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第19讲 硝酸 含氮化合物的转化关系
第四章
2024
内容索引
01
02
03
考点一 硝酸
考点二 含氮物质之间的转化
真题演练 角度拓展
复习目标
1掌握硝酸的性质及用途。
2了解氮及其化合物的性质及转化关系。
考点一 硝酸
必备知识 自主预诊
1.物理性质
硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体。
2.化学性质
(1)不稳定性
浓硝酸不稳定,见光或受热易发生分解,化学方程式为4HNO3(浓) 2H2O+4NO2↑+O2↑。
保存于棕色试剂瓶,并置于阴凉处
与金属 反应 稀硝酸与铜反应的化学方程式:
3Cu+8HNO3(稀) ===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
浓硝酸与铜反应的化学方程式:
Cu+4HNO3(浓) ===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
与非金 属反应 浓硝酸与C反应的化学方程式:
C+4HNO3(浓) CO2↑+4NO2↑+2H2O
与还原性 化合物反应 硝酸可氧化Fe2+、H2S、SO2、Na2SO3、HI等还原性物质。如稀硝酸与FeSO4溶液反应的离子方程式:
3Fe2++4H++ ===3Fe3++NO↑+2H2O
(3)与有机化合物的反应
②显色反应:含有苯环的蛋白质遇到浓硝酸时变黄色。
易错辨析
(1)常温下,铁、铝在浓硝酸中钝化属于化学变化。( √ )
(2)实验室中常用FeS固体与稀硝酸反应制取H2S气体。( × )
(3)铜、碳单质均能与浓硝酸发生反应,都体现了浓硝酸的酸性和强氧化性。( × )
关键能力 考向突破
考向1 实验探究硝酸与金属的反应
例1.某同学进行如下实验:
序号 实验过程 实验现象及部分结论
Ⅰ 将铜粉加入试管中,再加入稀硝酸 溶液变蓝,液面上方呈浅红棕色;至不再产生气泡时,铜粉有剩余,剩余溶液呈酸性
Ⅱ 继续向Ⅰ中试管加入少量NaNO3固体 又产生气泡,铜粉减少,液面上方呈浅红棕色
Ⅲ 取饱和Cu(NO3)2溶液,加入少量固体NaNO3和铜粉 无明显变化
下列说法不正确的是( )
A.HNO3氧化性的强弱与其浓度大小有关
B.Ⅰ、Ⅱ中铜粉减少的原因能用相同的离子反应解释
C.Ⅰ中余液呈酸性的主要原因是Cu2++2H2O Cu(OH)2+2H+
D.用一定浓度的H2SO4与NaNO3溶液也能使铜粉溶解
答案 C
解析 将铜粉加入试管中,再加入稀硝酸,稀硝酸与铜反应生成NO、硝酸铜和H2O,溶液变蓝,NO为无色气体,NO遇O2又变为红棕色的NO2;继续向Ⅰ中试管加入少量固体NaNO3,由于铜粉剩余,溶液为酸性,加入硝酸钠,等同于加入了一定量的硝酸,则稀硝酸与铜又反应生成NO、硝酸铜和水,NO气体遇O2又变为红棕色的NO2,同时可知Ⅰ中剩余溶液呈酸性是硝酸有剩余。向饱和Cu(NO3)2溶液加入少量固体NaNO3和铜粉,三者不反应,无明显变化。Ⅰ中有硝酸剩余,但不能将铜全部溶解,故硝酸的氧化性与浓度有关,A正确;Ⅰ、Ⅱ中铜粉减少的原因均为硝酸和铜发生了氧化还原反应:
考向2 金属与硝酸反应的计算
例2. 向200 mL 2 mol·L-1 HNO3溶液中逐渐加入铁粉至过量(假设生成的气体只有一种),在此过程中,n(Fe2+)随n(Fe)变化如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.该过程中产生标准状况下的氢气4.48 L
B.向c点处的反应液中加入稀盐酸后无明显现象
C.图中a=1.5、b=1.5
D.当加入铁粉n mol时(0.1
O→b Fe+4HNO3(稀) ===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O,反应生成Fe3+
b→c 2Fe(NO3)3+Fe===3Fe(NO3)2,Fe3+转化为Fe2+
