 色、 味气体,密度比空气略小, 溶于水。(2)化学性质。
无
无
难
写出有关化学方程式:① ;Mg3N2是离子化合物,在水中强烈水解: 。② 。③ (闪电、汽车引擎中发生的反应)。
(3)用途。①博物馆将贵重文物保存在氮气中。②氮气是合成氨工业的重要原料。③雷电固氮是自然界重要的固氮方式。④医疗上, 是常见的冷冻剂。4.氮的氧化物(1)氮有多种价态的氧化物,氮元素从+1～+5价都有对应的氧化物,如N2O、NO、N2O3、NO2(或N2O4)、N2O5,其中N2O5、N2O3分别是 、 的酸酐。
液氮
硝酸
亚硝酸(HNO2)
(2)NO和NO2的比较。
无
无
红棕
刺激性
大
不
易
检验:通入O2(或空气)
有
有
排水法
向上排空气法
5.氮氧化物对环境的污染及防治(1)常见的污染类型。①光化学烟雾。②硝酸型酸雨。③破坏臭氧层。④NO与血红蛋白结合使人中毒。(2)常见的NOx尾气处理方法。
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。
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)高温、高压、催化剂条件下与氢气反应时,氮气作还原剂。( )
×
(2)N2与O2在放电条件下直接化合成NO2。( )
×
(3)NO2可以通过化合反应获得。( )(4)NO2能与水反应生成硝酸,故NO2为酸性氧化物。( )(5)CO、NO、NO2都是大气污染气体,都能在空气中稳定存在。( )
√
×
×
二、氨和铵盐1.氨的分子结构
三角锥
极性
2.氨的物理性质
无色
刺激性
小
极易
700
3.氨的化学性质
NH3·H2O、
(2)与酸的反应:蘸有浓盐酸的玻璃棒与蘸有浓氨水的玻璃棒靠近,其现象为有 生成,将浓盐酸改为 ,也会出现相同的现象。化学方程式: 、 。
白烟
浓硝酸
(3)与盐溶液的反应。如过量氨水与AlCl3反应的离子方程式: 。(4)氨的还原性——氨的催化氧化。化学方程式: 。4.氨的实验室制法(1)加热固态铵盐和碱的混合物。一般加热NH4Cl和Ca(OH)2的混合物,化学方程式: . 。
2NH3↑+CaCl2+2H2O
②干燥:碱石灰(或固体NaOH、固体CaO)。③收集:只能用 法。④验满方法:a.用 试纸置于试管口,试纸变 色;b.将蘸有 的玻璃棒置于试管口,现象是有 产生。⑤尾气处理:收集时,一般在管口塞一团用水或稀硫酸浸湿的棉花球,可减小NH3与空气的对流速度,收集到纯净的NH3,同时也可避免污染空气。
不能用浓硫酸、无水CaCl2
向下排空气
湿润的红色石蕊
蓝
浓盐酸
白烟
(2)实验室制取氨的其他方法。
(1)铵盐的物理性质。铵盐都是 色固体,均 溶于水。(2)铵盐的化学性质。①不稳定性。a.NH4Cl受热分解: 。b.NH4HCO3受热分解: 。c.硫酸铵、硝酸铵分解产物复杂。
白
易
②与碱反应。a.在稀溶液中不加热: 。b.加热时或浓溶液: 。③铵盐溶于水易水解: 。
(1)氨极易溶于水,因此氨水比较稳定(NH3·H2O不容易分解)。( )
×
(3)加热盛有NH4Cl固体的试管,试管底部固体消失,试管口有晶体凝结,说明NH4Cl固体可以升华。( )
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
×
×
三、硝酸1.物理性质 色、有 气味的液体,沸点低,易 ,在空气中呈白雾状,易溶于水。质量分数为95%以上的浓硝酸为发烟硝酸。
无
刺激性
挥发
2.化学性质
写出下列反应的化学方程式,是离子反应的写离子方程式。①不稳定性: 。
②稀硝酸与铜反应: 。③浓硝酸与铜反应: 。④浓硝酸与C反应: 。⑤稀硝酸与FeSO4溶液反应: 。
3.硝酸工业制法的反应原理
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)常温下,可以用铁或铝制容器来盛装浓硝酸或浓硫酸。( )
解析:(1)常温下,铁和铝在冷的浓硫酸或浓硝酸中表面被氧化成一层致密的氧化物薄膜,阻止了酸与内层金属的继续反应。
√
(2)过量的铜与浓硝酸反应,产物中一定有NO。( )
√
(3)浓硝酸在光照下久置,会变黄。( )
√
(4)不用浓硝酸与铜屑反应来制取硝酸铜,说明浓硝酸具有挥发性。( )
解析:(4)因为反应会生成二氧化氮,污染环境并且氮原子利用率没有达到百分之百。
×
(5)在稀硫酸中加入铜粉,铜粉不溶解,再加入Cu(NO3)2固体,铜粉仍不溶解。( )
×
关键能力·提升
考点一 氮及其氧化物
1.自然界中时刻存在着氮气的转化。实现氮气按照一定方向转化一直是科学领域研究的重要课题,如图为N2分子在催化剂的作用下发生的一系列转化示意图。下列叙述正确的是( )A.N2→NH3,NH3→NO均属于氮的固定B.在催化剂a作用下,N2发生了氧化反应C.催化剂a、b表面均发生了极性共价键的断裂D.使用催化剂a、b均可以提高单位时间内生成物的产量
D
解析:氮的固定是指氮由游离态转变为化合态,NH3→NO不属于氮的固定,故A错误;由示意图可知,在催化剂a的表面只发生了非极性共价键的断裂,没有发生极性共价键的断裂,故C错误。
