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高中化学人教版 (2019)必修 第二册第二节 氮及其化合物导学案
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这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册第二节 氮及其化合物导学案，共11页。
其主要流程是将氨和空气的混合气(氧∶氮≈2∶1)通入灼热(760～840 ℃)的铂铑合金网，在合金网的催化作用下，氨被氧化成一氧化氮(NO)，生成的一氧化氮结合反应后残余的氧气继续被氧化为二氧化氮，随后将二氧化氮通入水中制取硝酸。各步反应的化学方程式如下：
4NH3＋5O2eq \(=====,\s\up10(催化剂),\s\d10(△))4NO＋6H2O
2NO＋O2===2NO2
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
2．其他转化关系：(1)N2eq \(――→,\s\up10(O2/放电))NO
(2)NH4ClNH3
(3)HNO3eq \(――→,\s\up10(Cu))NO或NO2
(4)2NOx＋2xCOeq \(=====,\s\up10(催化剂))N2＋2xCO2
1．已知X、Y、Z、W(含同一元素)之间的转化关系为Xeq \(――→,\s\up10(O2))Yeq \(――→,\s\up10(O2))Zeq \(――→,\s\up10(H2O))W，且X能与W发生反应生成一种易溶于水的盐，则X可能是( )
A．N2 B．NO2 C．NH3 D．NO
C [根据题意可知X、Y、Z、W(含同一元素)均含N元素，由X能与W发生反应生成一种易溶于水的盐，知X是NH3，发生反应：4NH3＋5O2eq \(=====,\s\up10(催化剂),\s\d10(△))4NO＋6H2O，2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO；且HNO3＋NH3===NH4NO3。]
2．如图是某元素形成物质的“价—类”图，图中显示各物质之间的转化关系。其中A为正盐，X是一种强碱，通常条件下Z是无色液体，E的相对分子质量比D大16。下列说法正确的是( )
A．A是适合与草木灰混合施用的肥料
B．C可用排空气法收集
C．B和F能发生复分解反应生成盐
D．B在一定条件下可直接与Y反应生成D
D [A为正盐，X是一种强碱，二者反应生成氢化物B，则A为铵盐，B为NH3。B连续与Y反应得到氧化物D与氧化物E，且E的相对分子质量比D大16，则Y为O2、C为N2、D为NO、E为NO2。通常条件下Z是无色液体，E与Z反应得到含氧酸F，则Z为H2O、F为HNO3。F与X发生酸碱中和反应得到的G为硝酸盐。A为铵盐，草木灰的主要成分为K2CO3，其水溶液呈碱性，二者混合会反应生成氨气，降低肥效，故A项错误；氮气的密度与空气接近，不宜采取排空气法收集，可以用排水法收集氮气，故B项错误；氨气与硝酸反应生成硝酸铵，属于化合反应，不属于复分解反应，故C项错误；NH3在催化剂和加热的条件下，与O2反应生成NO和H2O，故D项正确。]
类型1 氮的氧化物溶于水的有关定量关系
(1)相关反应原理
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO①
2NO＋O2===2NO2②
由方程式①×2＋②得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3③
由方程式①×2＋②×3得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3④
(2)氮氧化物溶于水的不同情况及剩余气体分析
①NO2与O2的混合气体溶于水(反应③)
当V(NO2)∶V(O2)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(＝4∶1，恰好完全反应,>4∶1，NO2过量，剩余NO,<4∶1，O2过量，剩余O2))
②NO与O2的混合气体溶于水(反应④)
当V(NO)∶V(O2)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(＝4∶3，恰好完全反应,>4∶3，剩余NO,<4∶3，剩余O2))
【典例1】 一定条件下，将等体积的NO和O2充入同一试管，并将试管倒立于水槽中，充分反应后剩余气体的体积约为原气体总体积的( )
A．eq \f(1,4) B．eq \f(3,4) C．eq \f(1,8) D．eq \f(3,8)
C [根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可知
等体积NO和O2混合溶于水剩余O2。令两气体均为aL，则V剩(O2)＝a－eq \f(3,4)aL＝eq \f(1,4)a L，故eq \f(V剩O2,2a L)＝eq \f(1,8)。]
1．按图进行实验。试管中装有12 mL NO，然后间歇而又缓慢地通入8 mL O2，下列是有关最终状态的描述：
①试管内气体呈红棕色 ②试管内气体呈无色 ③试管内液面不变 ④试管内液面上升 ⑤试管内气体是O2 ⑥试管内气体是NO。其中正确的是( )
A．①③ B．②④⑤ C．②④⑥ D．②③⑤
C [根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可得，剩余气体应为NO，体积为eq \f(4,3) mL，试管内液面上升。]