答案 D
解析 硝酸与铁反应先生成硝酸铁、NO和水,不生成氢气,A错误;c点处的溶液是硝酸亚铁溶液,若加入盐酸,H+、 和Fe2+发生氧化还原反应生成Fe3+,溶液变为棕黄色,B错误;向硝酸中加入铁粉首先发生的反应为Fe+4HNO3===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O,硝酸的物质的量为0.4 mol,则消耗铁的物质的量为0.1 mol,b=0.1,生成硝酸铁0.1 mol,Fe过量时又发生反应2Fe(NO3)3+Fe===Fe(NO3)2,生成硝酸亚铁为0.15 mol,则a=0.15,C错误;根据
上述分析,当加入铁粉n mol时(0.1
1.硝酸与金属反应的3个易错点
2.硝酸与金属反应计算的思维模型
对点训练
1.某同学设计实验探究金属与硝酸的反应,如下:
步骤 现象 Fe表面产生大量无色气泡,液面上方变为红棕色 Fe表面产生少量红棕色气泡后,迅速停止 Fe、Cu接触后,其表面均产生红棕色气泡
下列说法不正确的是( )
A.Ⅰ中气体由无色变红棕色的化学方程式:2NO+O2===2NO2
B.Ⅱ中的现象说明Fe表面形成致密的氧化层,阻止Fe进一步反应
C.对比Ⅰ、Ⅱ中现象,说明稀硝酸的氧化性强于浓硝酸
D.针对Ⅲ中现象,在Fe、Cu之间连接电流表,可判断Fe是否被氧化
答案 C
解析 铁放入稀硝酸中首先发生反应Fe+4HNO3===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O,
NO逸出,NO遇到O2生成NO2,气体由无色变为红棕色,A正确;铁放入浓硝酸中,在常温下会发生钝化,即在Fe表面形成致密的氧化膜,阻止Fe进一步反应,B正确;浓硝酸的氧化性强于稀硝酸,C错误;在铁、铜之间加一个电流表,根据电子的流向,可判断铁是否被氧化,若电子由铁移动到铜,则说明铁被氧化,D正确。
2.4.6 g铜和镁的合金完全溶于浓硝酸,若反应中硝酸被还原只产生4 480 mL的NO2气体和336 mL的N2O4气体(都已折算到标准状况),在反应后的溶液中,加入足量NaOH溶液,生成沉淀的质量为( )
A.9.02 g B.8.51 g
C.8.26 g D.7.04 g
答案 B
解析 最终生成的沉淀为Mg(OH)2和Cu(OH)2,则沉淀的质量等于合金质量加上与Mg2+、Cu2+结合的OH-的质量。由于金属阳离子结合OH-的物质的量就是金属失去电子的物质的量,根据得失电子守恒可知,金属失去电子的
考点二 含氮物质之间的转化
必备知识 自主预诊
1.氮及其重要化合物的“价—类”二维图
从物质类别和氮元素化合价两个维度,总结、归纳氮及其重要化合物的性质与转化关系是掌握该部分内容的重要方法之一。
2.图示应用
根据上图中物质的转化关系,写出相应的离子(或化学)方程式。
关键能力 考向突破
考向 含氮物质之间的相互转化
例题.(2023广东揭阳模拟)下图是某元素常见物质的“价—类”二维图,其中d为红棕色气体,f和g均为正盐且焰色试验的火焰为黄色。下列说法不正确的是( )
A.e的浓溶液可以用铝槽车运输
B.气体a、c均可用浓硫酸干燥
C.常温下,将充满d的密闭烧瓶置于冰水中,烧瓶内红棕色变浅
D.d可与NaOH溶液反应生成f和g
答案 B
解析 由题干信息可知,d为红棕色气体氧化物,则d为NO2,说明题给图示为N元素的“价—类”二维图,则a为NH3、b为N2、c为NO、e为HNO3;f和g均为正盐且焰色试验的火焰为黄色,说明g、f含有Na+,则f为NaNO3、g为NaNO2。e的浓溶液即为浓硝酸,由于常温下铝在浓硝酸中发生钝化,故可以用铝槽车运输浓硝酸,A正确;NH3不能用浓硫酸干燥,NO可用浓硫酸干燥,B错误;d为NO2,常温下,存在反应2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0,将充满NO2的密闭烧瓶置于冰水中,平衡正向移动,故烧瓶内红棕色变浅,C正确;d为NO2,NO2可与NaOH溶液发生反应2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O,即NO2可与NaOH溶液反应生成NaNO3和NaNO2,D正确。
