2023_2024学年新教材高中化学第3章物质的性质与转化第3节氮的循环第3课时硝酸人类活动对氮循环和环境的影响学生用书鲁科版必修第一册

第3课时　硝酸　人类活动对氮循环和环境的影响

学业要求

1．通过对浓硝酸性质的学习，认识一氧化氮、二氧化氮、硝酸的物理性质、化学性质以及典型的实验现象，能书写主要反应的化学方程式，知道它们的主要应用，建立变化观念与平衡思想。

2．通过了解人类活动对氮循环的影响，了解酸雨、光化学烟雾和水体富营养化等环境问题的危害以及如何减少氮氧化物的排放，树立环境保护的意识，同时知道常见氮的化合物在实验室中的安全使用注意事项，培养科学态度与社会责任。

3．从氮元素价态、物质类别角度构建氮及其化合物的转化关系，并能够应用其分析解释实验现象及物质的保存、检验、分离等问题；能够预测陌生的含有氮元素物质的性质、反应或实验现象，设计方案制备含有氮元素的物质和研究它们的性质，培养科学探究与创新意识。

知识网络

学业基础——自学·思记·尝试

一、硝酸

1．硝酸的物理性质

取一瓶浓硝酸打开瓶盖，瓶口产生　　　　，用手轻轻扇动，闻到　　　　气味。

2.硝酸的化学性质

(1)实验探究

(2)硝酸的化学性质归纳

写出下列反应的化学方程式：

①和金属反应

a.浓硝酸和铜：___________________________________________________________。

b.稀硝酸和铜：___________________________________________________________。

c.稀硝酸和少量铁：_______________________________________________________。

d.稀硝酸和过量铁：_______________________________________________________。

②和非金属单质反应

a.浓硝酸和碳共热：_______________________________________________________。

b.浓硝酸和硫共热：S＋6HNO3(浓)H2SO4＋6NO2↑＋2H2O。

③不稳定性：_____________________________________________________________。

注意：①硝酸越浓，越易分解。

②浓硝酸应放在带有玻璃塞的棕色试剂瓶中密封保存，并放置在阴凉处。

③硝酸分解生成的NO2溶于硝酸中，所以久置的浓硝酸呈黄色。

3．硝酸的用途

硝酸是一种重要的化工原料，可用于制造　　　　、染料、塑料和　　　　等，是实验室里重要的化学试剂。

归纳总结

(1)硝酸与金属反应不能生成氢气。硝酸浓度不同，其还原产物不同，一般情况下，浓硝酸被还原为NO2，稀硝酸被还原为NO。

(2)常温下，浓硝酸使Al、Fe钝化，但加热时，保护膜被破坏，所以加热时浓硝酸也可使Al、Fe溶解。

(3)热的浓硝酸可将非金属单质(碳、硫、磷等)氧化为最高价氧化物或最高价含氧酸。

(4)硝酸的强氧化性还表现在可以氧化具有还原性的化合物或离子，如SO2、FeO、Fe2＋、Br－、I－、S2－、等均能被硝酸氧化。

[即学即练]

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)常温下，将铝片放入浓硝酸，无明显现象，是因为铝和浓硝酸不反应(　　)

(2)实验室可以用铜和稀硝酸制备少量的NO气体(　　)

(3)浓硝酸氧化性很强，常温下就可以和碳发生反应(　　)

(4)久置的浓硝酸呈黄色，是因为硝酸分解生成NO2的缘故(　　)

(5)硝酸可与活泼金属反应生成盐和氢气    (　　)

(6)硝酸与金属反应时，主要是＋5价的氮得电子    (　　)

(7)浓硝酸与浓盐酸按3∶1的体积比所得的混合物叫王水(　　)

(8)常温下，向浓硝酸中投入铁片，会产生大量的红棕色气体    (　　)

2．下列反应中，不能体现HNO3的酸的通性的是    (　　)