2．若把NO2与O2的体积比大于4∶1的混合气体充入试管中，按上述实验，最后试管中得到的气体是____________________，理由是__________________。
[答案] NO 因为NO2和O2混合气体的体积之比大于4∶1 时，NO2过量，但过量的NO2气体再与水反应生成HNO3和NO，所以最后得到的气体为NO
类型2 硝酸与金属反应的有关计算
硝酸与金属反应的计算
(1)电子守恒法：硝酸与金属反应属于氧化还原反应，氮原子得到的电子总数等于金属原子失去的电子总数。
(2)原子守恒法：硝酸与金属反应时，反应前硝酸中的NOeq \\al(－,3)一部分仍以NOeq \\al(－,3)的形式存在，一部分转化为还原产物，这两部分中N的物质的量之和与反应消耗的硝酸中N的物质的量相等。
(3)电荷守恒法
HNO3过量时，反应后溶液中(不考虑OH－)根据电荷守恒有c(NOeq \\al(－,3))＝c(H＋)＋nc(Mn＋)(Mn＋代表金属离子)。
(4)利用离子方程式计算
硝酸与硫酸混合液跟金属的反应，当金属足量时，不能用硝酸与金属反应的化学方程式计算，应用离子方程式计算，因为生成的硝酸盐中的NOeq \\al(－,3)与硫酸电离出的H＋仍能继续与金属反应。如金属铜与混酸的反应方程式为3Cu＋8H＋＋2NOeq \\al(－,3)===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。
【典例2】 3.2 g铜与过量硝酸(8 ml·L－1、30 mL)充分反应，硝酸的还原产物为NO2和NO，反应后溶液中含有a ml H＋，则此时溶液中所含NOeq \\al(－,3)的物质的量为( )
A．(0.2＋a)ml B．(0.1＋a)ml
C．(0.05＋a)ml D．a ml
B [eq \b\lc\ \rc\](\a\vs4\al\c1(nCu2＋＝nCu＝0.05 ml, nH＋＝a ml))eq \(―――――→,\s\up10(电荷守恒))n(NOeq \\al(－,3))＝n(H＋)＋n(Cu2＋)×23.2 g铜与过量硝酸(8 ml·L－1、30 mL)充分反应生成Cu2＋，充分反应后溶液中Cu2＋的物质的量为0.05 ml，含a ml H＋，根据电荷守恒，可得硝酸根的物质的量等于铜离子物质的量的2倍和氢离子的物质的量之和，则此时溶液中所含NOeq \\al(－,3)的物质的量为(0.1＋a)ml。]
[变式] (1)反应过程中失去电子________ml。
(2)被还原的HNO3为________ml。生成NO2和NO的总物质的量为________ml。
[答案] (1)0.1 (2)(0.14－a) (0.14－a)
3．某金属单质跟浓硝酸反应，若参加反应的单质和浓硝酸的物质的量之比为1∶4，浓硝酸被还原成NO2，则该单质在氧化产物中的化合价为( )
A．＋2 B．＋3 C．＋4 D．＋5
A [根据得失电子守恒解题，但要注意硝酸中有和金属元素结合的硝酸根未被还原，所以，设反应后金属的化合价为x，则列式为1×(x－0)＝(4－x)×(5－4)，解得x＝＋2。注意(4－x)代表的是有4 ml硝酸反应，和金属元素结合的未被还原的硝酸为x ml，所以得电子的硝酸的物质的量为(4－x)ml。]
4．向某HNO3和Fe(NO3)3的混合溶液中逐渐加入铁粉，产生无色气体，该气体遇空气变红棕色，溶液中Fe2＋的物质的量和加入Fe粉的物质的量之间的关系如图所示，则原稀溶液中HNO3和Fe(NO3)3的物质的量浓度之比为( )
A．4∶1 B．3∶1 C．2∶1 D．1∶1
A [由图像可知，当加入1 ml Fe时，n(Fe2＋)＝0，再加入Fe，n(Fe2＋)逐渐增大，说明当加入Fe少于1 ml时，发生反应：Fe＋4HNO3(稀)===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O，所以混合溶液中含有4 ml HNO3，当再加入1 ml Fe时，发生反应：Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，得到3 ml Fe2＋，由图像和前面分析可知原混合溶液中含有1 ml Fe(NO3)3。故原稀溶液中HNO3和Fe(NO3)3的物质的量浓度之比为4∶1。A项正确。]
1．气体制备及其性质探究的基本流程
eq \x(\a\al(发生,装置))―→eq \x(\a\al(净化,装置))―→eq \x(\a\al(干燥,装置))―→eq \x(\a\al(性质,探究))―→eq \x(\a\al(收集,装置))―→eq \x(\a\al(吸收,装置))
2．常见气体的发生装置
(1)固＋固eq \(――→,\s\up10(△))气(如制O2、NH3等)
(2)固＋液―→气(如制H2、O2、CO2、SO2、NO2、NO等)
或
(3)固＋液eq \(――→,\s\up10(△))气(如制Cl2、SO2等)
3．常见气体净化装置
4．常见气体的收集方法
(1)排水法：收集难溶于水的气体，如O2、H2、N2、NO、CO等。
(2)排液法：收集难溶于所选溶液的气体，如Cl2用排饱和食盐水法收集。
(3)向上排空气法：收集气体密度比空气的大且相差较大的气体，如Cl2、CO2、NO2等。
(4)向下排空气法：收集气体密度比空气的小的气体，如CH4、H2、NH3等。
5．尾气处理装置(如下图a、b、c)
a b c
注意：吸收式装置要注意防倒吸。
【典例3】 某课外活动小组用如图所示的实验装置探究氯气与氨气之间的反应。其中A、F为氨气和氯气的发生装置，C为纯净、干燥的氯气与氨气反应的装置。
请回答下列问题：
(1)装置F中发生反应的离子方程式是______________。
(2)装置A中的烧瓶内固体可选用______(选填字母序号)。