归纳总结
含氮物质之间的相互转化关系及分析
(1)“歧化反应”——同一物质中某元素的化合价在同一反应中既升高又降低。
例如,3NO2+H2O===2HNO3+NO,2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O。
(2)“归中反应”——不同物质中同一元素的不同化合价在同一反应中只靠拢,不交叉。例如,NO2+NO+2NaOH===2NaNO2+H2O,
6NO+4NH3 5N2+6H2O。
对点训练
(2023广东茂名五校联考)部分含氮物质的分类与相应氮元素的化合价关系如图所示。下列说法错误的是( )
A.从氮元素的化合价角度考虑,a有还原性
B.b、c都是大气污染物,可引起光化学烟雾
C.d的溶液与金属银反应可生成b、c
D.a与d形成的化合物对水的电离没有影响
答案 D
解析 由题干“价—类”二维图可知,a为NH3,b为NO,c为NO2或N2O4,d为HNO3。a为NH3,NH3中N元素的化合价为-3价,处于最低价,故从氮元素的化合价角度考虑,a有还原性,A正确;b、c分别为NO、N2O4或NO2,都是大气污染物,可引起光化学烟雾,B正确;d为HNO3,则Ag与浓硝酸反应生成NO2,Ag与稀硝酸反应生成NO,故d的溶液与金属银反应可生成b、c,C正确;a为NH3,d为HNO3,a与d形成的化合物(NH4NO3)为强酸弱碱盐,其中弱碱阳离子能够发生水解,故对水的电离有促进作用,D错误。
真题演练 角度拓展
角度一硝酸的性质及应用
1.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( )
A.由①中的红棕色气体可推断产生的气体一定是混合气体
B.红棕色气体不能表明②中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
答案 D
解析 ①中浓硝酸受热分解,发生反应4HNO3(浓) 4NO2↑+O2↑+2H2O,产生的气体为混合气体,A正确;由①可知,浓硝酸受热分解可生成红棕色气体NO2,则②中“产生红棕色气体”不能说明木炭能与浓硝酸发生反应,B正确;根据①和②,浓硝酸反应产生红棕色气体NO2时需要加热,浓硝酸具有挥发性才可与上方红热木炭接触,同时,N元素化合价降低,生成的NO2为还原产物,C正确;红热的木炭可与空气中的O2反应生成CO2,D错误。
角度拓展
(1)(2021广东卷,12A)将铜丝插入浓硝酸中制备NO。( )
(2)(2021河北卷,10D)浓硝酸和稀硝酸与Cu反应的还原产物分别为NO2和NO,故稀硝酸氧化性更强。( )
(3)(2022浙江6月选考,9C)浓硝酸与铁在常温下不能反应,所以可用铁质容器贮运浓硝酸。( )
×
×
×
角度二含氮物质之间的相互转化
2.(2021江苏卷,7)在指定条件下,下列选项所示的物质间转化能实现的是( )
答案 C
解析 NO不溶于水也不与水反应,A错误;稀硝酸与Cu反应得到硝酸铜、水和NO,得不到NO2,B错误;NO有氧化性,CO有还原性,在高温、催化剂条件下二者可发生氧化还原反应转化为无毒的N2和CO2,C正确;O3有强氧化性,不能作还原剂将N还原,D错误。
角度拓展
部分含氮物质的分类与相应氮元素的化合价关系如图所示。下列说法错误的是( )
A.a可经催化氧化生成b
B.b为红棕色,可转化为c
C.密闭体系中,c存在反应2NO2 N2O4
D.d的溶液与Cu反应可生成b或c
B课时规范练19
一、选择题:每小题只有1个选项符合题意。
1.(2023安徽“江南十校”联考)化学与生产、生活有密切的关系。下列叙述不正确的是( )
A.废旧电池深度填埋处理不会造成土壤重金属污染
B.家庭装修时用水性漆替代传统的油性漆,有利于健康及环境
C.推行“户分类、村收集、镇转运、区处理”的乡村生活垃圾处理模式,有助于城镇低碳化
