高中化學魯科版第三章自然界中的元素 第二節(jié)2

第3課時硝酸人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響(對應學生用書P63)1．掌握硝酸的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)。2．了解人類活動對氮循環(huán)的影響，知道酸雨、光化學煙霧和富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。3．了解如何減少氮氧化物的排放，樹立環(huán)境保護意識。eq\x(知)eq\x(識)eq\x(清)eq\x(單)一、硝酸1．物理性質(zhì)。純硝酸為無色、有刺激性氣味的液體，沸點低，易揮發(fā)，在空氣中呈“白霧”狀，質(zhì)量分數(shù)95%以上的濃硝酸稱為“發(fā)煙硝酸”。2．化學性質(zhì)。(1)酸性。硝酸具有酸的通性，能使指示劑變色，能與堿、堿性氧化物、鹽等反應。如CaCO3與稀HNO3反應的化學方程式為：CaCO3＋2HNO3(稀)=Ca(NO3)2＋CO2↑＋H2O。1．將濃硝酸滴入紫色石蕊溶液中，有何現(xiàn)象？答案：先變紅后退色(2)不穩(wěn)定性。見光或受熱易分解，化學方程式為：4HNO3eq\o(=,\s\up7(見光或受熱))4NO2↑＋O2↑＋2H2O硝酸分解放出的NO2溶于其中而使硝酸呈黃色。光度越強、溫度越高、硝酸越濃，越易分解，因此一般將它保存在棕色細口瓶里，并置于陰涼處。(3)強氧化性。①與金屬反應。a．硝酸具有強氧化性，能與除金、鉑、鈦以外的大多數(shù)金屬反應。Cu與濃HNO3、稀HNO3反應的化學方程式為Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋4H2O；3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。b．鈍化：常溫時濃硝酸可使鐵、鋁表面形成致密的氧化膜而鈍化，所以可以用鐵容器或鋁容器盛放濃硝酸。②與非金屬反應。炭與濃硝酸反應的化學方程式為C＋4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。2．硝酸與銅反應時，硝酸體現(xiàn)了哪些性質(zhì)？答案：硝酸體現(xiàn)了氧化性和酸性。硝酸被還原成氮的氧化物體現(xiàn)了氧化性，與金屬結(jié)合成硝酸鹽體現(xiàn)了硝酸的酸性。3．濃硝酸與稀硝酸哪個氧化性強？答案：濃硝酸氧化性強。一種物質(zhì)氧化性的強弱取決于其得電子能力的強弱，與同一種還原劑(如銅)反應時，濃硝酸反應更劇烈，更容易得電子，氧化性更強。3．用途。硝酸是一種重要的化工原料，可用于制造炸藥、染料、塑料、硝酸鹽等，也是實驗室里的重要化學試劑。二、人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響1．含氮物質(zhì)的來源及其危害。eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(化石燃料燃燒,植物體焚燒,土壤和動物排泄物中,含氮化合物的轉(zhuǎn)化))eq\o(→,\s\up7(產(chǎn)生))氮氧化物eq\o(→,\s\up7(危害))eq\b\lc\[(\a\vs4\al\co1(\o(→,\s\up7(與碳氫化合物))產(chǎn)生光化學煙霧,發(fā)生反應,\o(→,\s\up7(與水發(fā)生反應))形成酸雨,硝酸與亞硝酸))eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(工業(yè)廢水,農(nóng)業(yè)廢水))eq\o(→,\s\up7(危害))水體富營養(yǎng)化2．減少人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響的措施。(1)控制進入大氣、陸地和海洋的有害物質(zhì)的數(shù)量。(2)增強生態(tài)系統(tǒng)對有害物質(zhì)的吸收能力，如保護森林、植樹造林等。eq\x(活)eq\x(學)eq\x(活)eq\x(用)1．對于硝酸的物理性質(zhì)，下列敘述不正確的是(B)A．可以與水以任意比互溶B．不易揮發(fā)C．有刺激性氣味D．質(zhì)量分數(shù)在95%以上的硝酸為發(fā)煙硝酸解析：硝酸易揮發(fā)，故B項不正確。2．硝酸是一種重要的工業(yè)原料。(1)實驗室中通常保存在棕色試劑瓶中，原因是4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(光或熱))4NO2↑＋O2↑＋2H2O(用化學方程式表示)。