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氮及其化合物的性質 【本講教育信息】 一. 教學內容： 氮及其化合物的性質 二. 教學目標： 了解氨的物理性質，掌握氨的化學性質；了解銨鹽的性質；掌握銨根離子的檢驗方法。掌握NO、NO2的重要性質及其與環(huán)境的關系；了解氮的固定，掌握氮氣的性質。 認識硝酸的重要性質；理解濃、稀硝酸與金屬反應的特點。 三. 教學重點、難點： 氨及銨鹽、氮的氧化物和硝酸的性質 四. 教學過程： （一）氨及銨鹽的性質： 1、氨是沒有顏色、有刺激性氣味的氣體；密度比空氣?。话睒O易溶于水且能快速溶解，在常溫、常壓下1體積水能溶解700體積氨，氨很容易液化，液氨氣化時要吸收熱量，故液氨常用作致冷劑。 2、氨分子中氮的化合價為－3價，分子中含有極性鍵，鍵角為105.5℃，分子構型為三角錐形，屬于極性分子。 3、氨溶于水時，大部分NH3與H2O結合，形成NH3?H2O。NH3?H2O可以部分電離生成NH4＋和OH－，NH3＋H2ONH3?H2ONH4＋＋OH－所以氨水顯堿性，它能使酚酞試液變紅。 4、氨具有還原性：能被Cl2、O2等物質氧化： 2NH3＋3Cl2＝6HCl＋N2（當NH3過量時，也可生成NH4Cl）；4NH3＋5O2＝4NO＋6H2O 5、銨鹽：常見的銨鹽有：NH4HCO3、（NH4）2CO3、NH4NO3、NH4Cl等。銨鹽均為易溶于水的白色晶體，都能與堿反應，NH4＋＋OH－＝NH3?H2O，受熱時產生NH3；銨鹽受熱均易分解。 6、NH3的實驗室制法：實驗室一般用生石灰或Ca（OH）2與NH4Cl混合加熱來制取氨氣，Ca（OH）2＋2NH4Cl＝CaCl2＋2NH3↑＋2H2O；反應屬于“固＋固”反應，故裝置與實驗室制取氧氣的裝置相同，但氨氣必須用向下排氣法收集，并用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗氨所是否收集滿。 7、化學氮肥：化學氮肥主要包括銨態(tài)氮肥（主要成分為NH4＋）、硝態(tài)氮肥（主要成分為NO3－）和有機態(tài)氮肥——尿素（CO（NH2）2）。 ［說明］ 1、噴泉形成的原理：容器內外存在較大的壓強差。在這種壓強差的作用下，液體迅速流動，通過帶有尖嘴的導管噴出來，形成噴泉。 形成壓強差的兩類情況： ⑴容器內氣體極易溶于水或容器內氣體易與溶液中的溶質發(fā)生化學反應。如：NH3、HCl等溶于水；CO2、SO2、Cl2等與堿溶液的反應等； ⑵容器內的液體由于受熱揮發(fā)（如濃鹽酸、濃氨水、酒精等）或由于發(fā)生化學反應，容器內產生大量的氣體，從而使容器內壓強迅速增大，促使容器內液體迅速向外流動，也能形成噴泉。如：噴霧器、人造噴泉、火山噴發(fā)等。 2、氨的實驗室制法： ⑴加熱固態(tài)銨鹽（一般為NH4Cl）和堿（一般為熟石灰）的混合物反應； ⑵制取少量的氨氣，可用濃氨水加熱揮發(fā)的方法獲取； ⑶也可以向濃氨水中加入固態(tài)堿性物質（如：生石灰、NaOH、堿石灰等），促使平衡：NH3＋H2ONH3?H2ONH4＋＋OH－逆向移動，同時加熱，促進NH3的揮發(fā)。 3、銨鹽分解規(guī)律 銨鹽熱穩(wěn)定性差，受熱均能分解。