2.(2022·四川棠湖中学期末)某学习小组设计实验探究NO与铜粉的反应并检验NO,实验装置如图所示(夹持装置省略)。实验开始前,向装置中通入一段时间的N2,排尽装置内的空气。
下列对该实验相关描述错误的是( )A.装置F、I中的试剂依次为水、硫酸亚铁溶液B.装置J收集的气体中不含NOC.实验结束后,先熄灭酒精灯,再关闭分液漏斗的活塞D.若观察到装置H中红色粉末变黑色,则NO与Cu发生了反应
B
考点二 氨和铵盐
某化学兴趣小组利用图1装置制取氨气并探究氨气的有关性质。
(1)装置A中烧瓶内试剂可选用 (填字母,下同),装置B中试剂可选用 。 a.碱石灰 b.浓硫酸 c.生石灰 d.五氧化二磷 e.烧碱
(2)在K2的导管末端连接图2装置中的装置 (填序号),当装置D中集满氨气后,关闭K1、K2,打开K3,引发喷泉的实验操作是 。 (3)若探究氨气的还原性,需打开K1、K3,在K2处导管连接制取纯净、干燥氯气的装置。①用二氧化锰与浓盐酸制取氯气,生成的气体必须通过分别盛有 、 (填试剂名称)的洗气瓶。 ②D中氨气与氯气反应产生白烟,同时生成一种无色无味的气体,该反应的化学方程式为 。 ③从K3处导管逸出的气体中含有少量Cl2,则装置C烧杯中应盛放 (填化学式)溶液进行吸收,反应的离子方程式为 。
解析:(2)氨气极易溶于水,不溶于CCl4,需选择防倒吸装置进行实验探究,因此需选择图2中的Ⅱ或Ⅲ。根据喷泉实验的原理,要使装置D中发生喷泉现象,可用热毛巾将烧瓶D焐热,使D中氨气受热膨胀通过导管与水接触,即产生“喷泉”。(3)①用二氧化锰与浓盐酸制取的氯气中,混有氯化氢气体和水蒸气,要得到纯净、干燥的氯气需通过饱和食盐水除去氯化氢,通过浓硫酸除去水蒸气。②探究氨气具有还原性,氯气与氨气反应产生“白烟”的成分为氯化铵,氯元素化合价降低,则生成的“无色无味的气体”必为氨气的氧化产物,可推知为氮气。③氯气是有毒气体,可与强碱溶液反应,因此可用氢氧化钠溶液进行尾气吸收。
答案:(1)ace ace(2)Ⅱ(或Ⅲ) 用热毛巾将烧瓶D焐热(其他合理答案均可)
氨和铵盐的性质
1.某同学探究氨气和铵盐的性质,对相关实验操作及现象描述正确的是( )
A
2.实验室制取NH3时,下列装置能达到相应实验目的的是( )
B
解析:实验室用加热NH4Cl和Ca(OH)2固体混合物的方法制取少量氨气,制取装置中试管口应该略向下倾斜,防止水倒流引起试管炸裂,故A错误;碱性气体选用碱性干燥剂,故可用碱石灰干燥氨气,故B正确;氨气的密度比空气小,应该用向下排空气法收集,故C错误;氨气极易溶于水,装置图中导管直接插入水中,会引起倒吸,故D错误。
3.(2022·山东青岛二模)为探究氨及铵盐性质,将NH4Cl晶体装入如图所示T形三通管两端,进行微型实验。下列说法错误的是( )
B
A.轻轻挤压任一乳胶头,若蒸馏水中有气泡冒出,则装置气密性良好B.同时点燃两个酒精灯后,两端湿润的pH试纸均变蓝C.实验过程中竖直支管上方会出现白烟D.停止加热后可以交替挤压两边乳胶头,使气体吸收更充分,减少污染
解析:pH试纸遇酸变红,遇碱变蓝,氯化铵受热分解生成氨气和HCl,左端氯化钙会吸收氨气,右端NaOH会吸收HCl,因此同时点燃两个酒精灯后,左端pH试纸变红,右端pH试纸变蓝,故B错误;竖直支管上方同时有氨气和HCl,两者相遇变为氯化铵,因此实验过程中竖直支管上方会出现白烟,故C正确。
4.(不定项)(2022·河北沧县中学阶段练习)某兴趣小组进行了如下实验:
已知:气体扩散速率与相对分子质量、温度、距离等有关。下列叙述不正确的是( )
AD
解析:可逆反应是在同一条件下既能正向进行同时又能逆向进行的反应,氯化铵分解需要加热,氨和氯化氢反应在常温下就能进行,故D符合题意。
喷泉实验
5.(2020·全国Ⅲ卷)喷泉实验装置如图所示。应用下列各组气体-溶液,能出现喷泉现象的是( )
B
解析:H2S与稀盐酸不反应,且在稀盐酸中的溶解度较小,向圆底烧瓶中挤入少量稀盐酸,不能造成圆底烧瓶内气压明显减小,不能形成喷泉,A项错误;HCl能与稀氨水反应,向圆底烧瓶中挤入少量稀氨水会造成圆底烧瓶内气压明显减小,能形成喷泉,B项正确;NO与稀硫酸不反应,且不溶于稀硫酸,向圆底烧瓶中挤入稀硫酸,不能造成圆底烧瓶内气压明显减小,不能形成喷泉,C项错误;CO2在饱和NaHCO3溶液中的溶解度较小,向圆底烧瓶中挤入饱和NaHCO3溶液,不能造成圆底烧瓶内气压明显减小,不能形成喷泉,D项错误。
[归纳总结] (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吸收剂。
(3)引发喷泉的几种方法。①减小烧瓶内压强。a.使烧瓶内气体迅速溶于水或某种液体中。b.使烧瓶内气体温度降低,从而使气压减小。②增大外界压强,使锥形瓶中待喷液体液面上的气压增大。
考点三 硝酸
(2022·北京模拟)铁与不同浓度的硝酸溶液反应时各种还原产物的相对含量与硝酸溶液浓度的关系如图所示。下列说法错误的是( )
D
A.硝酸溶液的浓度越小,其还原产物中氮的价态越低的成分越多B.硝酸溶液与铁反应往往同时生成多种还原产物C.当硝酸溶液浓度为9.75 mol·L-1时,氧化剂与还原剂的物质的量之比可为15∶13D.铁能与大于12.2 mol·L-1硝酸溶液反应,说明不存在“钝化”现象
根据上述题干信息,下列说法错误的是( )