A．4HNO3(浓)＋SSO2↑＋4NO2↑＋2H2O

B．HNO3＋NaOH===NaNO3＋H2O

C．2HNO3＋CuO===Cu(NO3)2＋H2O

D．2HNO3＋CaCO3===Ca(NO3)2＋CO2↑＋H2O

3．下列有关浓硝酸的说法不正确的是(　　)

A．实验室常用浓硝酸与金属锌反应制备氢气

B．常温下浓硝酸能使金属铝钝化

C．浓硝酸不稳定，见光易分解，需要避光保存

D．浓硝酸易挥发，打开瓶塞，瓶口有白雾产生

4．下列反应中硝酸既表现出酸性又表现出氧化性的是(　　)

A．使石蕊溶液变红

B．与铜反应放出NO气体并生成Cu(NO3)2

C．与Na2CO3反应放出CO2气体并生成NaNO3

D．与S单质混合共热时生成H2SO4和NO2

5．某研究小组为了探究硝酸的性质，进行如下实验操作。

(1)从试剂柜中取一瓶浓硝酸，发现其保存在　　　　色试剂瓶中，取少量浓硝酸于试管中，发现其溶液呈“黄色”，其原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

(用化学方程式和适当文字描述)。该研究小组尝试将显“黄色”的浓硝酸恢复到原本的无色。下列措施合理的是　　　　(填字母)。

a．向浓硝酸中加水

b．向浓硝酸中通入适量空气

c．加热浓硝酸

d．向浓硝酸中加入适量的NaOH固体

(2)向浓硝酸中加入稍过量铜片，该小组同学发现，生成的气体开始呈红棕色后逐渐变浅，试写出上述反应的化学方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________，

在上述反应中，硝酸体现的性质为　　　　。

(3)当实验完毕，该小组同学向试管中滴入少量稀H2SO4，发现铜片又逐渐溶解，产生无色气体，试写出上述的离子方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

(4)该小组同学向浓硝酸中加入少量碳粉，无明显现象，小心加热，发现碳粉逐渐溶解，产生红棕色气体，试写出上述反应的化学方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________，

在该反应中硝酸体现的性质为　　　　。

二、人类活动对氮循环和环境的影响

1．含氮物质的来源及其危害

2．减少人类活动对氮循环和环境影响的措施

(1)控制进入大气、土壤和水体中含有氮元素的物质的量。

(2)增强生态系统对含有氮元素的物质的吸收能力。

[即学即练]

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)水体中氮元素含量增大，会促进水中植物生长，因此水体富营养化是有利的(　　)

(2)汽车尾气中的氮氧化物和碳氢化合物是造成光化学烟雾的元凶(　　)

(3)植物秸秆的焚烧产生的氮氧化物也参与了氮的循环(　　)

(4)含氮化合物的过度排放也是形成雾霾的主要原因(　　)

2．下列现象的产生与人为排放大气污染物氮氧化物无关的是(　　)

A．温室效应      B．光化学烟雾

C．酸雨       D．水体的富营养化

3．反应2NO＋2CON2＋2CO2可应用于汽车尾气的净化。下列说法正确的是    (　　)

A．该反应属于置换反应

B．CO是氧化剂

C.NO发生了还原反应

D．每转移2 mol电子，生成22.4 L CO2

4．氨氮废水是造成河流及湖泊富营养化的主要因素。氨氮废水中的氮元素多以和NH3·H2O的形式存在。某工厂处理氨氮废水的流程如下：

(1)过程①的目的是将转化为NH3，并通过鼓入大量空气将氨气吹出。写出转化为NH3的离子方程式：______________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)过程②加入NaClO溶液可将氨氮转化为无毒物质，反应后含氮元素、氯元素的物质的化学式分别为　　　　、　　　　。