A．碱石灰 B．浓硫酸
C．生石灰 D．五氧化二磷
E．烧碱
(3)虚线框内应添加必要的除杂装置，请从如图的备选装置中选择，并将编号填入下列空格：
B________、D________、E________。
(4)氯气和氨气在常温下混合就能发生反应生成氯化铵和氮气，该反应的化学方程式为_______________；装置C内出现浓厚的白烟并在容器内壁凝结，请设计一个实验方案鉴定该固体就是氯化铵：_________________________。
(5)若从装置C的G处逸出的尾气中含有N2和少量Cl2，应如何处理？____________________________________________。
[解析] (1)浓盐酸和二氧化锰在加热条件下反应生成氯化锰、氯气和水，离子方程式为MnO2＋4H＋＋2Cl－eq \(=====,\s\up10(△))Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。 (2)利用物质溶解时放出的热量促进氨水的挥发来制取氨气，且该物质和氨气不反应，氨气是碱性气体，所以溶解的物质必须是碱性物质，A．碱石灰、C．生石灰、E．烧碱都是碱性物质，且溶解于水时放出热量，D．五氧化二磷、B．浓硫酸虽然溶于水时放热，但是属于酸性物质。 (3)氨气中混有水蒸气，氨气是碱性气体，要除去水蒸气只能用碱性物质，故选Ⅱ；制取的氯气中混有氯化氢气体和水蒸气，氯化氢极易溶于水，氯气也能溶于水，所以不能用水除去氯化氢气体；氯气和水反应生成盐酸和次氯酸，食盐水中含有氯离子，能抑制氯气的溶解，所以要想除去氯气中的氯化氢E应选Ⅰ；水蒸气常用浓硫酸除去，故D选Ⅲ。 (4)氯气和氨气在常温下混合就能发生反应生成氯化铵和氮气：8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2；氯化铵中含有氯离子和铵根离子，氯离子用硝酸酸化的硝酸银溶液检验；氨气用湿润的红色石蕊试纸检验。(5)氯气有毒，所以不能直接排入空气中，但氯气能和水反应生成盐酸和次氯酸，盐酸和次氯酸都能和氢氧化钠反应生成盐，所以除去氯气可选用氢氧化钠溶液吸收，方法为将导气管与G口连接，另一端插入盛有NaOH溶液的烧杯中。
[答案] (1)MnO2＋4H＋＋2Cl－eq \(=====,\s\up10(△))Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O (2)ACE (3)Ⅱ Ⅲ Ⅰ (4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2 将固体在烧杯中溶解，用试管取少量溶液，然后滴加少量硝酸酸化的AgNO3溶液，有白色沉淀产生，证明有Cl－；用试管取少量溶液，加入浓烧碱溶液，加热，再将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，红色石蕊试纸变蓝证明有NHeq \\al(＋,4) (5)将导气管与G口连接，另一端插入盛有NaOH溶液的烧杯中
5．某研究小组用下图装置进行SO2与FeCl3溶液反应的相关实验(夹持装置已略去)。
(1)通入足量SO2时，装置C中观察到的现象为____________。
(2)根据以上现象，该小组同学认为SO2与FeCl3溶液发生氧化还原反应。
①写出SO2与FeCl3溶液反应的离子方程式：________________________。
②该小组同学向装置C反应后的溶液中加入硝酸酸化的BaCl2溶液，若出现白色沉淀，即可证明反应生成了SOeq \\al(2－,4)，该做法__________(填“合理”或“不合理”)，理由是______________________________________________________
________________________________________________________________。
(3)B的作用是_______________________________________。
(4)装置D中倒置漏斗的作用是__________________________。
(5)为了验证SO2具有还原性，实验中可以代替FeCl3的试剂有________(填字母)。
a．浓H2SO4b．酸性KMnO4溶液
c．碘水 d．NaCl溶液
[解析] (1)SO2通入FeCl3溶液中时，SO2表现出还原性，能将Fe3＋还原为Fe2＋，则装置C中观察到的现象为溶液由棕黄色变为浅绿色。(2)①根据上述分析可知，装置C中发生反应的离子方程式为2Fe3＋＋SO2＋2H2O===SOeq \\al(2－,4)＋4H＋＋2Fe2＋。②加入的HNO3能将溶解的SO2氧化为H2SO4，会干扰实验，故该做法不合理。(4)装置D中倒置漏斗能将SO2尾气充分吸收，且能防止溶液倒吸。(5)要验证SO2具有还原性，应选择具有较强的氧化性的试剂，且实验过程中有明显的实验现象，b、c项试剂均可代替FeCl3溶液。
[答案] (1)溶液由棕黄色变为浅绿色
(2)①2Fe3＋＋SO2＋2H2O===SOeq \\al(2－,4)＋4H＋＋2Fe2＋
②不合理 硝酸可以将溶解的SO2氧化为H2SO4，干扰实验 (3)安全瓶，防止倒吸
(4)使气体被充分吸收；防止溶液倒吸 (5)bc
某校课外活动小组为了探究铜与稀硝酸反应产生的气体是否为NO，设计了如下实验。实验装置如图所示(已知NO、NO2能与NaOH溶液反应)：
1．设计装置A的目的是什么？为达到此目的，应进行的操作是什么？
提示：利用生成的CO2将装置内的空气赶尽，排除对气体产物观察的干扰。打开分液漏斗上口的活塞(或使分液漏斗活塞上的凹槽对准瓶口上的小孔)，打开K，当装置C中产生白色浑浊时，关闭K。