D
解析:当硝酸溶液浓度为9.75 mol·L-1时,还原产物是NO、NO2、N2O,用一定量的铁粉与足量的9.75 mol·L-1HNO3溶液反应得到标准状况下气体2.24 L,部分硝酸被还原、部分硝酸生成硝酸铁,若还原产物全是NO,参加反应的硝酸为0.4 mol;若还原产物全是NO2,参加反应的硝酸为0.2 mol;若还原产物全是N2O,参加反应的硝酸为1 mol;所以参加反应的硝酸的物质的量大于0.200 mol,D错误。
1.下列有关硝酸的说法正确的是( )A.工业硝酸的质量分数约为69%,常因溶有少量NO而略显黄色B.硝酸是一种氧化性很强的酸,可以与金、铂等金属反应C.将木炭放入浓硝酸中,可立即观察到有气泡生成D.工业制备硝酸第三步为用水吸收二氧化氮生成硝酸
D
解析:工业硝酸的质量分数约为69%,常因溶有少量NO2而略显黄色,故A错误;硝酸是一种氧化性很强的酸,可以和很多金属(除金、铂)反应,故B错误;将木炭放入浓硝酸中,由于木炭的活泼性较弱,反应速率很慢,不能立即观察到有气泡生成,中学阶段一般理解为要加热才反应,故C错误。
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( )
D
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.由②中的红棕色气体不能表明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,由此说明木炭一定与浓硝酸发生了反应
解析:浓硝酸不稳定,易分解为二氧化氮、水和氧气。③的气体产物中检测出CO2,CO2可能是C和氧气反应生成的产物,故D错误。
3.将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸溶液反应,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。请回答下列问题。
(1)NO的体积为 L,NO2的体积为 L。
答案:(1)5.824 5.376
3.将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸溶液反应,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。请回答下列问题。
(2)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。
3.将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸溶液反应,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。请回答下列问题。
(3)欲使铜与HNO3反应生成的气体在NaOH溶液中全部转化为NaNO3,至少需要30%的H2O2溶液 g。
解析:(3)根据(1)中计算可得n(NO)=0.26 mol,n(NO2)=0.24 mol。从反应的始终态分析,即要将NO中+2价的N元素和NO2中+4价的N元素完全转化为NaNO3中+5价的N元素。根据得失电子守恒得n(NO)×3+n(NO2)×1=n(H2O2)×2,即0.26 mol×3+0.24 mol=n(H2O2)×2,求得n(H2O2)=0.51 mol。m(H2O2)=0.51 mol×34 g·mol-1=17.34 g,需要30%的H2O2溶液的质量为17.34 g÷30%=57.8 g。
答案:(3)57.8
[归纳总结] 金属与硝酸反应的思维模型
微专题9 常见气体的制备、净化、收集与尾气处理
1.气体制备实验的基本思路
2.常见气体的发生装置和创新装置根据反应物状态和反应条件选择气体发生装置:
3.气体的干燥、净化装置(1)除杂试剂选择的依据:主体气体和杂质气体性质上的差异,如溶解性、酸碱性、氧化性、还原性等。(2)除杂原则:①不损失主体气体;②不引入新的杂质气体;③在密闭装置内进行;④先除易除的杂质气体。
(3)根据制备气体及杂质气体的性质选择如下气体净化装置及干燥装置:
当CO2中混有O2杂质时,应选用上述Ⅰ～Ⅳ中的Ⅳ装置除O2,除杂试剂是Cu丝网。
4.气体的收集方法及收集装置根据制备气体的水溶性及气体的密度选择收集方法及收集装置:
5.气体的量取装置对难溶于水且不与水反应的气体,往往利用量筒或滴定管组装如图所示的装置量取其体积。
6.尾气的处理(1)原因:有些气体有毒或有可燃性,任其逸散到空气中,会污染空气或者引发火灾、爆炸等灾害。
(2)处理方法:一般根据气体的相关性质,使其转化为非气态物质或无毒物质,如酸性有毒气体用碱溶液吸收,可燃性气体用点燃等措施。实验室中常见有毒气体的处理方法如下:
(3)尾气处理装置。
①在水中溶解度较小的有毒气体,多数可通入盛有某种试剂的烧杯中被吸收除去(如图甲),如Cl2、NO2均可通入NaOH溶液中除去。②某些可燃性气体可用点燃(如图乙)或转化的方法除去,如CO、H2可点燃或通过灼热的CuO除去。③某些可燃性或有毒气体可以采用收集的方法除去(如图丙),如CH4、C2H4、H2、CO等。