(2)儲運濃硝酸時通常用鐵罐或鋁罐，原因是常溫時，濃硝酸可使鐵、鋁鈍化。(3)硝酸是一種易揮發(fā)性的酸，當兩支分別蘸有濃硝酸和濃氨水的玻璃棒靠近時會產(chǎn)生大量白煙，白煙的成分是NH4NO3。(4)工業(yè)上通常用氨催化氧化法制硝酸，寫出氨催化氧化的化學方程式：4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up7(高溫),\s\do5(催化劑))4NO＋6H2O硝酸工廠尾氣的主要危害是形成酸雨和光化學煙霧。3．將濃HNO3與下列“物質(zhì)(或方法)”的“反應情況”和“表現(xiàn)性質(zhì)”用短線連接。eq\x(物質(zhì)或方法)eq\x(反應情況)eq\x(表現(xiàn)性質(zhì))①Fea．不反應Ⅰ.不穩(wěn)定性②藍色石蕊試紙b．生成相應的硝酸鹽Ⅱ.酸性③Cuc．常溫下鈍化Ⅲ.強氧化性④加熱d．先變紅后退色⑤Pte．生成相應氣體氧化物⑥Cf．分解解析：濃HNO3具有酸性能使指示劑變色，并能氧化指示劑。濃HNO3具有強氧化性，常溫下使Fe、Al鈍化，與Cu反應生成Cu(NO3)2，與非金屬C加熱生成CO2氣體，但不能與Pt、Au反應。在加熱或見光時易分解。答案：①－c－Ⅲ，②－d－Ⅱ、Ⅲ③－b－Ⅱ、Ⅲ，④－f－Ⅰ⑤－a，⑥－e－Ⅲeq\a\vs4\al(知識點一硝酸的強氧化性)硝酸是強氧化性酸，顯強氧化性的是最高價態(tài)＋5價氮元素，反應中N元素得到電子轉(zhuǎn)化為較低價態(tài)。1．硝酸與金屬反應。硝酸能夠與除Pt、Au、Ti以外的幾乎所有的金屬發(fā)生反應，硝酸與金屬反應無H2生成，而生成N的低價化合物。通常情況下，濃硝酸與金屬反應生成的主要是NO2，稀HNO3與金屬反應生成的主要是NO。硝酸越稀還原產(chǎn)物的價態(tài)越低。(1)硝酸與銅的反應。Cu與濃HNO3反應的現(xiàn)象：反應劇烈，生成紅棕色氣體，溶液變藍?；瘜W方程式：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2OCu與稀HNO3反應的現(xiàn)象：反應較緩慢，放出無色氣體，然后又立即變?yōu)榧t棕色，溶液變藍?；瘜W方程式：3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O(2)硝酸與Fe、Al的反應。Fe、Al等金屬在常溫下遇濃硝酸發(fā)生鈍化現(xiàn)象。鈍化有新物質(zhì)生成，是化學變化。稀硝酸與鐵反應：HNO3過量：Fe＋4HNO3(稀)=Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2OFe過量：3Fe＋8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O2．濃硝酸與非金屬反應。(1)可將C、S、P等非金屬氧化成最高價氧化物或含氧酸。如S＋6HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))H2SO4＋6NO2↑＋2H2O。(2)一般只有濃HNO3在加熱時才與非金屬反應。3．硝酸與具有還原性的化合物反應。硝酸可氧化具有還原性的化合物，如I－、Br－、SO2、Fe2＋、S2－、SOeq\o\al(2－,3)等。NOeq\o\al(－,3)在酸性溶液中與具有還原性的離子如Fe2＋、S2－、SOeq\o\al(2－,3)等均不能大量共存。4．濃硝酸能使紫色石蕊試液先變紅，后退色。特別提醒：(1)硝酸與金屬反應時，一般既表現(xiàn)強氧化性，又表現(xiàn)酸性，參加反應的硝酸部分被還原，還有一部分仍以NOeq\o\al(－,3)形式存在。(2)濃硝酸與金屬反應的過程中，濃度逐漸減小，還原產(chǎn)物有可能是NO2和NO的混合物，最終溶液中仍有NOeq\o\al(－,3)。某興趣小組設計出下圖所示裝置來改進教材中“銅與硝酸反應”實驗，以探究化學實驗的綠色化。(1)實驗前，關閉活塞b，試管d中加水至浸沒長導管口，塞緊試管c和d的膠塞，微熱c，其目的是________________________________________________________________________。(2)在d中加適量NaOH溶液，c中放一小塊銅片，由分液漏斗a向c中加入2濃硝酸，c中反應的化學方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。再由a向c中加入2mL蒸餾水，c中的實驗現(xiàn)象是________。