高中化学鲁科版 (2019)必修 第一册第3节 氮的循环第3课时学案设计

这是一份高中化学鲁科版 (2019)必修 第一册第3节 氮的循环第3课时学案设计，共11页。学案主要包含了硝酸的性质，人类活动对氮循环和环境的影响等内容，欢迎下载使用。


一、硝酸的性质
1．实验探究硝酸的性质：
2.物理性质：
3．化学性质：
(1)酸的通性：
电离方程式为HNO3===H＋＋NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 。硝酸能使酸碱指示剂发生颜色变化，能与金属、碱、碱性氧化物等反应。
(2)不稳定性：
浓硝酸受热或见光分解，化学方程式为4HNO3 4NO2↑＋O2↑＋2H2O。
(3)强氧化性：
4．用途：
硝酸是一种重要的化工原料，可用于制造炸药、染料等，也是实验室里重要的化学试剂。
二、人类活动对氮循环和环境的影响
1．判断下列说法是否正确：
(1)常温下铁与浓硝酸反应，产生大量红棕色气体。( )
提示：×。常温下铁在浓硝酸中钝化。
(2)碳与硝酸在常温下即可反应。( )
提示：×。碳与硝酸在加热时方可反应。
(3)氮氧化合物也可以形成酸雨。( )
提示：√。氮氧化合物和硫氧化合物都可以形成酸雨。
2．教材P115“常温下，浓硝酸可使铁、铝等金属表面形成致密的氧化膜而钝化，保护内部的金属不再与酸反应，所以可以用铁质或铝质容器盛放冷的浓硝酸。”那么在加热条件下浓硝酸与铁或者铝反应吗？
提示：反应。在加热条件下，浓硝酸与铁或者铝均反应，生成硝酸盐及二氧化氮气体。
3．光化学烟雾是汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)等一次污染物在阳光(紫外光)作用下发生光化学反应生成二次污染物所形成的烟雾污染现象，是氮氧化物与碳氢化合物在紫外线作用下生成的有害浅蓝色烟雾。
光化学烟雾有什么危害？
提示：人和动物受到的主要伤害是眼睛的黏膜受刺激，头疼、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺功能异常等。
硝酸的氧化性
浓硝酸是强氧化剂，遇有机物、木屑等能引起燃烧。含有痕量氧化物的浓硝酸几乎能与除铝和含铬特殊钢之外的所有金属发生反应，而铝和含铬特殊钢遇浓硝酸钝化，与乙醇、松节油、焦炭，有机碎渣的反应非常剧烈。
浓盐酸和浓硝酸按体积比3∶1混合可以制成具有强腐蚀性的王水。硝酸的酸酐是五氧化二氮(N2O5)。
硝酸的性质预测
(1)打开实验室中保存已久的浓HNO3，除闻到有刺激性酸味外，还发现溶液呈黄色，为什么？
提示：闻到刺激性酸味说明HNO3具有挥发性；保存已久的浓HNO3呈黄色的原因是HNO3能分解生成H2O、O2和NO2，NO2溶解在硝酸中使浓HNO3呈黄色。4HNO3 4NO2↑＋O2↑＋2H2O。
(2)依据HNO3中氮的化合价和浓硝酸分解的产物NO2、O2，预测一下硝酸的性质。
提示：HNO3中氮元素处于最高价态，其能分解生成强氧化性物质O2和NO2，因此HNO3具有强氧化性。
硝酸性质探究
通过以下实验分析硝酸的氧化性，并完成相关问题。
(1)金属活动性顺序表中排在氢元素前的金属与酸反应一定产生氢气吗？金属活动性顺序表中排在氢元素后的金属与酸不反应吗？
提示：均不一定。如Fe与HNO3反应不产生氢气，Cu与浓、稀硝酸均可以反应。
(2)Fe、Al在常温下不能溶于浓硝酸中，是因为Fe、Al不能与浓硝酸发生反应吗？
提示：不是。Fe、Al等金属跟浓硝酸在常温下发生钝化现象，因而不能溶解，但是钝化不代表不反应，而是在浓硝酸的作用下Fe、Al表面形成了一层致密的氧化膜，阻止了反应的进一步发生；但在加热条件下可以剧烈反应。
(3)Fe与稀硝酸反应时的产物与二者的用量有何关系？
提示：硝酸过量：Fe＋4H＋＋NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===Fe3＋＋NO↑＋2H2O；
铁过量：3Fe＋8H＋＋2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O。
(4)金属与硝酸的反应中，硝酸起什么作用？分别是如何体现的？
提示：①强氧化性：HNO3中＋5价的氮元素有很强的得电子能力。例如将Fe氧化为高价态的Fe3＋。
②酸性：生成了盐类物质。例如Fe(NO3)3、Al(NO3)3。
1．硝酸与金属的反应：