但請注意：未必有NH3產生，這由鹽中對應酸的穩(wěn)定性、揮發(fā)性、氧化性等因素來決定。 ①穩(wěn)定易揮發(fā)酸成的銨鹽NH3↑＋酸的揮發(fā)性物質 ②穩(wěn)定難揮發(fā)酸成的銨鹽NH3↑＋酸 如2NH3↑＋H2SO4 ③不穩(wěn)定且無強氧化性酸成的銨鹽NH3↑＋酸的分解產物 如2NH3↑＋H2O＋CO2↑ NH3↑＋H2O＋CO2↑ ④由不穩(wěn)定且有強氧化性酸（HNO3）成的鹽 例1. 某同學學習了氨的催化氧化反應后，想自己設計并做一個探究實驗，探究氨在催化劑的作用下被空氣中的氧氣氧化的情況。經(jīng)過仔細考慮，他設計了如下實驗，請你認真分析他設計的實驗，然后回答問題： 實驗方法：在錐形瓶中加入濃氨水，然后將鉑絲加熱到紅熱狀態(tài)，將紅熱的鉑絲插入錐形瓶中，觀察現(xiàn)象。 （1）該同學想探究氨的催化氧化，他為什么選擇濃氨水？若想快速看到實驗現(xiàn)象，應向濃氨水中加入什么物質或進行什么操作？ （2）你推測他會看到什么現(xiàn)象？為什么？ 解析：濃氨水具有揮發(fā)性，揮發(fā)出氨氣，氨在催化劑和加熱的條件下被氧化生成一氧化氮和水，一氧化氮與空氣中的氧氣反應生成紅棕色的二氧化氮，二氧化氮與水反應生成硝酸（具有揮發(fā)性），硝酸遇到氨氣產生大量的白煙。 氨水除具有堿性外，還具有易揮發(fā)性，且濃度越大越易揮發(fā)，溫度越高越易揮發(fā)。所以，氨水保存時要注意密封，且放到低溫處保存。 由于氨水具有易揮發(fā)性，因此，向濃氨水中加入氫氧化鈉或加熱是實驗室中制備氨氣的一種簡便快捷的方法。 答案：（1）濃氨水具有揮發(fā)性，可以揮發(fā)出氨氣，進行氨的催化氧化實驗；該同學可向濃氨水中加入氫氧化鈉或加熱來加快濃氨水的揮發(fā)。 （2）該同學會看到有紅棕色氣體出現(xiàn)，隨后又消失，然后出現(xiàn)白煙；原因是氨在催化劑的加熱的共同作用下被氧化生成一氧化氮和水，一氧化氮與空氣中的氧氣反應生成紅棕色的二氧化氮，二氧化氮與水反應生成硝酸（具有揮發(fā)性），硝酸遇到氨氣產生大量的白煙。 例2. 能鑒別Na2SO4、NH4NO3、KCl、（NH4）2SO4四種溶液（可以加熱）的一種試劑是： A. BaCl2 B. Ba（NO3）2 C. Ba（OH）2 D. AgNO3 解析：NH4＋的檢驗方法是：將待檢物取出少量置于試管中，加入NaOH溶液后，加熱，用濕潤的紅色石蕊試紙在管口檢驗，若試紙變藍色，則證明待檢物中含銨鹽（NH4＋）： NH4＋＋OH－＝NH3↑＋H2O 上述四種物質中，有兩種含NH4＋，另有兩種含SO42－，SO42－的檢驗用Ba2＋，所以選擇Ba（OH）2來鑒別。將Ba（OH）2溶液分別加入到上述四種溶液中的現(xiàn)象分別為：A只有白色沉淀；B為只有刺激性氣味的氣體；C無現(xiàn)象；D為既有白色沉淀又有刺激性氣味的氣體。 答案：C 例3. 在標準狀況下，用以下氣體做噴泉實驗，請根據(jù)情況，填寫燒瓶中溶液的物質的量濃度（假設燒瓶中溶質不能擴散出來）。 （1）用氯化氫氣體做噴泉實驗，噴泉結束后，水充滿燒瓶，則溶液的物質的量濃度為_______； （2）用NH3做噴泉實驗，噴泉結束后，水充滿燒瓶，則溶液的物質的量濃度為_______； 解析：（1）由于HCl氣體極易溶于水，最終所得溶液的體積和原HCl氣體的體積相等，即相當于VL溶液中溶解了HCl氣體：（設燒瓶體積為VL），溶液的物質的量濃度為：mol?L－1＝0.045mol?L－1。 （2）由于NH3也極易溶于水，最終所得溶液的體積和原NH3的體積是相等的。故所得溶液的物質的量濃度也為mol?L－1，約為0.045mol?L－1。 答案：物質的量濃度均為：0.045mol?L－1 （二）氮及其氧化物的性質、硝酸的性質： 1、氮氣是一種雙原子單質分子，性質很穩(wěn)定，一般不與其他物質發(fā)生化學反應，故可用作保護氣。但在特定的條件下，可以與氧氣、氫氣、鎂等物質發(fā)生反應。 N2＋3H2 2NH3；　　3Mg＋N2 Mg3N2 N2＋O2 2NO 2、氮的氧化物種類較多，主要有N2O（笑氣）、NO、NO2、N2O4等。其中NO是一種無色不溶于水的有毒氣體，不溶于水，而NO2則是一種紅棕色有刺激性氣味的有毒氣體，能溶于水，溶于水生成HNO3和NO，NO2還易發(fā)生二聚反應。氮的氧化物是形成光化學煙霧的因素之一，對環(huán)境的危害極大。 NO和NO2的相互轉化關系為：2NO＋O2＝2NO2；3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO NO2具有強氧化性，能與許多還原性物質反應，如：SO2、I－等，NO2還能與堿溶液反應，生成硝酸鹽和亞硝酸鹽。如： NO2＋SO2＝NO＋SO3；2NO2＋2NaOH＝NaNO3＋NaNO2＋H2O 故可用堿液來吸收硝酸工業(yè)中產生的尾氣。 NO、NO2的制取 ①實驗室NO可用Cu與稀HNO3反應制?。?Cu＋8HNO3（稀）＝3Cu（NO3）2＋2NO↑＋4H2O，由于NO極易與空氣中的氧氣作用，故只能用排水法收集。 ②實驗室NO2可用Cu與濃HNO3反應制?。篊u＋4HNO3（濃）＝Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O由于NO2可與水反應，故只能用排空氣法收集。 3、硝酸的性質： 純凈的硝酸是無色易揮發(fā)，有刺激性氣味的液體，能以任意比溶于水，常用濃硝酸的質量分數(shù)約為63%，質量分數(shù)98%的硝酸叫做發(fā)煙硝酸，硝酸是一種重要的化工原料。 硝酸具有酸的通性，但硝酸與金屬反應時一般無氫氣產生。 （1）不穩(wěn)定性：硝酸在受熱或光照條件下即可分解：4HNO3＝4NO2↑＋O2↑＋2H2O，常見濃硝酸顯黃色，是由于硝酸分解產生的NO2氣體溶解在其中，故濃硝酸應保存在棕色試劑瓶中，置于陰暗處。 （2）強氧化性： <1>與金屬反應：硝酸和金屬反應時，硝酸作為氧化劑，硝酸的濃度越高，其氧化性越強，還原產物的價態(tài)越低。 A：常溫下，濃硝酸可使Fe、Al表面形成致密的氧化膜而發(fā)生鈍化，阻止反應的繼續(xù)進行。 B：一定條件下硝酸能與除鉑以外的多數(shù)金屬反應，通常濃硝酸反應后生成的氣體主要是NO2，稀硝酸反應后生成的氣體主要是NO，如：銅與濃、稀硝酸的反應： 3Cu＋8HNO3（?。?Cu（NO3）2＋2NO↑＋4H2O Cu＋4HNO3（濃）＝Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O 變價金屬與硝酸反應時，產物的價態(tài)則要看硝酸與金屬的物質的量的相對大小，若金屬過量，則生成低價的金屬硝酸鹽，若硝酸過量，則生成高價的金屬硝酸鹽。