2．反应过程中，B装置中的现象是什么？写出发生反应的离子方程式。
提示：铜丝上产生气泡，稀硝酸液面上气体仍无色，溶液变为蓝色。3Cu＋8H＋＋2NOeq \\al(－,3)===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。
3．反应一段时间，将注射器中的空气注入E中，E中现象是什么？实验目的是什么？写出发生反应的方程式。
提示：无色气体变为红棕色，验证Cu与稀HNO3反应生成NO。2NO＋O2===2NO2。
4．D中用干燥管的目的是什么？D装置的作用是什么？
提示：防止倒吸。吸收尾气，防止污染空气。
5．若没有设计A装置，B中液面上方有什么现象？
提示：无色变成红棕色，一段时间又变为无色。
通过Cu与硝酸的反应，理解反应原理、现象装置评价、尾气处理等。培养学生“科学探究与创新意识”的化学核心素养。
1．氨是一种重要的工业原料，工业上利用反应3Cl2＋2NH3===N2＋6HCl检查氯气管道是否漏气，下列说法错误的是( )
A．若管道漏气，遇氨就会产生白烟
B．该反应利用了Cl2的强氧化性
C．该反应属于复分解反应
D．生成1 ml N2时有6 ml电子转移
C [此反应中存在元素化合价的变化，为氧化还原反应，氧化还原反应不可能为复分解反应，C错误；Cl2在此反应中作氧化剂，体现强氧化性，B正确；反应生成的HCl遇到挥发出来的NH3生成白烟(NH4Cl)，A正确；2NH3eq \(――→,\s\up10(失6e－))N2，所以生成1 ml N2时有6 ml电子转移，D正确。]
2．某化学兴趣小组设计了如图所示的浓HNO3与Cu反应的微型实验。下列说法中错误的是( )
A．挤压塑料瓶使浓HNO3进入干燥管就可引发反应
B．将装置口向上提起就可停止反应
C．蘸碱液的棉花可起到吸收NO2的作用
D．该装置适用于木炭与浓硝酸或浓硫酸的反应实验
D [挤压塑料瓶使浓HNO3进入干燥管与铜接触，可以引发反应，A正确；将装置口向上提起使铜与浓HNO3分离，可使反应停止，B正确；NO2是酸性气体，可被碱液吸收，C正确；木炭与浓硝酸或浓硫酸的反应需要加热才能够进行，而该装置是在常温下进行的反应装置，D错误。]
3．将40 mL NO2和NO的混合气体通入倒立于水槽中盛满水的试管里，充分反应后试管中剩余20 mL气体，则原混合气体中NO2和NO的体积比为( )
A．2∶1 B．1∶3 C．3∶1 D．1∶1
C [3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ΔV
3 mL 1 mL 2 mL
V(NO2) (40 mL－20 mL)
eq \f(3 mL,2 mL)＝eq \f(VNO2,40 mL－20 mL)，解得V(NO2)＝30 mL
所以原混合气体中V(NO)＝40 mL－30 mL＝10 mL，因此V(NO2)∶V(NO)＝30 mL∶10 mL＝3∶1。]
4．下列物质的转化必须加入氧化剂且通过一步反应就能完成的是( )
①N2→NO2 ②NO2→NO ③NO2→HNO3 ④N2→NO
A．① B．② C．④ D．③
[答案] C
5．为了在实验室制取干燥的氨气，甲、乙、丙三位同学分别设计了如图所示三套实验装置：
(1)写出实验室制氨气的化学反应方程式：__________________
_________________________________________________________。
(2)实验装置和所用样品都正确的是________(填“甲”“乙”或“丙”)。
(3)检验试管里是否收集满氨气的方法是_____________________________
_________________________________________________________。
(4)上述装置中肯定收集不到氨气的是________(填“甲”“乙”或“丙”)，其原因是___________________________________________________________
________________________________________(用化学方程式表示)。
[解析] (2)甲中没有干燥装置，得到的氨气中含有水蒸气；乙中浓硫酸能够与氨气发生反应；丙中碱石灰与氨气不反应，能够干燥氨气。
(3)氨气与水反应生成一水合氨，一水合氨遇红色的石蕊试纸显蓝色，可将湿润的红色石蕊试纸放在试管口检验氨气是否已收集满；氨气和氯化氢或硝酸反应可产生大量白烟，所以可用玻璃棒蘸取浓盐酸或浓硝酸放在试管口，若产生大量白烟，可证明氨气已经收集满。
(4)氨气为碱性气体，可与浓硫酸反应，反应的化学方程式为2NH3＋H2SO4===(NH4)2SO4(氨过量)或NH3＋H2SO4===NH4HSO4(氨少量)，故乙装置肯定收集不到氨气。
[答案] (1)Ca(OH)2＋2NH4Cleq \(=====,\s\up10(△))2NH3↑＋CaCl2＋2H2O (2)丙 (3)在试管口放一块湿润的红色石蕊试纸，若试纸变蓝，则证明氨气已经集满[或用玻璃棒蘸取浓盐酸(或浓硝酸)放在试管口，若产生大量白烟，则证明氨气已经集满] (4)乙 2NH3＋H2SO4===(NH4)2SO4(或NH3＋H2SO4===NH4HSO4)
探 究 任 务
1．理解含氮化合物的转化及应用。
2．掌握NOx、硝酸的有关计算。
3．含氮化合物的综合实验探究。
含氮物质的转化及应用
含氮化合物的有关计算
常见气体的制备及性质探究
类型
液态吸收剂
固态吸收剂
固态吸收剂
固体吸收剂，加热
装置
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