(1)硝酸能与除Au、Pt、Ti外的绝大多数金属反应：
如：2HNO3(浓)＋Ag===AgNO3＋NO2↑＋H2O；
4HNO3(稀)＋3Ag===3AgNO3＋NO↑＋2H2O。
(2)浓硝酸与Fe、Al的反应：

(3)稀HNO3与Fe的反应：
①Fe＋4HNO3(稀)===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O。
②3Fe(过量)＋8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。
2．硝酸与金属反应的有关计算：
(1)原子守恒：n(HNO3)＝n(NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) )＋n(还原产物中氮原子)。
(2)电子守恒：硝酸与金属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。
(3)电荷守恒：Mn＋和H＋所带正电荷总数等于NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 所带负电荷总数。
【典例】(2021·济南高一检测)浓硝酸正常情况下为无色透明液体。有窒息性刺激气味。浓硝酸含量为68%左右，对于稀硝酸， 一般我们认为浓稀之间的界线是6 ml·L－1，市售普通试剂级硝酸浓度约为68%左右。在盛有一定量浓硝酸的试管中加入6.4 g铜片，发生反应。请回答下列问题：
(1)开始阶段，观察到的现象为________，反应的化学方程式是______。
(2)反应结束后，铜片有剩余，再加入少量20%的稀硫酸，这时铜片上又有气泡产生，反应的离子方程式是__________________________。
(3)若6.4 g铜片消耗完时，共产生气体2.8 L(标准状况)。则整个反应过程中所消耗的HNO3的物质的量为________。
【解析】(1)因为浓硝酸的氧化性很强，可以将铜氧化，同时它本身被还原为红棕色的NO2气体，所以现象是铜片逐渐溶解，溶液由无色变为蓝色，产生红棕色的气体。
(2)反应后的溶液中有NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，加入稀硫酸后，NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 会继续氧化铜单质。
(3)起酸性作用的HNO3的物质的量n(HNO3)＝2n(Cu)＝0.2 ml；被还原的HNO3的物质的量n(HNO3)＝ eq \f(2.8 L,22.4 L·ml－1) ＝0.125 ml。故整个反应过程中所消耗的HNO3的物质的量为0.2 ml＋0.125 ml＝0.325 ml。
答案：(1)铜片逐渐溶解，溶液由无色变为蓝色，产生红棕色的气体
Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O
(2)3Cu＋8H＋＋2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O
(3)0.325 ml
(1)如何除去浓硝酸中的“黄色”？ (关键能力——理解与辨析)
提示：在浓硝酸中通入足量的氧气，发生反应4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，使NO2转化为硝酸，即可除去浓硝酸中的“黄色”。
(2)足量的铜与浓硝酸反应，浓硝酸能否完全被还原？其还原产物可能是什么？(关键能力——创新与探究)
提示：浓硝酸不可能完全被还原，因生成的硝酸铜溶液中仍有NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ；在反应过程中，硝酸的浓度逐渐减小，还原产物可能是NO2和NO的混合物。
(3)将铁粉溶于稀硝酸，铁元素的存在形式可能为①________、②________、③________。(关键能力——归纳与整理)
提示：反应关系：
① eq \f(n（HNO3）,n（Fe）) ≥4，Fe(NO3)3；
② eq \f(n（HNO3）,n（Fe）) ≤ eq \f(8,3) ，Fe(NO3)2；
③ eq \f(8,3) < eq \f(n（HNO3）,n（Fe）) <4，Fe(NO3)3和Fe(NO3)2；