如：鐵與稀硝酸的反應：3Fe（過量）＋8HNO3（稀）＝3Fe（NO3）2＋2NO↑＋4H2O Fe（不足）＋4HNO3（濃）＝Fe（NO3）3＋NO↑＋2H2O <2>硝酸不僅可與金屬反應，還可與非金屬單質反應：如：濃硝酸與單質碳反應的化學方程式：C＋4HNO3（濃）＝CO2↑＋4NO2↑＋2H2O 非金屬單質與濃硝酸反應時，一般生成高價的非金屬氧化物或高價的含氧酸 <3>硝酸與低價態(tài)化合物的反應 硝酸能氧化很多低價態(tài)的化合物，如S2－、SO32－、I－、Fe2＋等還原性物質，故在酸性條件下NO3－與S2－、SO32－、I－、Fe2＋等不能共存于同一溶液中，但在中性或堿性介質中，可以共存。 （3）與有機物反應：在一定條件下硝酸可與某些有機物發(fā)生取代反應和顏色反應： 如：濃硝酸與苯、苯酚等物質的硝化反應、與醇的酯化反應、與某些蛋白質的顏色反應等。 ［說明］ 1、氮的固定是指將游離態(tài)的氮轉化為化合態(tài)的氮的過程?？梢酝ㄟ^生物固氮和人工固氮兩種方法。 2、Mg在空氣中燃燒，除與O2反應外，還可與N2、CO2氣體反應生成Mg3N2、MgO和C。可將產物溶于水，產生無色、有刺激性氣味氣體，則證明生成了Mg3N2；若將產物溶于酸，若有黑色不溶物生成，則證明有C產生。 3、濃硝酸和濃鹽酸均為無色，但常用的濃鹽酸和濃硝酸均呈黃色。濃鹽酸是由于其中溶解了FeCl3而顯黃色；而濃硝酸則是由于硝酸分解產生的NO2溶解在其中顯黃色，此時，可向硝酸溶液中通入空氣（氧氣），除去溶解在其中的NO2：4NO2＋O2＋2H2O＝4HNO3。 4、NO不與水反應，NO2遇水反應產生NO氣體，不能完全被水吸收。但在有氧氣存在的情況下，兩者都可以完全被水吸收生成硝酸： 4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3；4NO2＋O2＋2H2O＝4HNO3 5、鐵和鋁遇濃的濃硝酸鈍化，并不是指兩者不反應，而是反應生成一薄層致密的氧化膜，阻止反應的繼續(xù)進行。但在加熱條件下，鐵和鋁也能與濃硝酸反應。硝酸與金屬反應時既起氧化劑的作用，同時還起酸的作用。隨著反應的進行，硝酸的濃度逐漸降低，氧化性逐漸減弱，還原產物的價態(tài)逐漸降低。 6、NO3－在中性和堿性溶液中不具有強氧化性，但在酸性介質中，NO3－具有強氧化性，能氧化許多還原性物質。故還原性離子與NO3－在中性和堿性介質中可以共存，而在酸性介質中不能共存。 7、硝酸與有機物所發(fā)生的反應大部分都是取代反應，此時硝酸（HO－NO2）提供－OH，－NO2（硝基）取代有機物中的H，形成硝基化合物或硝酸酯。 8、NO3－的檢驗，是將溶液蒸餾濃縮，再向溶液中加入銅片和濃硫酸，若產生紅棕色氣體，則證明有NO3－，反之沒有NO3－。 9、金屬和硝酸反應時，隨反應情況不同產物不同，有時甚至出現(xiàn)多種產物混合現(xiàn)象（如NO、NO2混合，NO、NO2、N2O4混合，F(xiàn)e2＋、Fe3＋混合等）。如果采用一般的解題方法，依據(jù)化學方程式分步計算，計算步驟十分繁瑣，甚至造成簡單問題復雜化。