(3)含余氯废水的主要成分是NaClO、HClO，为达到去除余氯的目的，X可选用下列物质中的　　　　(填字母)。

a．KOH溶液      b．Na2SO3溶液

c．KMnO4溶液     d．NaCl溶液

写出反应的离子方程式：___________________________________________________

________________________________________________________________________。

核心素养——合作·探究·分享

一、硝酸与金属的反应的计算

[例1]　一定量的CuS和Cu2S的混合物投入足量的稀硝酸中，收集到NO气体体积为V(标准状况下)，向反应后的溶液中(存在Cu2＋和)加入足量NaOH，产生蓝色沉淀，过滤，洗涤，灼烧，得到CuO 12.0 g。则V可能为  (　　)

A．5.5 L       B．6.0 L

C．8.96 L     D．11.2 L

状元随笔　本题考查氧化还原反应的计算，注意守恒思想与极限法的利用。本题中利用极限法解答，假设混合物全是CuS或全是Cu2S，根据铜原子守恒计算n(CuS)、n(Cu2S)，再根据得失电子守恒计算气体的物质的量，进而求得气体体积，实际气体体积介于二者之间。

[提升1]　铜和镁的合金4.6 g完全溶于足量的硝酸后，再加入过量的NaOH溶液，生成9.7 g沉淀，则合金与硝酸反应时，放出的气体可能是(　　)

A．0.2 mol NO

B．0.2 mol NO2和0.05  mol N2O4

C．0.1  mol N2O

D．0.1  mol NO、0.1 mol NO2和0.1 mol N2O4

状元随笔　硝酸与金属的反应属于氧化还原反应，氮原子得到的电子数等于金属原子失去的电子数。

关键能力

解硝酸与金属反应计算题的思维模式

1．思维导图

硝酸是一种典型的强氧化性酸，与硝酸有关的一些反应非常重要，尤其是有关硝酸反应的计算，但只要弄清反应关系，然后采用守恒法和关系式法就能破解，其思维模式为

 2.计算方法

灵活运用原子守恒、得失电子守恒及溶液中的电荷守恒关系。例如Cu与HNO3反应中有以下等量关系：

(1)N原子守恒：反应前所有的N只存在于HNO3中，反应后含N的物质有HNO3的还原产物(假设有NO2、NO)和Cu(NO3)2，若HNO3过量，则过量HNO3中也含N，则有n(N)＝n(NO2)＋n(NO)＋2n[Cu(NO3)2]＋n剩(HNO3)。

(2)得失电子守恒：反应中失去电子的是参加反应的Cu，Cu－2e－―→Cu2＋；得到电子的是被还原的HNO3(假设还原产物为NO2、NO)，＋e－―→NO2、＋3e－―→NO。根据得失电子守恒，则有2n(Cu)＝n(NO2)＋3n(NO)。

(3)电荷守恒：在任何溶液中，阴离子所带负电荷总数与阳离子所带正电荷总数是相等的。在Cu与HNO3反应后的溶液中，若HNO3不过量，阳离子只有Cu2＋，阴离子只有(此类计算不考虑H2O电离出的极少量的H＋、OH－)；若HNO3过量，溶液中的阳离子有Cu2＋和H＋，阴离子只有。则有①若HNO3不过量：n()＝2n(Cu2＋)；②若HNO3过量：n()＝2n(Cu2＋)＋n(H＋)。

二、常见的环境污染

[例2]　研究表明，氮氧化物和二氧化硫在形成雾霾时与大气中的氨有关(如下图所示)。下列叙述错误的是    (　　)

A．雾和霾的分散剂相同

B．雾霾中含有硝酸铵和硫酸铵

C．NH3是形成无机颗粒物的催化剂

D．雾霾的形成与过度施用氮肥有关

状元随笔　本题情境真实，导向明确，聚焦学科核心素养，既可以引导考生认识与化学有关的社会热点问题，形成可持续发展的意识和绿色化学观念，又体现了高考评价体系中的应用性和综合性的考查要求。

[提升2]　绿水青山是习近平总书记构建美丽中国的伟大构想，某工厂拟综合处理含NH废水和工业废气(主要含N2、CO2、SO2、NO、CO，不考虑其他成分)，设计了如下流程：