④对于溶解度很大、吸收速率很快的气体,吸收时应防止倒吸,典型装置如图丁。常见的防倒吸装置还有如下改进装置(以NH3的防倒吸为例,未注明的液体为水)。
1.用下列装置进行SO2制取、性质验证和尾气处理,其中不能实现相应实验目的的是( )
考查气体的制备与性质探究
C
解析:二氧化硫为酸性氧化物,能与碱反应生成盐和水,所以二氧化硫能使滴有酚酞的氢氧化钠溶液褪色,未体现其漂白性,故C不能达到实验目的。
2.根据装置和下表内的物质(省略夹持、净化以及尾气处理装置,图1中虚线框内的装置是图2),能达到相应实验目的的是( )
C
解析:浓氨水与碱石灰不加热可以制取氨气,但NH3极易溶于水,在c中收集不到NH3,故A不符合题意;浓硝酸有强氧化性,Na2SO3有强还原性,浓硝酸与Na2SO3发生氧化还原反应,不产生SO2,且品红溶液不能检验SO2的氧化性,故B不符合题意;浓盐酸与MnO2需要加热才能发生反应生成Cl2,图中缺少酒精灯,故D不符合题意。
考查实验仪器的连接分析与应用
AB
A.装置连接顺序是甲→丙→丁→戊→乙B.丙的作用是冷却收集SO3C.分解得到的红棕色固体溶于KSCN溶液,显红色D.戊中溴水褪色表明SO2有漂白性
解析:氧化铁不溶于KSCN溶液,应先将红棕色固体溶于盐酸,再加KSCN溶液,C错误;戊中溴水褪色,表明SO2有还原性,D错误。
考查实验仪器的作用与实验评价
B
4.(2022·河南三模)用如图装置测定水中氢、氧元素的质量比,其方法是分别测定通氢气前后玻璃管的质量差和U形管的质量差,实验测得m(H)∶m(O)>1∶8。下列对导致这一结果的原因的分析中,一定错误的是( )A.Ⅰ、Ⅱ装置之间缺少干燥装置B.CuO没有全部被还原C.Ⅱ装置中玻璃管内有水冷凝D.Ⅲ装置后缺少干燥装置
解析:根据题意,氧元素的质量=通氢气前后玻璃管的质量差,氢元素的质量=通氢气前后U形管的质量差(水的质量)-氧元素的质量。Ⅰ、Ⅱ装置之间缺少干燥装置,U形管中吸收水的质量偏大,则测得氢元素的质量偏大,m(H)∶m(O)>1∶8,故A不符合题意;CuO没有全部被还原,U形管中吸收的水中的氧元素完全来自氧化铜,不影响水中氢、氧元素的质量比,故B符合题意;Ⅱ装置中玻璃管内有水冷凝,通氢气前后玻璃管的质量差变小,则测得氧元素的质量偏小,m(H)∶m(O)>1∶8,故C不符合题意;Ⅲ装置后缺少干燥装置,U形管中吸收水的质量偏大,则测得氢元素的质量偏大,m(H)∶m(O)>1∶8,故D不符合题意。
5.(2022·福建三明三模)1-溴丁烷是密度比水大、难溶于水的无色液体,常用作有机合成中的烷基化试剂。将浓硫酸、NaBr固体、1-丁醇混合加热回流后,再经洗涤→干燥→蒸馏获得纯品。实验中涉及如下装置(部分夹持和加热装置省略):
下列说法错误的是( )A.图中所示两处冷凝管中冷凝水方向均为从a口进b口出B.气体吸收装置的作用是吸收HBr等有毒气体C.浓硫酸的作用是作反应物、催化剂等D.洗涤时,经“水洗→碱洗(Na2CO3溶液)→水洗”可除去大部分杂质
A
解析:回流装置的冷凝管中的冷凝水为a口进b口出,蒸馏装置的冷凝管中的冷凝水为b口进a口出,故A错误;分液漏斗中要先进行水洗分液除去HBr和大部分1-丁醇,再用饱和Na2CO3溶液洗涤除去剩余的酸后分液,最后用水洗分液除去过量的Na2CO3等残留物,故D正确。
高考真题·导向
1.(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NH3B.侯氏制碱法以H2O、NH3、CO2、NaCl为原料制备NaHCO3和NH4ClC.工业上通过NH3催化氧化等反应过程生产HNO3D.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”
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错误。
2.(2022·北京卷)某MOFs的多孔材料刚好可将N2O4“固定”,实现了NO2与N2O4分离并制备HNO3,如图所示:
D
3.下列说法正确的是( )
A
4.下列有关说法正确的是( )A.可通过加热氯化铵固体的方法制备氨气(2021·全国甲卷)B.可通过将铝片加到冷浓硝酸中的方法制备二氧化氮(2021·全国甲卷)C.NH4HCO3受热易分解,因而可用作化肥(2019·江苏卷)
D
5.(2021·福建卷)明代《徐光启手迹》记载了制备硝酸的方法,其主要流程(部分产物已省略)如下:下列说法错误的是( )A.FeSO4的分解产物X为FeOB.本流程涉及复分解反应C.HNO3的沸点比H2SO4的低D.制备使用的铁锅易损坏
解析:据图可知FeSO4分解时生成SO2和SO3,部分S元素被还原,则Fe元素应被氧化,X为Fe2O3,A错误;H2SO4与KNO3在蒸馏条件下生成HNO3和K2SO4,为复分解反应,B正确;H2SO4与KNO3混合后,蒸馏过程中生成HNO3,说明HNO3的沸点比H2SO4的低,C正确;硫酸、硝酸均可以和铁反应,所以制备使用的铁锅易损坏,D正确。
A
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第3讲 氮及其化合物
必备知识·整合
一、氮气及其氧化物1.氮的位、构、性(1)氮元素位于元素周期表的第 周期、第 族。