D.北京冬奥会采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术,具备环保节能、来源广泛、安全无毒等优点
答案:A
解析:废旧电池中含有重金属,将其填埋处理,会造成土壤和地下水的污染,A错误。
2.关于氮及其重要化合物的变化关系如图:
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.上述反应中只有③属于氮的固定
答案:D
解析:工业上生产硝酸涉及反应:4NH3+5O24NO+6H2O(路线①),2NO+O22NO2(路线②),3NO2+H2O2HNO3+NO(路线③),即路线①②③是工业生产硝酸的主要途径,A正确。在放电条件下,氮气和氧气发生反应N2+O22NO(路线Ⅰ);NO不稳定,易被氧气氧化为NO2:2NO+O22NO2(路线Ⅱ),NO2溶于水生成HNO3:3NO2+H2O2HNO3+NO(路线Ⅲ),B正确。图中N元素的化合价分别为NH3(-3价)、N2(0价)、NO(+2价)、NO2(+4价)、HNO3(+5价),发生的反应都是氧化还原反应,C正确。反应N2→NH3和反应Ⅰ为空气中的氮气转变为含氮化合物,符合氮的固定的定义,其他反应是氮的化合物之间的转化,不是氮的固定,D错误。
3.某同学实验探究的过程如图所示,则图③试管中的现象是( )
A.无明显现象,因稀硫酸不与铜反应
B.铜片溶解,产生无色气体,该气体遇到空气不变色
C.铜片溶解,放出红棕色有刺激性气味的气体
D.铜片溶解,产生无色气体,该气体在试管口变为红棕色
答案:D
解析:过量的铜与HNO3反应生成的Cu(NO3)2在H2SO4的酸性条件下相当于又有了HNO3,则剩余的铜片会继续反应生成NO,NO遇O2又生成NO2。
4.(2023广东深圳外国语学校调研)自然界中氮的部分循环过程如图,有关说法正确的是( )
A.过程①和过程②均属于自然固氮
B.X转化为Y的反应原子利用率为100%
C.N转化为NH3或M均发生氧化还原反应
D.若为硫循环,X在空气中点燃可得Y
答案:B
解析:①是人工固氮,②不是氮单质变为氮的化合物,因此不是固氮过程,A错误;根据循环图可知X为NO,Y为NO2,反应2NO+O22NO2的原子利用率为100%,B正确;N是铵盐,N与NH3中N元素均为-3价,N→NH3不发生氧化还原反应,C错误;若为硫循环,X(SO2)不能在空气中点燃得到Y(SO3),D错误。
5.(2023广东粤港澳大湾区联考)部分含N及Cl物质的分类与相应化合价的关系如图所示,下列推断不合理的是( )
A.可以通过化合反应生成c
B.工业上通过a→b→c→d→e来制备HNO3
C.浓的a'溶液和浓的c'溶液反应可以得到b'
D.加热d'的固态钾盐可以产生O2
答案:B
解析:c是NO,可在高温或放电条件下由N2与O2化合生成NO,A正确;工业上制备HNO3的转化途径:NH3→NO→NO2→HNO3,不经过N2(b),B错误;浓的a'(HCl)溶液和浓的c'(HClO或次氯酸盐)溶液发生Cl元素的“归中反应”生成Cl2(b'),C正确;d'的固态钾盐是KClO3,加热KClO3分解生成KCl和O2,D正确。
6.工业上利用银块制取硝酸银的过程及硝酸银的有关性质如图所示。下列说法错误的是( )
A.反应器中增大硝酸浓度,生成NOx的总量将减少
B.操作②为减压蒸发、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥
C.硝酸银固体应保存在棕色瓶中
D.X是氧气
答案:A
解析:根据反应Ag+2HNO3(浓)AgNO3+NO2↑+H2O和3Ag+4HNO3(稀)3AgNO3+NO↑+2H2O可知,反应器中增大硝酸的浓度,生成NOx的总量将增大,A错误;AgNO3受热易分解,故操作②为减压蒸发、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥,B正确;AgNO3见光易分解,则硝酸银固体应保存在棕色瓶中避光保存,C正确;根据反应2AgNO32Ag+2NO2↑+O2↑可知,X是氧气,D正确。