(3)下表是制取硝酸銅的三種方案，能體現(xiàn)綠色化學理念的最佳方案是________，理由是________。方案反應物甲Cu、濃HNO3乙Cu、稀HNO3丙Cu、O2、稀HNO3解析：加2mL蒸餾水，濃HNO3的濃度減小，化學反應速率減慢。甲：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O乙：3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O丙：2Cu＋O2eq\o(=,\s\up7(△))2CuOCuO＋2HNO3(稀)=Cu(NO3)2＋H2O甲、乙分別有污染環(huán)境的NO2與NO生成，而且甲、乙、丙制取1mol的Cu(NO3)2時，消耗硝酸分別為：4mol，eq\f(8,3)mol，2mol，所以丙方案最佳。答案：(1)檢查裝置氣密性(2)Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O反應變緩，氣體顏色變淺(3)丙制得等量的Cu(NO3)2耗酸量最少，無污染?變式訓練1．用圖中的簡易裝置可以進行氣體的制取和收集。(1)實驗前檢查裝置的氣密性的操作是________。(2)拔開試管a的橡皮塞，加入10mL6mol·L－1的稀硝酸和1g薄銅片，立即用帶有導管的橡皮塞塞緊試管口。請寫出試管a中所發(fā)生的所有反應的化學方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)從反應開始到反應結(jié)束，預期在試管a中可以觀察到哪些現(xiàn)象？請依次逐一寫出________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)在反應開始時，可觀察到導管b中的水面先沿導管b慢慢上升到一定高度，此后又回落，然后有氣泡從管口冒出。試說明反應開始時，導管中水面先上升的原因________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：Cu與稀HNO3反應生成NO氣體，遇空氣生成NO2。氣體顏色由無色→紅棕色。NO2溶于水生成NO，且3NO2eq\o(→,\s\up7(H2O))NO，是氣體體積減小的反應，壓強降低。答案：(1)把導管b的末端浸入水中，用手握緊試管a，捂熱后，導管口有氣泡冒出，松開手后，水又會上升到導管b中，則證明裝置的氣密性良好(2)3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，2NO＋O2=2NO2(3)銅片和稀硝酸反應，銅片逐漸溶解，有無色氣泡產(chǎn)生，反應速率開始時較慢，逐漸加快，試管a上部空間由無色變?yōu)榧t棕色，試管a的溶液由無色逐漸變?yōu)樗{色(4)由于反應開始時，產(chǎn)生的NO和試管上部的O2反應生成NO2，NO2溶于水，和水反應，使裝置內(nèi)的氣體壓強減小，所以導管口的水面會上升一段高度eq\a\vs4\al(知識點二硝酸與金屬反應的有關計算)1．金屬與HNO3反應的一般通式。(1)金屬＋濃硝酸→金屬硝酸鹽＋NO2↑＋H2O。(2)金屬＋稀硝酸→金屬硝酸鹽＋NO↑＋H2O。2．反應規(guī)律。(1)鐵與稀硝酸反應，先生成Fe(NO3)3，若Fe過量，F(xiàn)e(NO3)3再和Fe反應生成Fe(NO3)2。(2)銅與濃HNO3反應，若Cu過量，開始時硝酸的還原產(chǎn)物為NO2，隨著反應的進行，濃HNO3變稀，硝酸的還原產(chǎn)物為NO，最終應得到NO2和NO的混合氣體。3．計算方法。(1)原子守恒：n(HNO3)＝n(NOeq\o\al(－,3))＋n(還原產(chǎn)物中氮原子)。HNO3與金屬反應時，一部分HNO3起酸的作用，以NOeq\o\al(－,3)的形式存在于溶液中；一部分作為氧化劑轉(zhuǎn)化為還原產(chǎn)物，這兩部分中氮原子的總物質(zhì)的量等于反應消耗的HNO3中氮原子的物質(zhì)的量。(2)電子守恒：n(被還原HNO3)×化合價降低值＝n(金屬)×化合價升高值。即N原子得到的電子數(shù)等于金屬原子失去的電子數(shù)。(3)電荷守恒：c(NOeq\o\al(－,3))＝c(H＋)＋nc(Mn＋)(Mn＋代表金屬離子)即Mn＋和H＋所帶正電荷總數(shù)等于NOeq\o\al(－,3)所帶負電荷總數(shù)。(4)離子方程式計算法。金屬與H2SO4、HNO3的混合酸反應時，由于硝酸鹽中NOeq\o\al(－,3)在H2SO4提供H＋的條件下能繼續(xù)與金屬反應，因此此類題目應用離子方程式來計算，先作過量判斷，然后根據(jù)完全反應的金屬或H＋或NOeq\o\al(－,3)進行相關計算，且溶液中要符合電荷守恒。