下列说法正确的是(　　)

A．固体1中主要含有CaCO3、CaSO3

B．X可以是空气，且需过量

C．捕获剂所捕获的气体主要是CO

D．处理含废水时，发生的反应为＋5＋4H＋===6NO↑＋4H2O

状元随笔　本题应结合元素守恒和元素化合价的变化分析各物质的成分。工业废气中的CO2和SO2都可以被过量的石灰乳吸收，而N2、CO、NO不能被吸收。从NaNO2和NH反应生成无污染的气体分析，无污染的气体为N2，因为存在反应NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O，所以要使气体中的NO被NaOH溶液吸收，应该通入空气，使部分NO变成NO2，但不能过量。

关键能力

1.主要环境污染

2．绿色化学

状元随笔　(1)pH<5.6的雨水称为酸雨。酸雨分硫酸型和硝酸型，我国酸雨类型为硫酸型，主要原因是大量含硫化石燃料的燃烧。

(2)“赤潮”和“水华”均是水体富营养化的结果。

学考评价——夯实·测控·演练

1．现有下列物质，其中必须保存在棕色试剂瓶里的是    (　　)

①氯水　②氨水　③浓硝酸　④浓盐酸　⑤烧碱

A．①②③ B．①③④

C．①③ D．②⑤

2．下列说法符合绿色化学思想的是(　　)

A．对工业生产硝酸产生的废气、废水进行严格处理

B．开发利用仿生固氮技术以减少氮肥使用

C．验证硝酸的强氧化性时在通风橱内进行实验

D．建设“花园式工厂”

3．下列说法不正确的是(　　)

A．HNO3→NO→NO2，以上各步变化均能通过一步实验完成

B．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

C．某气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，该气体的水溶液一定显碱性

D．铜与稀硝酸反应的离子方程式为3Cu＋8H＋＋2===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O

4．铜粉放入稀硫酸中加热无明显现象，当加入一种盐后，铜粉的质量明显减少，溶液变为蓝色，同时有气体逸出。则该盐可能是(　　)

A．Fe2(SO4)3  B．Na2CO3

C．KNO3  D．CuCl2

5．下列因果关系不正确的是(　　)

6.某浓度稀HNO3与金属M反应时，能得到＋2价硝酸盐，反应时M与HNO3的物质的量之比为5∶12，则反应时HNO3的还原产物是    (　　)

A．NH4NO3 B．N2

C．N2O          D．NO

7．为证明稀硝酸与铜反应产物中气体为NO，设计如图实验(实验过程中活塞2为打开状态)，下列说法不正确的是(　　)

A．关闭旋塞1，加入稀硝酸至液面a处

B．在装置左侧稍加热可以加快稀硝酸与铜的反应速率

C．通过关闭或开启旋塞1可以控制反应的进行

D．反应开始后，胶塞下方有无色气体生成，但不能证明该气体为NO

8．硝酸被称为“国防工业之母”是因为它是制取炸药的重要原料。下列实验事实与硝酸性质不相对应的一组是(　　)

A．浓硝酸使紫色石蕊溶液先变红后褪色——酸性和强氧化性

B．不能用稀硝酸与锌反应制氢气——强氧化性

C．要用棕色瓶盛装浓硝酸——不稳定性

D．能使滴有酚酞的氢氧化钠溶液红色褪去——强氧化性

第3课时　硝酸　人类活动对氮循环和环境的影响

学 业 基 础

一、

1．白雾　刺激性　无色　液体　刺激性　大　易

2．(1)无色气体　红棕色　变蓝　NO　红棕色　蓝绿色　NO2　气泡　红棕色　NO　钝化　(2)铁、铝　①Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O　3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O　Fe＋4HNO3(稀)===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O　3Fe＋8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O　②C＋4HNO3(浓)CO2＋4NO2↑＋2H2O　③4HNO3(浓)4NO2↑＋O2↑＋2H2O