7.(2023河北五校联盟联考改编)用体积相同的15 mol·L-1 HNO3溶液、4 mol·L-1 HNO3溶液分别将两份等质量的铜片完全溶解,发生如下反应:
①4HNO3(浓)+CuCu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,所得溶液为绿色
②8HNO3(稀)+3Cu3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,所得溶液为蓝色
用注射器分别取①、②中的少量溶液,夹上弹簧夹,完成如下实验:
① 向外拉动 注射器活塞 液面上方呈红棕色,……
② 无明显变化
下列分析正确的是( )
A.反应①中产生NO2,反应②中产生NO,说明氧化性:稀硝酸>浓硝酸
B.溶解等量的Cu,消耗HNO3(浓)的物质的量小于HNO3(稀)
C.①中溶液上方呈红棕色,其原因是压强减小,NO2从溶液中逸出
D.向外拉动注射器活塞时,①中溶液颜色不会发生变化
答案:C
解析:浓硝酸得电子能力强,氧化性:稀硝酸<浓硝酸,A错误;分别消耗1 mol Cu时,消耗的HNO3(浓)为4 mol,消耗的HNO3(稀)为 mol,由此可知溶解等量的铜消耗的HNO3(浓)更多,B错误;①中溶液溶有二氧化氮,当向外拉动注射器活塞时压强减小,二氧化氮从溶液中逸出,从而出现红棕色,C正确;向外拉动注射器活塞时,①中溶液中溶解的二氧化氮逸出,会使溶液的颜色发生变化,D错误。
二、非选择题
8.(2023广东六校协作体联考)某校研究性小组甲、乙两同学用如图所示装置进行实验,探究硝酸与铁反应的产物。
[查阅资料]①在浓硝酸和活泼金属反应的过程中,随着硝酸浓度的降低,其生成的产物有+4价、+2价、-3价等氮的化合物。
②FeSO4+NOFe(NO)SO4(棕色)(ΔH<0)。
③NO2和NO都能被KMnO4氧化吸收。
[实验操作]实验操作和现象记录如下表:
实验操作 实验现象
打开弹簧夹,通入一段时间CO2,关闭弹簧夹 —
打开分液漏斗活塞,将浓硝酸缓慢滴入烧瓶中,关闭活塞 无明显现象
加热烧瓶,反应开始后停止加热 ①A中有红棕色气体产生,一段时间后,气体颜色逐渐变浅;B中溶液变棕色;C中溶液紫色变浅 ②反应停止后,A中无固体剩余
请回答下列问题:
(1)滴入浓硝酸加热前没有明显现象的原因是
。
(2)检验是否生成-3价氮的化合物,应进行的实验操作是 。
(3)甲取出少量B中溶液,加热,实验现象是
。
请用平衡移动原理解释原因: 。甲依据该现象得出的结论是A中有NO生成。
(4)乙认为甲得出A中有NO生成的证据不足。为获取充足的证据,乙仍采用该装置和操作进行对照实验,乙作出的改变是 ,
证明有NO生成的实验现象是 。
答案:(1)常温时,铁遇浓硝酸发生钝化,阻止反应进一步发生
(2)取少量反应后A中溶液置于试管中,向其中加入足量浓NaOH溶液,加热,用湿润的红色石蕊试纸接近试管口,若试纸变蓝,则A中生成-3价氮的化合物(含N)
(3)棕色溶液颜色变浅(或变浅绿色),有无色气体逸出,且在空气中变为红棕色 FeSO4+NOFe(NO)SO4(棕色)的正反应为放热反应,加热后,平衡向逆反应方向移动
(4)浓硝酸换成稀硝酸 A中没有红棕色气体生成,B中溶液变为棕色
解析:(2)在题给条件下,-3价氮的化合物是NH3或铵盐,而此反应的环境呈酸性,故-3价氮的化合物应是硝酸铵,可利用N与OH-共热产生NH3的性质检验N。
(3)B中发生反应FeSO4+NOFe(NO)SO4(棕色)(正反应放热),加热后平衡逆向移动,无色气体NO逸出,在空气中变为红棕色,而溶液颜色变浅或变成浅绿色。
(4)由于NO2与水反应生成NO,故可把浓硝酸换成稀硝酸,若A中无红棕色气体生成,但B中溶液变为棕色,可证明A中有NO生成。
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