二
ⅤA
(2)原子结构示意图为 。
(3)性质:最外层有 个电子,既不容易得电子,也不容易失电子。
5
2.氮的固定
游离
化合
自然
3.氮气(1)物理性质: 色、 味气体,密度比空气略小, 溶于水。(2)化学性质。
无
无
难
写出有关化学方程式:① ;Mg3N2是离子化合物,在水中强烈水解: 。② 。③ (闪电、汽车引擎中发生的反应)。
(3)用途。①博物馆将贵重文物保存在氮气中。②氮气是合成氨工业的重要原料。③雷电固氮是自然界重要的固氮方式。④医疗上, 是常见的冷冻剂。4.氮的氧化物(1)氮有多种价态的氧化物,氮元素从+1～+5价都有对应的氧化物,如N2O、NO、N2O3、NO2(或N2O4)、N2O5,其中N2O5、N2O3分别是 、 的酸酐。
液氮
硝酸
亚硝酸(HNO2)
(2)NO和NO2的比较。
无
无
红棕
刺激性
大
不
易
检验:通入O2(或空气)
有
有
排水法
向上排空气法
5.氮氧化物对环境的污染及防治(1)常见的污染类型。①光化学烟雾。②硝酸型酸雨。③破坏臭氧层。④NO与血红蛋白结合使人中毒。(2)常见的NOx尾气处理方法。
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。
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)高温、高压、催化剂条件下与氢气反应时,氮气作还原剂。( )
×
(2)N2与O2在放电条件下直接化合成NO2。( )
×
(3)NO2可以通过化合反应获得。( )(4)NO2能与水反应生成硝酸,故NO2为酸性氧化物。( )(5)CO、NO、NO2都是大气污染气体,都能在空气中稳定存在。( )
√
×
×
二、氨和铵盐1.氨的分子结构
三角锥
极性
2.氨的物理性质
无色
刺激性
小
极易
700
3.氨的化学性质
NH3·H2O、
(2)与酸的反应:蘸有浓盐酸的玻璃棒与蘸有浓氨水的玻璃棒靠近,其现象为有 生成,将浓盐酸改为 ,也会出现相同的现象。化学方程式: 、 。
白烟
浓硝酸
(3)与盐溶液的反应。如过量氨水与AlCl3反应的离子方程式: 。(4)氨的还原性——氨的催化氧化。化学方程式: 。4.氨的实验室制法(1)加热固态铵盐和碱的混合物。一般加热NH4Cl和Ca(OH)2的混合物,化学方程式: . 。
2NH3↑+CaCl2+2H2O
②干燥:碱石灰(或固体NaOH、固体CaO)。③收集:只能用 法。④验满方法:a.用 试纸置于试管口,试纸变 色;b.将蘸有 的玻璃棒置于试管口,现象是有 产生。⑤尾气处理:收集时,一般在管口塞一团用水或稀硫酸浸湿的棉花球,可减小NH3与空气的对流速度,收集到纯净的NH3,同时也可避免污染空气。
不能用浓硫酸、无水CaCl2
向下排空气
湿润的红色石蕊
蓝
浓盐酸
白烟
(2)实验室制取氨的其他方法。
(1)铵盐的物理性质。铵盐都是 色固体,均 溶于水。(2)铵盐的化学性质。①不稳定性。a.NH4Cl受热分解: 。b.NH4HCO3受热分解: 。c.硫酸铵、硝酸铵分解产物复杂。
白
易
②与碱反应。a.在稀溶液中不加热: 。b.加热时或浓溶液: 。③铵盐溶于水易水解: 。
(1)氨极易溶于水,因此氨水比较稳定(NH3·H2O不容易分解)。( )
×
(3)加热盛有NH4Cl固体的试管,试管底部固体消失,试管口有晶体凝结,说明NH4Cl固体可以升华。( )
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
×
×
三、硝酸1.物理性质 色、有 气味的液体,沸点低,易 ,在空气中呈白雾状,易溶于水。质量分数为95%以上的浓硝酸为发烟硝酸。
无
刺激性
挥发
2.化学性质
写出下列反应的化学方程式,是离子反应的写离子方程式。①不稳定性: 。
②稀硝酸与铜反应: 。③浓硝酸与铜反应: 。④浓硝酸与C反应: 。⑤稀硝酸与FeSO4溶液反应: 。
3.硝酸工业制法的反应原理
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)常温下,可以用铁或铝制容器来盛装浓硝酸或浓硫酸。( )
解析:(1)常温下,铁和铝在冷的浓硫酸或浓硝酸中表面被氧化成一层致密的氧化物薄膜,阻止了酸与内层金属的继续反应。
√
(2)过量的铜与浓硝酸反应,产物中一定有NO。( )
√
(3)浓硝酸在光照下久置,会变黄。( )
√
(4)不用浓硝酸与铜屑反应来制取硝酸铜,说明浓硝酸具有挥发性。( )
解析:(4)因为反应会生成二氧化氮,污染环境并且氮原子利用率没有达到百分之百。
×
(5)在稀硫酸中加入铜粉,铜粉不溶解,再加入Cu(NO3)2固体,铜粉仍不溶解。( )
×
关键能力·提升
考点一 氮及其氧化物
1.自然界中时刻存在着氮气的转化。实现氮气按照一定方向转化一直是科学领域研究的重要课题,如图为N2分子在催化剂的作用下发生的一系列转化示意图。下列叙述正确的是( )A.N2→NH3,NH3→NO均属于氮的固定B.在催化剂a作用下,N2发生了氧化反应C.催化剂a、b表面均发生了极性共价键的断裂D.使用催化剂a、b均可以提高单位时间内生成物的产量
D