gCu和Zn的合金與足量的稀HNO3反應，還原產(chǎn)物只有NO氣體，其體積在標準狀況下為L。將溶液稀釋為1L，測得溶液的c(H＋)＝mol·L－1，此時溶液中NOeq\o\al(－,3)的濃度為()A．mol·L－1B．mol·L－1C．mol·L－1D．mol·L－1解析：n(NO)＝mol，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為mol×3＝mol，n(Cu＋Zn)＝mol÷2＝mol，n[Cu(NO3)2]＋n[Zn(NO3)2]＝mol，其中所含n(NOeq\o\al(－,3))＝mol，溶液的c(HNO3)＝c(H＋)＝mol·L－1，其中含n(NOeq\o\al(－,3))＝mol，溶液中NOeq\o\al(－,3)的總濃度為mol·L－1。答案：B?變式訓練2．mg銅跟適量的濃硝酸反應，銅全部作用后，共收集到氣體mL(標準狀況)，反應消耗的HNO3的物質(zhì)的量可能是(C)A．×10－3molB．×10－3molC．×10－3molD．×10－3mol解析：濃HNO3在反應過程中逐漸變稀，實際上發(fā)生了兩個反應：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O消耗的HNO3包括起酸性作用和氧化作用的兩部分，前者反應后以NOeq\o\al(－,3)形式存在，后者被還原后生成NO或NO2。根據(jù)氮原子守恒：Cu～2HNO3～Cu(NO3)2HNO3～NOHNO3～NO2，可知：n(HNO3)＝2n(Cu)＋n(氣體)＝2×eq\f×10－3g,64g·mol－1)＋eq\f×10－3L,L·mol－1)＝×10－3mol。eq\x(水)eq\x(平)eq\x(測)eq\x(試)1．可以不用棕色瓶保存的試劑是(A)A．氨水B．氯水C．濃硝酸D．硝酸銀解析：見光易分解的物質(zhì)常放入棕色瓶中保存。2．為除去鍍在鋁表面的銅鍍層，可選用的試劑是(B)A．稀硝酸B．濃硝酸C．稀硫酸D．濃鹽酸解析：Al在濃HNO3中鈍化，銅與濃HNO3可反應。3.(雙選)下列反應中，濃HNO3既表現(xiàn)出氧化性又表現(xiàn)出酸性的是(AB)A．濃HNO3中滴入石蕊試液并微熱B．氧化亞鐵與濃HNO3反應C．氫氧化鋁與HNO3反應D．碳與濃HNO3反應解析：在濃HNO3中滴入石蕊試液，石蕊試液先變紅，表現(xiàn)出酸性，后退色，又表現(xiàn)出強氧化性，F(xiàn)eO與濃HNO3反應生成NO2和Fe(NO3)3，HNO3表現(xiàn)出強氧化性，同時又表現(xiàn)出酸性。故選AB。4．(雙選)硝酸是一種重要的工業(yè)原料，僅2023年4月份，我國濃硝酸產(chǎn)量就達到214787噸。下列對于硝酸的認識，正確的是(AC)A．露置于空氣中，溶液濃度會減小B．銅與硝酸的反應屬于置換反應C．硝酸可氧化Fe2＋D．常溫下鐵或鋁與濃硝酸不反應解析：濃HNO3見光易分解，使?jié)舛葴p小，A正確。Cu與HNO3不發(fā)生置換反應，B錯。HNO3有強氧化性，可氧化有還原性的Fe2＋，C正確。常溫下鐵、鋁遇濃硝酸鈍化，而鈍化是化學變化，D錯。5．往淺綠色的Fe(NO3)2溶液中逐滴加入稀鹽酸時，溶液的顏色變化應該是(D)A．顏色變淺 B．逐漸變?yōu)榧t色C．沒有改變 D．變?yōu)樽攸S色解析：Fe2＋和NOeq\o\al(－,3)在溶液中可以大量共存，但加入稀鹽酸后，NOeq\o\al(－,3)在酸性條件下表現(xiàn)出強氧化性(即可認為H＋與NOeq\o\al(－,3)結(jié)合成了HNO3)，把Fe2＋氧化為Fe3＋，溶液由淺綠色變成棕黃色。6．用以下三種途徑來制取相同質(zhì)量的硝酸銅：①銅跟濃硝酸反應，②銅跟稀硝酸反應，③銅跟氧氣反應生成氧化銅，氧化銅再跟硝酸反應。以下敘述正確的是(D)A．三種途徑所消耗的銅的物質(zhì)的量不相等B．三種途徑所消耗的硝酸的物質(zhì)的量相等C．所消耗銅的物質(zhì)的量是：途徑③＞途徑①＞途徑②D．所消耗硝酸的物質(zhì)的量是：途徑①＞途徑②＞途徑③解析：三種途徑發(fā)生的反應歷程如下：途徑①Cueq\o(→,\s\up7(4HNO3（濃）))Cu(NO3)2＋NO2途徑②Cueq\o(→,\s\up7(\f(8),\s\do5(3)HNO3（?。?)Cu(NO3)2＋NO途徑③Cueq\o(→,\s\up7(O2))CuOeq\o(→,\s\up7(2HNO3（?。?)Cu(NO3)2由此可見，途徑①、②消耗HNO3量多且產(chǎn)生有毒氣體。7．