备选装置
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
其主要流程是将氨和空气的混合气(氧∶氮≈2∶1)通入灼热(760～840 ℃)的铂铑合金网，在合金网的催化作用下，氨被氧化成一氧化氮(NO)，生成的一氧化氮结合反应后残余的氧气继续被氧化为二氧化氮，随后将二氧化氮通入水中制取硝酸。各步反应的化学方程式如下：
4NH3＋5O2eq \(=====,\s\up10(催化剂),\s\d10(△))4NO＋6H2O
2NO＋O2===2NO2
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
2．其他转化关系：(1)N2eq \(――→,\s\up10(O2/放电))NO
(2)NH4ClNH3
(3)HNO3eq \(――→,\s\up10(Cu))NO或NO2
(4)2NOx＋2xCOeq \(=====,\s\up10(催化剂))N2＋2xCO2
1．已知X、Y、Z、W(含同一元素)之间的转化关系为Xeq \(――→,\s\up10(O2))Yeq \(――→,\s\up10(O2))Zeq \(――→,\s\up10(H2O))W，且X能与W发生反应生成一种易溶于水的盐，则X可能是( )
A．N2 B．NO2 C．NH3 D．NO
C [根据题意可知X、Y、Z、W(含同一元素)均含N元素，由X能与W发生反应生成一种易溶于水的盐，知X是NH3，发生反应：4NH3＋5O2eq \(=====,\s\up10(催化剂),\s\d10(△))4NO＋6H2O，2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO；且HNO3＋NH3===NH4NO3。]
2．如图是某元素形成物质的“价—类”图，图中显示各物质之间的转化关系。其中A为正盐，X是一种强碱，通常条件下Z是无色液体，E的相对分子质量比D大16。下列说法正确的是( )
A．A是适合与草木灰混合施用的肥料
B．C可用排空气法收集
C．B和F能发生复分解反应生成盐
D．B在一定条件下可直接与Y反应生成D
D [A为正盐，X是一种强碱，二者反应生成氢化物B，则A为铵盐，B为NH3。B连续与Y反应得到氧化物D与氧化物E，且E的相对分子质量比D大16，则Y为O2、C为N2、D为NO、E为NO2。通常条件下Z是无色液体，E与Z反应得到含氧酸F，则Z为H2O、F为HNO3。F与X发生酸碱中和反应得到的G为硝酸盐。A为铵盐，草木灰的主要成分为K2CO3，其水溶液呈碱性，二者混合会反应生成氨气，降低肥效，故A项错误；氮气的密度与空气接近，不宜采取排空气法收集，可以用排水法收集氮气，故B项错误；氨气与硝酸反应生成硝酸铵，属于化合反应，不属于复分解反应，故C项错误；NH3在催化剂和加热的条件下，与O2反应生成NO和H2O，故D项正确。]
类型1 氮的氧化物溶于水的有关定量关系
(1)相关反应原理
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO①
2NO＋O2===2NO2②
由方程式①×2＋②得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3③
由方程式①×2＋②×3得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3④
(2)氮氧化物溶于水的不同情况及剩余气体分析
①NO2与O2的混合气体溶于水(反应③)
当V(NO2)∶V(O2)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(＝4∶1，恰好完全反应,>4∶1，NO2过量，剩余NO,<4∶1，O2过量，剩余O2))
②NO与O2的混合气体溶于水(反应④)
当V(NO)∶V(O2)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(＝4∶3，恰好完全反应,>4∶3，剩余NO,<4∶3，剩余O2))
【典例1】 一定条件下，将等体积的NO和O2充入同一试管，并将试管倒立于水槽中，充分反应后剩余气体的体积约为原气体总体积的( )
A．eq \f(1,4) B．eq \f(3,4) C．eq \f(1,8) D．eq \f(3,8)
C [根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可知
等体积NO和O2混合溶于水剩余O2。令两气体均为aL，则V剩(O2)＝a－eq \f(3,4)aL＝eq \f(1,4)a L，故eq \f(V剩O2,2a L)＝eq \f(1,8)。]
1．按图进行实验。试管中装有12 mL NO，然后间歇而又缓慢地通入8 mL O2，下列是有关最终状态的描述：
①试管内气体呈红棕色 ②试管内气体呈无色 ③试管内液面不变 ④试管内液面上升 ⑤试管内气体是O2 ⑥试管内气体是NO。其中正确的是( )
A．①③ B．②④⑤ C．②④⑥ D．②③⑤
C [根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可得，剩余气体应为NO，体积为eq \f(4,3) mL，试管内液面上升。]
2．若把NO2与O2的体积比大于4∶1的混合气体充入试管中，按上述实验，最后试管中得到的气体是____________________，理由是__________________。
[答案] NO 因为NO2和O2混合气体的体积之比大于4∶1 时，NO2过量，但过量的NO2气体再与水反应生成HNO3和NO，所以最后得到的气体为NO