解析:氮的固定是指氮由游离态转变为化合态,NH3→NO不属于氮的固定,故A错误;由示意图可知,在催化剂a的表面只发生了非极性共价键的断裂,没有发生极性共价键的断裂,故C错误。
2.(2022·四川棠湖中学期末)某学习小组设计实验探究NO与铜粉的反应并检验NO,实验装置如图所示(夹持装置省略)。实验开始前,向装置中通入一段时间的N2,排尽装置内的空气。
下列对该实验相关描述错误的是( )A.装置F、I中的试剂依次为水、硫酸亚铁溶液B.装置J收集的气体中不含NOC.实验结束后,先熄灭酒精灯,再关闭分液漏斗的活塞D.若观察到装置H中红色粉末变黑色,则NO与Cu发生了反应
B
考点二 氨和铵盐
某化学兴趣小组利用图1装置制取氨气并探究氨气的有关性质。
(1)装置A中烧瓶内试剂可选用 (填字母,下同),装置B中试剂可选用 。 a.碱石灰 b.浓硫酸 c.生石灰 d.五氧化二磷 e.烧碱
(2)在K2的导管末端连接图2装置中的装置 (填序号),当装置D中集满氨气后,关闭K1、K2,打开K3,引发喷泉的实验操作是 。 (3)若探究氨气的还原性,需打开K1、K3,在K2处导管连接制取纯净、干燥氯气的装置。①用二氧化锰与浓盐酸制取氯气,生成的气体必须通过分别盛有 、 (填试剂名称)的洗气瓶。 ②D中氨气与氯气反应产生白烟,同时生成一种无色无味的气体,该反应的化学方程式为 。 ③从K3处导管逸出的气体中含有少量Cl2,则装置C烧杯中应盛放 (填化学式)溶液进行吸收,反应的离子方程式为 。
解析:(2)氨气极易溶于水,不溶于CCl4,需选择防倒吸装置进行实验探究,因此需选择图2中的Ⅱ或Ⅲ。根据喷泉实验的原理,要使装置D中发生喷泉现象,可用热毛巾将烧瓶D焐热,使D中氨气受热膨胀通过导管与水接触,即产生“喷泉”。(3)①用二氧化锰与浓盐酸制取的氯气中,混有氯化氢气体和水蒸气,要得到纯净、干燥的氯气需通过饱和食盐水除去氯化氢,通过浓硫酸除去水蒸气。②探究氨气具有还原性,氯气与氨气反应产生“白烟”的成分为氯化铵,氯元素化合价降低,则生成的“无色无味的气体”必为氨气的氧化产物,可推知为氮气。③氯气是有毒气体,可与强碱溶液反应,因此可用氢氧化钠溶液进行尾气吸收。
答案:(1)ace ace(2)Ⅱ(或Ⅲ) 用热毛巾将烧瓶D焐热(其他合理答案均可)
氨和铵盐的性质
1.某同学探究氨气和铵盐的性质,对相关实验操作及现象描述正确的是( )
A
2.实验室制取NH3时,下列装置能达到相应实验目的的是( )
B
解析:实验室用加热NH4Cl和Ca(OH)2固体混合物的方法制取少量氨气,制取装置中试管口应该略向下倾斜,防止水倒流引起试管炸裂,故A错误;碱性气体选用碱性干燥剂,故可用碱石灰干燥氨气,故B正确;氨气的密度比空气小,应该用向下排空气法收集,故C错误;氨气极易溶于水,装置图中导管直接插入水中,会引起倒吸,故D错误。
3.(2022·山东青岛二模)为探究氨及铵盐性质,将NH4Cl晶体装入如图所示T形三通管两端,进行微型实验。下列说法错误的是( )
B
A.轻轻挤压任一乳胶头,若蒸馏水中有气泡冒出,则装置气密性良好B.同时点燃两个酒精灯后,两端湿润的pH试纸均变蓝C.实验过程中竖直支管上方会出现白烟D.停止加热后可以交替挤压两边乳胶头,使气体吸收更充分,减少污染
解析:pH试纸遇酸变红,遇碱变蓝,氯化铵受热分解生成氨气和HCl,左端氯化钙会吸收氨气,右端NaOH会吸收HCl,因此同时点燃两个酒精灯后,左端pH试纸变红,右端pH试纸变蓝,故B错误;竖直支管上方同时有氨气和HCl,两者相遇变为氯化铵,因此实验过程中竖直支管上方会出现白烟,故C正确。
4.(不定项)(2022·河北沧县中学阶段练习)某兴趣小组进行了如下实验:
已知:气体扩散速率与相对分子质量、温度、距离等有关。下列叙述不正确的是( )
AD
解析:可逆反应是在同一条件下既能正向进行同时又能逆向进行的反应,氯化铵分解需要加热,氨和氯化氢反应在常温下就能进行,故D符合题意。
喷泉实验
5.(2020·全国Ⅲ卷)喷泉实验装置如图所示。应用下列各组气体-溶液,能出现喷泉现象的是( )
B
解析:H2S与稀盐酸不反应,且在稀盐酸中的溶解度较小,向圆底烧瓶中挤入少量稀盐酸,不能造成圆底烧瓶内气压明显减小,不能形成喷泉,A项错误;HCl能与稀氨水反应,向圆底烧瓶中挤入少量稀氨水会造成圆底烧瓶内气压明显减小,能形成喷泉,B项正确;NO与稀硫酸不反应,且不溶于稀硫酸,向圆底烧瓶中挤入稀硫酸,不能造成圆底烧瓶内气压明显减小,不能形成喷泉,C项错误;CO2在饱和NaHCO3溶液中的溶解度较小,向圆底烧瓶中挤入饱和NaHCO3溶液,不能造成圆底烧瓶内气压明显减小,不能形成喷泉,D项错误。
[归纳总结] (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吸收剂。
(3)引发喷泉的几种方法。①减小烧瓶内压强。a.使烧瓶内气体迅速溶于水或某种液体中。b.使烧瓶内气体温度降低,从而使气压减小。②增大外界压强,使锥形瓶中待喷液体液面上的气压增大。
考点三 硝酸
(2022·北京模拟)铁与不同浓度的硝酸溶液反应时各种还原产物的相对含量与硝酸溶液浓度的关系如图所示。下列说法错误的是( )
D