3．炸药　硝酸盐

[即学即练]

1．答案：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√　(7)×　(8)×

2．解析：A项，硝酸中氮元素的化合价降低，得到电子，硝酸体现氧化性，不能体现酸的通性；B项，HNO3和NaOH发生酸碱中和反应，体现酸的通性；C项，HNO3与碱性氧化物CuO的反应，体现酸的通性；D项，HNO3与CaCO3发生反应，体现酸的通性。

答案：A

3．答案：A

4．答案：B

5．答案：(1)棕　浓硝酸不稳定，见光或受热易分解：4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O，NO2溶于浓HNO3使溶液呈黄色　b

(2)Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O、3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O　氧化性和酸性

(3)3Cu＋8H＋＋===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O

(4)C＋4HNO3(浓)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O　氧化性

二、

1．产生光化学烟雾　形成酸雨　水体富营养化

[即学即练]

1．答案：(1)×　(2)√　(3)√　(4)√

2．答案：A

3．解析：反应2NO＋2CON2＋2CO2，反应物中不存在单质，不属于置换反应，故A错误；C元素的化合价升高，则CO为还原剂，故B错误；N元素的化合价降低，则NO为氧化剂，发生还原反应，故C正确；气体所处状况不知，无法求体积，故D错误。

答案：C

4．解析：(2)过程②加入NaClO溶液可将氨氮转化为无毒物质，反应的化学方程式为3NaClO＋2NH3===3NaCl＋N2↑＋3H2O，所以反应后含氮元素、氯元素的物质的化学式分别为N2、NaCl。(3)含余氯废水的主要成分是NaClO和HClO，要除去余氯需加入具有还原性的物质，如Na2SO3。

答案：(1)＋OH－===NH3↑＋H2O　(2)N2　NaCl　(3)b　＋ClO－===＋Cl－、＋HClO===＋Cl－＋H＋

核 心 素 养

[例1]　解析：若混合物全是CuS，根据铜原子守恒，其物质的量n(CuS)＝n(CuO)＝＝0.15 mol，转移电子的物质的量为0.15 mol×8＝1.2 mol，设生成NO的物质的量为x mol，则3x mol＝1.2 mol，解得x＝0.4，故气体体积V＝0.4 mol×22.4 L·mol－1＝8.96 L；若混合物全是Cu2S，其物质的量n(Cu2S)＝n(CuO)＝×0.15  mol＝0.075  mol，转移电子的物质的量为0.075  mol×10＝0.75  mol，设生成NO的物质的量为y mol，3y mol＝0.75 mol，解得y＝0.25，气体体积为0.25 mol×22.4 L·mol－1＝5.6 L，由于是CuS和Cu2S的混合物，则生成的气体体积介于5.6～8.96 L之间，所以B正确。

答案：B

[提升1]　解析：分析题意可知：MMn＋M(OH)n。即金属失去电子的物质的量＝参加反应的OH－的物质的量＝HNO3得到电子的物质的量，参加反应的OH－的物质的量为＝0.3 mol，即可直接找出得到电子的物质的量为0.3 mol的选项，应选B。

答案：B

[例2]　解析：A对，雾的分散剂是空气，分散质是水；霾的分散剂是空气，分散质是固体颗粒。因此，雾和霾的分散剂相同。B对，由于氮氧化物和SO2转化为铵盐形成无机颗粒物，因此雾霾中含有硝酸铵和硫酸铵。C错，NH3作为反应物参加反应转化为铵盐，因此NH3不是形成无机颗粒物的催化剂。D对，氮氧化物和二氧化硫在形成雾霾时与大气中的氨有关，由于氮肥会释放出NH3，因此雾霾的形成与过度施用氮肥有关。