类型2 硝酸与金属反应的有关计算
硝酸与金属反应的计算
(1)电子守恒法：硝酸与金属反应属于氧化还原反应，氮原子得到的电子总数等于金属原子失去的电子总数。
(2)原子守恒法：硝酸与金属反应时，反应前硝酸中的NOeq \\al(－,3)一部分仍以NOeq \\al(－,3)的形式存在，一部分转化为还原产物，这两部分中N的物质的量之和与反应消耗的硝酸中N的物质的量相等。
(3)电荷守恒法
HNO3过量时，反应后溶液中(不考虑OH－)根据电荷守恒有c(NOeq \\al(－,3))＝c(H＋)＋nc(Mn＋)(Mn＋代表金属离子)。
(4)利用离子方程式计算
硝酸与硫酸混合液跟金属的反应，当金属足量时，不能用硝酸与金属反应的化学方程式计算，应用离子方程式计算，因为生成的硝酸盐中的NOeq \\al(－,3)与硫酸电离出的H＋仍能继续与金属反应。如金属铜与混酸的反应方程式为3Cu＋8H＋＋2NOeq \\al(－,3)===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。
【典例2】 3.2 g铜与过量硝酸(8 ml·L－1、30 mL)充分反应，硝酸的还原产物为NO2和NO，反应后溶液中含有a ml H＋，则此时溶液中所含NOeq \\al(－,3)的物质的量为( )
A．(0.2＋a)ml B．(0.1＋a)ml
C．(0.05＋a)ml D．a ml
B [eq \b\lc\ \rc\](\a\vs4\al\c1(nCu2＋＝nCu＝0.05 ml, nH＋＝a ml))eq \(―――――→,\s\up10(电荷守恒))n(NOeq \\al(－,3))＝n(H＋)＋n(Cu2＋)×23.2 g铜与过量硝酸(8 ml·L－1、30 mL)充分反应生成Cu2＋，充分反应后溶液中Cu2＋的物质的量为0.05 ml，含a ml H＋，根据电荷守恒，可得硝酸根的物质的量等于铜离子物质的量的2倍和氢离子的物质的量之和，则此时溶液中所含NOeq \\al(－,3)的物质的量为(0.1＋a)ml。]
[变式] (1)反应过程中失去电子________ml。
(2)被还原的HNO3为________ml。生成NO2和NO的总物质的量为________ml。
[答案] (1)0.1 (2)(0.14－a) (0.14－a)
3．某金属单质跟浓硝酸反应，若参加反应的单质和浓硝酸的物质的量之比为1∶4，浓硝酸被还原成NO2，则该单质在氧化产物中的化合价为( )
A．＋2 B．＋3 C．＋4 D．＋5
A [根据得失电子守恒解题，但要注意硝酸中有和金属元素结合的硝酸根未被还原，所以，设反应后金属的化合价为x，则列式为1×(x－0)＝(4－x)×(5－4)，解得x＝＋2。注意(4－x)代表的是有4 ml硝酸反应，和金属元素结合的未被还原的硝酸为x ml，所以得电子的硝酸的物质的量为(4－x)ml。]
4．向某HNO3和Fe(NO3)3的混合溶液中逐渐加入铁粉，产生无色气体，该气体遇空气变红棕色，溶液中Fe2＋的物质的量和加入Fe粉的物质的量之间的关系如图所示，则原稀溶液中HNO3和Fe(NO3)3的物质的量浓度之比为( )
A．4∶1 B．3∶1 C．2∶1 D．1∶1
A [由图像可知，当加入1 ml Fe时，n(Fe2＋)＝0，再加入Fe，n(Fe2＋)逐渐增大，说明当加入Fe少于1 ml时，发生反应：Fe＋4HNO3(稀)===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O，所以混合溶液中含有4 ml HNO3，当再加入1 ml Fe时，发生反应：Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，得到3 ml Fe2＋，由图像和前面分析可知原混合溶液中含有1 ml Fe(NO3)3。故原稀溶液中HNO3和Fe(NO3)3的物质的量浓度之比为4∶1。A项正确。]
1．气体制备及其性质探究的基本流程
eq \x(\a\al(发生,装置))―→eq \x(\a\al(净化,装置))―→eq \x(\a\al(干燥,装置))―→eq \x(\a\al(性质,探究))―→eq \x(\a\al(收集,装置))―→eq \x(\a\al(吸收,装置))
2．常见气体的发生装置
(1)固＋固eq \(――→,\s\up10(△))气(如制O2、NH3等)
(2)固＋液―→气(如制H2、O2、CO2、SO2、NO2、NO等)
或
(3)固＋液eq \(――→,\s\up10(△))气(如制Cl2、SO2等)
3．常见气体净化装置
4．常见气体的收集方法
(1)排水法：收集难溶于水的气体，如O2、H2、N2、NO、CO等。
(2)排液法：收集难溶于所选溶液的气体，如Cl2用排饱和食盐水法收集。
(3)向上排空气法：收集气体密度比空气的大且相差较大的气体，如Cl2、CO2、NO2等。
(4)向下排空气法：收集气体密度比空气的小的气体，如CH4、H2、NH3等。
5．尾气处理装置(如下图a、b、c)
a b c
注意：吸收式装置要注意防倒吸。
【典例3】 某课外活动小组用如图所示的实验装置探究氯气与氨气之间的反应。其中A、F为氨气和氯气的发生装置，C为纯净、干燥的氯气与氨气反应的装置。
请回答下列问题：
(1)装置F中发生反应的离子方程式是______________。
(2)装置A中的烧瓶内固体可选用______(选填字母序号)。
A．碱石灰 B．浓硫酸
C．生石灰 D．五氧化二磷
E．烧碱
(3)虚线框内应添加必要的除杂装置，请从如图的备选装置中选择，并将编号填入下列空格：
B________、D________、E________。