A.硝酸溶液的浓度越小,其还原产物中氮的价态越低的成分越多B.硝酸溶液与铁反应往往同时生成多种还原产物C.当硝酸溶液浓度为9.75 mol·L-1时,氧化剂与还原剂的物质的量之比可为15∶13D.铁能与大于12.2 mol·L-1硝酸溶液反应,说明不存在“钝化”现象
根据上述题干信息,下列说法错误的是( )
D
解析:当硝酸溶液浓度为9.75 mol·L-1时,还原产物是NO、NO2、N2O,用一定量的铁粉与足量的9.75 mol·L-1HNO3溶液反应得到标准状况下气体2.24 L,部分硝酸被还原、部分硝酸生成硝酸铁,若还原产物全是NO,参加反应的硝酸为0.4 mol;若还原产物全是NO2,参加反应的硝酸为0.2 mol;若还原产物全是N2O,参加反应的硝酸为1 mol;所以参加反应的硝酸的物质的量大于0.200 mol,D错误。
1.下列有关硝酸的说法正确的是( )A.工业硝酸的质量分数约为69%,常因溶有少量NO而略显黄色B.硝酸是一种氧化性很强的酸,可以与金、铂等金属反应C.将木炭放入浓硝酸中,可立即观察到有气泡生成D.工业制备硝酸第三步为用水吸收二氧化氮生成硝酸
D
解析:工业硝酸的质量分数约为69%,常因溶有少量NO2而略显黄色,故A错误;硝酸是一种氧化性很强的酸,可以和很多金属(除金、铂)反应,故B错误;将木炭放入浓硝酸中,由于木炭的活泼性较弱,反应速率很慢,不能立即观察到有气泡生成,中学阶段一般理解为要加热才反应,故C错误。
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( )
D
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.由②中的红棕色气体不能表明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,由此说明木炭一定与浓硝酸发生了反应
解析:浓硝酸不稳定,易分解为二氧化氮、水和氧气。③的气体产物中检测出CO2,CO2可能是C和氧气反应生成的产物,故D错误。
3.将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸溶液反应,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。请回答下列问题。
(1)NO的体积为 L,NO2的体积为 L。
答案:(1)5.824 5.376
3.将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸溶液反应,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。请回答下列问题。
(2)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。
3.将32.64 g铜与140 mL一定浓度的硝酸溶液反应,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。请回答下列问题。
(3)欲使铜与HNO3反应生成的气体在NaOH溶液中全部转化为NaNO3,至少需要30%的H2O2溶液 g。
解析:(3)根据(1)中计算可得n(NO)=0.26 mol,n(NO2)=0.24 mol。从反应的始终态分析,即要将NO中+2价的N元素和NO2中+4价的N元素完全转化为NaNO3中+5价的N元素。根据得失电子守恒得n(NO)×3+n(NO2)×1=n(H2O2)×2,即0.26 mol×3+0.24 mol=n(H2O2)×2,求得n(H2O2)=0.51 mol。m(H2O2)=0.51 mol×34 g·mol-1=17.34 g,需要30%的H2O2溶液的质量为17.34 g÷30%=57.8 g。
答案:(3)57.8
[归纳总结] 金属与硝酸反应的思维模型
微专题9 常见气体的制备、净化、收集与尾气处理
1.气体制备实验的基本思路
2.常见气体的发生装置和创新装置根据反应物状态和反应条件选择气体发生装置:
3.气体的干燥、净化装置(1)除杂试剂选择的依据:主体气体和杂质气体性质上的差异,如溶解性、酸碱性、氧化性、还原性等。(2)除杂原则:①不损失主体气体;②不引入新的杂质气体;③在密闭装置内进行;④先除易除的杂质气体。
(3)根据制备气体及杂质气体的性质选择如下气体净化装置及干燥装置:
当CO2中混有O2杂质时,应选用上述Ⅰ～Ⅳ中的Ⅳ装置除O2,除杂试剂是Cu丝网。
4.气体的收集方法及收集装置根据制备气体的水溶性及气体的密度选择收集方法及收集装置:
5.气体的量取装置对难溶于水且不与水反应的气体,往往利用量筒或滴定管组装如图所示的装置量取其体积。
6.尾气的处理(1)原因:有些气体有毒或有可燃性,任其逸散到空气中,会污染空气或者引发火灾、爆炸等灾害。
(2)处理方法:一般根据气体的相关性质,使其转化为非气态物质或无毒物质,如酸性有毒气体用碱溶液吸收,可燃性气体用点燃等措施。实验室中常见有毒气体的处理方法如下:
(3)尾气处理装置。
①在水中溶解度较小的有毒气体,多数可通入盛有某种试剂的烧杯中被吸收除去(如图甲),如Cl2、NO2均可通入NaOH溶液中除去。②某些可燃性气体可用点燃(如图乙)或转化的方法除去,如CO、H2可点燃或通过灼热的CuO除去。③某些可燃性或有毒气体可以采用收集的方法除去(如图丙),如CH4、C2H4、H2、CO等。