但若采用守恒法來解，常?？梢允箚栴}得到簡化。此類題目的守恒通常依據(jù)兩個方面： ⑴原子守恒：硝酸的總物質的量＝和金屬陽離子結合的NO3－的物質的量＋還原產物中N原子的物質的量＋剩余HNO3的物質的量； ⑵電子守恒：金屬失去電子的總物質的量＝氧化劑（HNO3）轉化為還原產物（氮的氧化物）時所得到的電子的物質的量。 例1. 將1.92gCu粉與一定量的濃硝酸反應，當Cu粉完全作用時，收集到氣體1.12L（標況），則所消耗硝酸的物質的量是： A. 0.12mol B. 0.11mol C. 0.09mol D. 0.08mol 解析：消耗的硝酸分兩部分，一部分起酸的作用，一部分做氧化劑，由守恒法可知，消耗的硝酸的物質的量應為這兩部分的和，即為：1.92g/64g/mol2＋1.12L/22.4L/mol＝0.11mol；故選B 答案：B 例2. 用以下三種途徑來制取相等質量的硝酸銅：（1）銅跟濃硝酸反應；（2）銅跟稀硝酸反應；（3）銅先跟氧氣反應生成氧化銅，氧化銅再跟硝酸反應。以下敘述中正確的是 A. 三種途徑所消耗的銅的物質的量相等 B. 三種途徑所消耗的硝酸的物質的量相等 C. 所消耗的銅的物質的量是：途徑（3）＞途徑（1）＞途徑（2） D. 所消耗的硝酸的物質的量是：途徑（1）＞途徑（2）＞途徑（3） 解析：本題是評價制備方案的優(yōu)劣。從綠色化學角度看（1）要節(jié)約原料；（2）是副產品，對環(huán)境污染小。（1）Cu＋4HNO3（濃）＝Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O， （2）3Cu＋8HNO3（?。?Cu（NO3）2＋2NO↑＋4H2O， （3）2Cu＋O2＝2CuO，CuO＋2HNO3＝Cu（NO3）2＋H2O。 若生成3molCu（NO3）2，可得消耗原料量及生成污染物NOx的量（見下表）： Cu（NO3）2 Cu HNO3 NOx （1） 3mol 3mol 12mol 6mol （2） 3mol 3mol 8mol 2mol （3） 3mol 3mol 6mol 0mol 由上表知：（1）耗HNO3最多，生成污染物最多；（3）耗HNO3最少，沒有污染物。 答案：AD 例3. 某試劑廠有銀（含雜質銅）和硝酸（含雜質Fe3＋）反應制取硝酸銀。步驟如下　 依據(jù)上述步驟，完成下列填空： （1）溶解銀的硝酸應該用 硝酸（填濃或?。?。原因是 （填序號，下同） （a）減少過程中產生NOX的量___________（b）減少原料銀的消耗量___________（c）節(jié)省硝酸物質的量 （2）步驟B加熱保溫的作用是___________。 （a）有利于加快反應速率 （b）有利于未反應的硝酸揮發(fā) （c）有利于硝酸充分反應，降低溶液中c（H＋） （3）步驟Ｃ中是為了除去Fｅ3＋、Cu2＋等雜質，沖稀靜置時發(fā)生的化學反應是_________ （a）置換反應　　　 （b）水解反應　　 （c）氧化還原反應 產生的沉淀物化學式 . 解析：（1）根據(jù)反應方程式：Ag＋2HNO3（濃）＝AgNO3＋NO2↑＋H2O、3Ag＋4HNO3（?。?AgNO3＋NO↑＋2H2O可知：每生成1molAgNO3，如用濃HNO3，消耗HNO32mol，產生1molNO2；如用稀HNO3，只需HNO34/3mol，放出NO1/3mol。