(4)氯气和氨气在常温下混合就能发生反应生成氯化铵和氮气，该反应的化学方程式为_______________；装置C内出现浓厚的白烟并在容器内壁凝结，请设计一个实验方案鉴定该固体就是氯化铵：_________________________。
(5)若从装置C的G处逸出的尾气中含有N2和少量Cl2，应如何处理？____________________________________________。
[解析] (1)浓盐酸和二氧化锰在加热条件下反应生成氯化锰、氯气和水，离子方程式为MnO2＋4H＋＋2Cl－eq \(=====,\s\up10(△))Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。 (2)利用物质溶解时放出的热量促进氨水的挥发来制取氨气，且该物质和氨气不反应，氨气是碱性气体，所以溶解的物质必须是碱性物质，A．碱石灰、C．生石灰、E．烧碱都是碱性物质，且溶解于水时放出热量，D．五氧化二磷、B．浓硫酸虽然溶于水时放热，但是属于酸性物质。 (3)氨气中混有水蒸气，氨气是碱性气体，要除去水蒸气只能用碱性物质，故选Ⅱ；制取的氯气中混有氯化氢气体和水蒸气，氯化氢极易溶于水，氯气也能溶于水，所以不能用水除去氯化氢气体；氯气和水反应生成盐酸和次氯酸，食盐水中含有氯离子，能抑制氯气的溶解，所以要想除去氯气中的氯化氢E应选Ⅰ；水蒸气常用浓硫酸除去，故D选Ⅲ。 (4)氯气和氨气在常温下混合就能发生反应生成氯化铵和氮气：8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2；氯化铵中含有氯离子和铵根离子，氯离子用硝酸酸化的硝酸银溶液检验；氨气用湿润的红色石蕊试纸检验。(5)氯气有毒，所以不能直接排入空气中，但氯气能和水反应生成盐酸和次氯酸，盐酸和次氯酸都能和氢氧化钠反应生成盐，所以除去氯气可选用氢氧化钠溶液吸收，方法为将导气管与G口连接，另一端插入盛有NaOH溶液的烧杯中。
[答案] (1)MnO2＋4H＋＋2Cl－eq \(=====,\s\up10(△))Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O (2)ACE (3)Ⅱ Ⅲ Ⅰ (4)8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2 将固体在烧杯中溶解，用试管取少量溶液，然后滴加少量硝酸酸化的AgNO3溶液，有白色沉淀产生，证明有Cl－；用试管取少量溶液，加入浓烧碱溶液，加热，再将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，红色石蕊试纸变蓝证明有NHeq \\al(＋,4) (5)将导气管与G口连接，另一端插入盛有NaOH溶液的烧杯中
5．某研究小组用下图装置进行SO2与FeCl3溶液反应的相关实验(夹持装置已略去)。
(1)通入足量SO2时，装置C中观察到的现象为____________。
(2)根据以上现象，该小组同学认为SO2与FeCl3溶液发生氧化还原反应。
①写出SO2与FeCl3溶液反应的离子方程式：________________________。
②该小组同学向装置C反应后的溶液中加入硝酸酸化的BaCl2溶液，若出现白色沉淀，即可证明反应生成了SOeq \\al(2－,4)，该做法__________(填“合理”或“不合理”)，理由是______________________________________________________
________________________________________________________________。
(3)B的作用是_______________________________________。
(4)装置D中倒置漏斗的作用是__________________________。
(5)为了验证SO2具有还原性，实验中可以代替FeCl3的试剂有________(填字母)。
a．浓H2SO4b．酸性KMnO4溶液
c．碘水 d．NaCl溶液
[解析] (1)SO2通入FeCl3溶液中时，SO2表现出还原性，能将Fe3＋还原为Fe2＋，则装置C中观察到的现象为溶液由棕黄色变为浅绿色。(2)①根据上述分析可知，装置C中发生反应的离子方程式为2Fe3＋＋SO2＋2H2O===SOeq \\al(2－,4)＋4H＋＋2Fe2＋。②加入的HNO3能将溶解的SO2氧化为H2SO4，会干扰实验，故该做法不合理。(4)装置D中倒置漏斗能将SO2尾气充分吸收，且能防止溶液倒吸。(5)要验证SO2具有还原性，应选择具有较强的氧化性的试剂，且实验过程中有明显的实验现象，b、c项试剂均可代替FeCl3溶液。
[答案] (1)溶液由棕黄色变为浅绿色
(2)①2Fe3＋＋SO2＋2H2O===SOeq \\al(2－,4)＋4H＋＋2Fe2＋
②不合理 硝酸可以将溶解的SO2氧化为H2SO4，干扰实验 (3)安全瓶，防止倒吸
(4)使气体被充分吸收；防止溶液倒吸 (5)bc
某校课外活动小组为了探究铜与稀硝酸反应产生的气体是否为NO，设计了如下实验。实验装置如图所示(已知NO、NO2能与NaOH溶液反应)：
1．设计装置A的目的是什么？为达到此目的，应进行的操作是什么？
提示：利用生成的CO2将装置内的空气赶尽，排除对气体产物观察的干扰。打开分液漏斗上口的活塞(或使分液漏斗活塞上的凹槽对准瓶口上的小孔)，打开K，当装置C中产生白色浑浊时，关闭K。
2．反应过程中，B装置中的现象是什么？写出发生反应的离子方程式。
提示：铜丝上产生气泡，稀硝酸液面上气体仍无色，溶液变为蓝色。3Cu＋8H＋＋2NOeq \\al(－,3)===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。