④对于溶解度很大、吸收速率很快的气体,吸收时应防止倒吸,典型装置如图丁。常见的防倒吸装置还有如下改进装置(以NH3的防倒吸为例,未注明的液体为水)。
1.用下列装置进行SO2制取、性质验证和尾气处理,其中不能实现相应实验目的的是( )
考查气体的制备与性质探究
C
解析:二氧化硫为酸性氧化物,能与碱反应生成盐和水,所以二氧化硫能使滴有酚酞的氢氧化钠溶液褪色,未体现其漂白性,故C不能达到实验目的。
2.根据装置和下表内的物质(省略夹持、净化以及尾气处理装置,图1中虚线框内的装置是图2),能达到相应实验目的的是( )
C
解析:浓氨水与碱石灰不加热可以制取氨气,但NH3极易溶于水,在c中收集不到NH3,故A不符合题意;浓硝酸有强氧化性,Na2SO3有强还原性,浓硝酸与Na2SO3发生氧化还原反应,不产生SO2,且品红溶液不能检验SO2的氧化性,故B不符合题意;浓盐酸与MnO2需要加热才能发生反应生成Cl2,图中缺少酒精灯,故D不符合题意。
考查实验仪器的连接分析与应用
AB
A.装置连接顺序是甲→丙→丁→戊→乙B.丙的作用是冷却收集SO3C.分解得到的红棕色固体溶于KSCN溶液,显红色D.戊中溴水褪色表明SO2有漂白性
解析:氧化铁不溶于KSCN溶液,应先将红棕色固体溶于盐酸,再加KSCN溶液,C错误;戊中溴水褪色,表明SO2有还原性,D错误。
考查实验仪器的作用与实验评价
B
4.(2022·河南三模)用如图装置测定水中氢、氧元素的质量比,其方法是分别测定通氢气前后玻璃管的质量差和U形管的质量差,实验测得m(H)∶m(O)>1∶8。下列对导致这一结果的原因的分析中,一定错误的是( )A.Ⅰ、Ⅱ装置之间缺少干燥装置B.CuO没有全部被还原C.Ⅱ装置中玻璃管内有水冷凝D.Ⅲ装置后缺少干燥装置
解析:根据题意,氧元素的质量=通氢气前后玻璃管的质量差,氢元素的质量=通氢气前后U形管的质量差(水的质量)-氧元素的质量。Ⅰ、Ⅱ装置之间缺少干燥装置,U形管中吸收水的质量偏大,则测得氢元素的质量偏大,m(H)∶m(O)>1∶8,故A不符合题意;CuO没有全部被还原,U形管中吸收的水中的氧元素完全来自氧化铜,不影响水中氢、氧元素的质量比,故B符合题意;Ⅱ装置中玻璃管内有水冷凝,通氢气前后玻璃管的质量差变小,则测得氧元素的质量偏小,m(H)∶m(O)>1∶8,故C不符合题意;Ⅲ装置后缺少干燥装置,U形管中吸收水的质量偏大,则测得氢元素的质量偏大,m(H)∶m(O)>1∶8,故D不符合题意。
5.(2022·福建三明三模)1-溴丁烷是密度比水大、难溶于水的无色液体,常用作有机合成中的烷基化试剂。将浓硫酸、NaBr固体、1-丁醇混合加热回流后,再经洗涤→干燥→蒸馏获得纯品。实验中涉及如下装置(部分夹持和加热装置省略):
下列说法错误的是( )A.图中所示两处冷凝管中冷凝水方向均为从a口进b口出B.气体吸收装置的作用是吸收HBr等有毒气体C.浓硫酸的作用是作反应物、催化剂等D.洗涤时,经“水洗→碱洗(Na2CO3溶液)→水洗”可除去大部分杂质
A
解析:回流装置的冷凝管中的冷凝水为a口进b口出,蒸馏装置的冷凝管中的冷凝水为b口进a口出,故A错误;分液漏斗中要先进行水洗分液除去HBr和大部分1-丁醇,再用饱和Na2CO3溶液洗涤除去剩余的酸后分液,最后用水洗分液除去过量的Na2CO3等残留物,故D正确。
高考真题·导向
1.(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NH3B.侯氏制碱法以H2O、NH3、CO2、NaCl为原料制备NaHCO3和NH4ClC.工业上通过NH3催化氧化等反应过程生产HNO3D.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”
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错误。
2.(2022·北京卷)某MOFs的多孔材料刚好可将N2O4“固定”,实现了NO2与N2O4分离并制备HNO3,如图所示:
D
3.下列说法正确的是( )
A
4.下列有关说法正确的是( )A.可通过加热氯化铵固体的方法制备氨气(2021·全国甲卷)B.可通过将铝片加到冷浓硝酸中的方法制备二氧化氮(2021·全国甲卷)C.NH4HCO3受热易分解,因而可用作化肥(2019·江苏卷)
D
5.(2021·福建卷)明代《徐光启手迹》记载了制备硝酸的方法,其主要流程(部分产物已省略)如下:下列说法错误的是( )A.FeSO4的分解产物X为FeOB.本流程涉及复分解反应C.HNO3的沸点比H2SO4的低D.制备使用的铁锅易损坏
解析:据图可知FeSO4分解时生成SO2和SO3,部分S元素被还原,则Fe元素应被氧化,X为Fe2O3,A错误;H2SO4与KNO3在蒸馏条件下生成HNO3和K2SO4,为复分解反应,B正确;H2SO4与KNO3混合后,蒸馏过程中生成HNO3,说明HNO3的沸点比H2SO4的低,C正确;硫酸、硝酸均可以和铁反应,所以制备使用的铁锅易损坏,D正确。
A
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