將紅熱的固體單質(zhì)甲投入黃色的溶液乙中，劇烈反應產(chǎn)生混合氣體A，A在常溫下不與空氣反應，根據(jù)下列變化填空：eq\x(氣體A)eq\f(水,)eq\a\vs4\al(氣體\o(→,\s\up7(澄清石灰水),\s\do5()))eq\x(氣體B)eq\x(白色沉淀)eq\x(溶液)eq\f(單質(zhì)丙,)eq\x(氣體B)eq\x(藍色溶液)(1)甲是________，乙是________，丙是________。(2)混合氣體A的主要成分是______________。(3)氣體B是____，藍色溶液是____________。(4)甲與乙反應的化學方程式是________________________________________________________________________。解析：氣體A與水反應后的溶液與單質(zhì)丙反應，生成氣體B和藍色溶液，可推知丙為Cu，A中含NO2，A與水反應生成HNO3，所以B為NO；氣體A與水反應后的氣體通過澄清石灰水得到NO和白色沉淀，聯(lián)想A是固體甲與黃色溶液乙反應得到的混合氣體，可推知甲為碳，乙為濃硝酸，A中含NO2、CO2。答案：(1)C濃硝酸Cu(2)CO2和NO2(3)NOCu(NO3)2溶液(4)C＋4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O8.在濃硝酸中放入銅片：(1)反應開始的化學方程式為________________________________________________________________________。(2)若銅有剩余，則反應快要結(jié)束時的化學方程式是________________________________________________________________________。(3)待反應停止后，再加入少量25%的稀硫酸，這時銅片上又有氣泡產(chǎn)生，其原因是________________________________________________________________________。(4)若將g銅跟一定質(zhì)量的濃硝酸反應，銅耗完后，共產(chǎn)生氣體L(標準狀況)，則所消耗的硝酸的物質(zhì)的量是________。解析：該題綜合了銅跟硝酸反應的多種情況。過量的銅跟濃硝酸反應時，隨著反應的進行，硝酸的濃度逐漸變小，所以反應到后期，主要為銅稀硝酸反應；反應停止后，溶液中還有NOeq\o\al(－,3)，當加入強酸后，H＋跟NOeq\o\al(－,3)構成硝酸，使銅繼續(xù)溶解。從定量的角度來看，硝酸跟銅的反應表現(xiàn)了硝酸的酸性和強氧化性，且表現(xiàn)酸性的硝酸的物質(zhì)的量等于銅的物質(zhì)的量的2倍[因生成了Cu(NO3)2]，表現(xiàn)氧化性的硝酸的物質(zhì)的量等于生成氣體(NO或NO2)的物質(zhì)的量，根據(jù)原子守恒，可求消耗硝酸的物質(zhì)的量。答案：(1)Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O(2)3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O(3)加入稀硫酸后，硫酸電離的H＋與原溶液中的NOeq\o\al(－,3)又組成了具有強氧化性的稀硝酸，稀硝酸又跟過量的銅反應產(chǎn)生氣體(4)moleq\x(素)eq\x(能)eq\x(提)eq\x(高)9．鋅與很稀的硝酸反應生成硝酸鋅、硝酸銨和水。當生成1mol硝酸鋅時，被還原的硝酸的物質(zhì)的量為(D)A．2molB．1molC．molD．mol解析：根據(jù)電子守恒，生成1molZn(NO3)2時，轉(zhuǎn)移電子2mol，被還原的HNO3的物質(zhì)的量為1/4mol。10．某校課外活動小組為了探究銅與稀硝酸反應產(chǎn)生的是NO氣體，設計了如下實驗。實驗裝置如圖所示(已知NO、NO2能與NaOH溶液反應)：(1)設計裝置A的目的是________________________________________________________________________，為達此目的應進行的操作是________________________________________________________________________；A中反應的化學方程式是________________________________________________________________________。(2)在(1)中的操作后將裝置B中銅絲插入稀硝酸，并微熱之，觀察到裝置B中的現(xiàn)象是_____________