答案：C

[提升2]　解析：固体还包括过量的Ca(OH)2，A错；通入空气不能过量，不然会生成，B错；通过分析，气体2为一氧化碳和氮气的混合气体，氮气无污染，所以捕获的气体为一氧化碳，C对；铵根离子和亚硝酸根离子发生氧化还原反应生成氮气，离子方程式为＋===N2↑＋2H2O，D错。

答案：C

学考评价

1．解析：氯水中的HClO、HNO3见光都易分解，因此要将氯水和浓硝酸保存在棕色试剂瓶中。

答案：C

2．解析：A项，对废气、废水严格处理是补救措施，没有从源头上减少污染；B项，利用仿生固氮技术能减少氮肥使用，从源头上减少了污染物的排放；C项，在通风橱内进行实验并不能减轻对大气的污染；D项，“花园式工厂”也只是对环境的美化，没有从源头上减少污染。

答案：B

3．解析：硝酸被还原生成NO，NO被氧化生成NO2，所以HNO3→NO→NO2中各步变化均能通过一步实验完成，故A正确；在稀硫酸中加入铜粉，铜粉不溶解，再加入Cu(NO3)2固体，在酸性溶液中硝酸根具有强氧化性，此时的铜粉被氧化而溶解，故B错误；某气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，该气体的水溶液一定显碱性，故C正确；铜与稀硝酸反应生成硝酸铜、一氧化氮气体和水，离子方程式为3Cu＋8H＋＋===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O，故D正确。

答案：B

4．解析：Cu、稀硫酸、硫酸铁混合时，铜和硫酸铁发生氧化还原反应，生成硫酸亚铁和硫酸铜，造成铜粉的质量减少，但没有气体，故A不符合题意；Cu与稀硫酸不反应，加入Na2CO3时与酸反应生成二氧化碳气体，但Cu不溶解，故B不符合题意；Cu、稀硫酸、KNO3混合时发生3Cu＋8H＋＋===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O，则铜粉质量减轻，同时溶液逐渐变为蓝色，且有气体逸出，故C符合题意；Cu、稀硫酸、FeSO4混合时不反应，故D不符合题意。

答案：C

5．解析：植物光合作用会吸收二氧化碳，大量植树造林不会导致温室效应，A错误；SO2和NO2气体大量排放，最终会转变成硫酸和硝酸，形成酸雨，B正确；氮、磷是植物的营养元素，含氮、磷等生活废水的大量排放，会导致水体富营养化，藻类疯长，引发水华、赤潮，C正确；汽车尾气的大量排放，会产生氮氧化物，从而造成光化学烟雾，D正确。

答案：A

6．解析：稀HNO3与金属M反应时，能得到＋2价硝酸盐M(NO3)2，反应时M与HNO3的物质的量之比为5∶12，若12 mol硝酸反应时10 mol硝酸表现酸性，2 mol硝酸表现氧化性，可知5mol M失去的电子与2 mol HNO3得到的电子数目相等，设还原产物中N元素的化合价为x，则5 mol×(2－0)＝2 mol×(5－x)，解得x＝0，即硝酸的还原产物为N2，故选B。

答案：B

7．解析：关闭旋塞1，将无法加液体到液面a处，A错误；关闭旋塞1，生成的NO把稀硝酸压向右边，使铜丝与稀硝酸分离，C正确；想证明该气体为NO，必须使NO与O2接触，生成红棕色NO2，D正确。

答案：A

8．解析：浓硝酸使紫色石蕊溶液先变红，表现出酸性，后褪色，表现出强氧化性，A正确。不能用稀硝酸与锌反应制氢气，因为硝酸具有强氧化性，被锌还原生成氮氧化物等，而不生成氢气，B正确。要用棕色瓶盛装浓硝酸，因为浓硝酸具有不稳定性，见光易分解，C正确。能使滴有酚酞的氢氧化钠溶液红色褪去，可能是硝酸表现出强氧化性，将酚酞氧化而褪色；也可能是硝酸表现出酸性，中和了氢氧化钠的碱性，酚酞在中性溶液中呈无色，D错误。

答案：D