3．反应一段时间，将注射器中的空气注入E中，E中现象是什么？实验目的是什么？写出发生反应的方程式。
提示：无色气体变为红棕色，验证Cu与稀HNO3反应生成NO。2NO＋O2===2NO2。
4．D中用干燥管的目的是什么？D装置的作用是什么？
提示：防止倒吸。吸收尾气，防止污染空气。
5．若没有设计A装置，B中液面上方有什么现象？
提示：无色变成红棕色，一段时间又变为无色。
通过Cu与硝酸的反应，理解反应原理、现象装置评价、尾气处理等。培养学生“科学探究与创新意识”的化学核心素养。
1．氨是一种重要的工业原料，工业上利用反应3Cl2＋2NH3===N2＋6HCl检查氯气管道是否漏气，下列说法错误的是( )
A．若管道漏气，遇氨就会产生白烟
B．该反应利用了Cl2的强氧化性
C．该反应属于复分解反应
D．生成1 ml N2时有6 ml电子转移
C [此反应中存在元素化合价的变化，为氧化还原反应，氧化还原反应不可能为复分解反应，C错误；Cl2在此反应中作氧化剂，体现强氧化性，B正确；反应生成的HCl遇到挥发出来的NH3生成白烟(NH4Cl)，A正确；2NH3eq \(――→,\s\up10(失6e－))N2，所以生成1 ml N2时有6 ml电子转移，D正确。]
2．某化学兴趣小组设计了如图所示的浓HNO3与Cu反应的微型实验。下列说法中错误的是( )
A．挤压塑料瓶使浓HNO3进入干燥管就可引发反应
B．将装置口向上提起就可停止反应
C．蘸碱液的棉花可起到吸收NO2的作用
D．该装置适用于木炭与浓硝酸或浓硫酸的反应实验
D [挤压塑料瓶使浓HNO3进入干燥管与铜接触，可以引发反应，A正确；将装置口向上提起使铜与浓HNO3分离，可使反应停止，B正确；NO2是酸性气体，可被碱液吸收，C正确；木炭与浓硝酸或浓硫酸的反应需要加热才能够进行，而该装置是在常温下进行的反应装置，D错误。]
3．将40 mL NO2和NO的混合气体通入倒立于水槽中盛满水的试管里，充分反应后试管中剩余20 mL气体，则原混合气体中NO2和NO的体积比为( )
A．2∶1 B．1∶3 C．3∶1 D．1∶1
C [3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ΔV
3 mL 1 mL 2 mL
V(NO2) (40 mL－20 mL)
eq \f(3 mL,2 mL)＝eq \f(VNO2,40 mL－20 mL)，解得V(NO2)＝30 mL
所以原混合气体中V(NO)＝40 mL－30 mL＝10 mL，因此V(NO2)∶V(NO)＝30 mL∶10 mL＝3∶1。]
4．下列物质的转化必须加入氧化剂且通过一步反应就能完成的是( )
①N2→NO2 ②NO2→NO ③NO2→HNO3 ④N2→NO
A．① B．② C．④ D．③
[答案] C
5．为了在实验室制取干燥的氨气，甲、乙、丙三位同学分别设计了如图所示三套实验装置：
(1)写出实验室制氨气的化学反应方程式：__________________
_________________________________________________________。
(2)实验装置和所用样品都正确的是________(填“甲”“乙”或“丙”)。
(3)检验试管里是否收集满氨气的方法是_____________________________
_________________________________________________________。
(4)上述装置中肯定收集不到氨气的是________(填“甲”“乙”或“丙”)，其原因是___________________________________________________________
________________________________________(用化学方程式表示)。
[解析] (2)甲中没有干燥装置，得到的氨气中含有水蒸气；乙中浓硫酸能够与氨气发生反应；丙中碱石灰与氨气不反应，能够干燥氨气。
(3)氨气与水反应生成一水合氨，一水合氨遇红色的石蕊试纸显蓝色，可将湿润的红色石蕊试纸放在试管口检验氨气是否已收集满；氨气和氯化氢或硝酸反应可产生大量白烟，所以可用玻璃棒蘸取浓盐酸或浓硝酸放在试管口，若产生大量白烟，可证明氨气已经收集满。
(4)氨气为碱性气体，可与浓硫酸反应，反应的化学方程式为2NH3＋H2SO4===(NH4)2SO4(氨过量)或NH3＋H2SO4===NH4HSO4(氨少量)，故乙装置肯定收集不到氨气。
[答案] (1)Ca(OH)2＋2NH4Cleq \(=====,\s\up10(△))2NH3↑＋CaCl2＋2H2O (2)丙 (3)在试管口放一块湿润的红色石蕊试纸，若试纸变蓝，则证明氨气已经集满[或用玻璃棒蘸取浓盐酸(或浓硝酸)放在试管口，若产生大量白烟，则证明氨气已经集满] (4)乙 2NH3＋H2SO4===(NH4)2SO4(或NH3＋H2SO4===NH4HSO4)
探 究 任 务
1．理解含氮化合物的转化及应用。
2．掌握NOx、硝酸的有关计算。
3．含氮化合物的综合实验探究。
含氮物质的转化及应用
含氮化合物的有关计算
常见气体的制备及性质探究
类型
液态吸收剂
固态吸收剂
固态吸收剂
固体吸收剂，加热
装置
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
备选装置
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
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