故用稀硝酸比用濃硝酸好，原因為減少氮氧化物的排放量，從而節(jié)省硝酸的使用量，即理由為（a）、（c）。 （2）根據(jù)溫度對反應速率的影響，加熱保溫是使反應加快，促使HNO3與Ag反應，而不希望HNO3損失，因此其目的是（a）、（c）。 （3）由水解原理，溶液濃度小，促進水解，使Fｅ3＋、Cu2＋生成難溶的Fe（OH）3、Cu（OH）2而除去。 答案：（1）稀，（a）、（c） （2）（a）、（c） （3）（b），F(xiàn)e（OH）3、Cu（OH）2 例4. 1898年，曾有人發(fā)明了固氮的一種方法，該法以石灰石、焦炭、空氣為原料。第一步反應是石灰石分解；第二步是使第一步反應產物和焦炭反應，在電爐中的高溫下制得第三步反應起始物；第三步反應中另一反應物是空氣，該反應也是在電爐中完成的，生成一種固體；第四步是使該固體和水蒸氣反應制得氨氣。又知該固體中有與N3－互為等電子體的離子。 （1）試寫出四步反應的化學方程式； （2）試簡評該固氮方法。 解析：前二步反應分別是石灰石的分解和制造電石的反應： CaCO3CaO＋CO2↑；CaO＋3CCaC2＋CO↑ 第三步反應是CaC2在高溫下與空氣中的氮氣反應，以取得固氮的效果。由于生成物與N3－互為等電子體的離子，氮元素在此生成物中應為－3價，后者與水反應才更有可能生成NH3。N3－的等電子體有CN22－、C2N3－。如果N為－3價，在CN22－中C為＋4價， 在C2N3－中C為0價，不合理，因此生成物中的該離子只能為CN22－。其化學方程式為： CaC2＋N2CaCN2＋C；CaCN2＋3H2O＝CaCO3＋2NH3↑。 這種方法較之現(xiàn)在的合成氨工業(yè)，需要消耗大量電能，原料眾多，生產成本高，因此，很快被合成氨的催化法代替。 答案：（1）CaCO3CaO＋CO2↑；CaO＋3CCaC2＋CO↑；CaC2＋N2CaCN2＋C；CaCN2＋3H2O（g）＝CaCO3＋2NH3↑。 （2）這種方法，需要消耗大量電能，原料眾多，設備重，生產成本高。 例5. 為了測定某銅銀合金的成分。將30.0g合金完全溶于80mL13.5mol/L的濃HNO3中，待合金完全溶解后，收集到氣體6.72L（標準狀況），并測得溶液中氫離子濃度為1mol/L。假設反應后溶液的體積仍為80mL。試計算： （1）被還原的硝酸的物質的量。 （2）合金中銀的質量分數(shù)。 解析：（1）本題考查的是有關硝酸的綜合計算。Cu、Ag合金溶于過量的硝酸后，分別生成Cu（NO3）2和AgNO3，而硝酸的還原產物則為：NOx。則根據(jù)元素守恒：被還原的硝酸的物質的量等于NOx的物質的量＝6.72L/22.4L/mol＝0.3mol； （2）再根據(jù)元素守恒，我們假設原合金中含銅的物質的量為x，銀的物質的量為y，則有： 2x＋y＝80mL10－3L/mL13.5mol/L－0.3mol－80mL10－3L/mL1mol/L＝0.7mol 64g/molx＋108g/moly＝30.0g 解得：x＝0.3mol，y＝0.1mol 則混合物中銀的質量分數(shù)為：（108g/mol0.1mol）/30.0g＝36% 答案：被還原的硝酸的物質的量為0.3mol，合金中銀的質量分數(shù)為36%。