①Fe(NO3)3 ②Fe(NO3)2 ③Fe(NO3)3和Fe(NO3)2
【备选例题】
(2021·潍坊高一检测)在浓硝酸中放入铜片：
(1)开始反应的化学方程式为__________，现象为_____。
(2)若铜有剩余，则反应快要结束时的化学方程式是_________________。
(3)待反应停止时，再加入少量质量分数为25%的稀硫酸，这时铜片上又有气泡产生，其原因是_______________________。
(4)若将12.8 g铜跟一定质量的浓硝酸反应，铜消耗完时，共产生气体5.6 L(标准状况)，则所消耗的硝酸的物质的量是________。
【解析】(1)在浓硝酸中放入铜片，开始反应的化学方程式为Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。
(2)随着反应的进行，硝酸浓度不断减小，故反应后期发生的是稀硝酸与铜的反应。
(3)溶液中含有NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，加入稀硫酸后，H2SO4电离出H＋，H＋、NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 与Cu反应放出NO。
(4)产生的5.6 L(标准状况)气体是NO2和NO的混合气体。根据氮原子守恒可知被还原的HNO3的物质的量就是NO2和NO的物质的量之和；再根据铜原子的物质的量可以算出反应中未被还原的HNO3的物质的量，从而可以求出参加反应的HNO3的总物质的量。
答案：(1)Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O 铜片逐渐溶解，溶液由无色变为蓝色，有红棕色气体生成
(2)3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
(3)溶液中含有NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，加入稀硫酸后，H2SO4电离出H＋，H＋、NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 与Cu发生反应：3Cu＋8H＋＋2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O，产生NO气体
(4)0.65 ml
1．对于硝酸的物理性质，下列叙述不正确的是( )
A．可以与水以任意比互溶
B．不易挥发
C．有刺激性气味
D．质量分数在95%以上的浓硝酸为发烟硝酸
【解析】选B。硝酸易挥发。
2．下列块状金属在常温时，能全部溶于足量的浓硝酸的是( )
A．Au B．Cu C．Al D．Fe
【解析】选B。Au与浓硝酸不反应，Al、Fe在常温下遇浓硝酸钝化，不能全部溶解，Cu能与浓硝酸反应，能全部溶于足量的浓硝酸中。
【拔高题组】
1．(2021·日照高一检测) 0.3 ml铜和含1.2 ml HNO3的浓硝酸，充分反应后，生成NO2的量为( )
A．0.2 mlB．0.6 ml
C．小于0.6 ml D．大于0.6 ml
【解析】选C。因铜与浓硝酸反应：Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，随着反应的进行，浓硝酸变稀，稀硝酸与铜反应：3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，所以放出的NO2小于0.6 ml。
2．下述实验中均有红棕色气体产生，对比分析所得结论正确的是( )
A.由①中的红棕色气体，可推知反应还有氧气产生
B.红棕色气体表明②中木炭与浓硝酸发生了反应
C.由③不能说明浓硝酸具有氧化性
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
【解析】选A。A.浓硝酸具有不稳定性，加热条件下，浓硝酸分解生成红棕色气体为二氧化氮，则产生的气体一定是混合气体，还有氧气产生，故A正确；
B．在加热条件下，浓硝酸自身也可分解生成二氧化氮，所以不能说明木炭与浓硝酸发生了反应，故B错误；
C．硝酸中N元素化合价为＋5价，生成二氧化氮的N元素化合价为＋4价，化合价降低，则生成的红棕色气体为还原产物，由③能说明浓硝酸具有氧化性，故C错误；
D．木炭加热至红热，可与空气中氧气反应生成二氧化碳，不一定是与浓硝酸发生了反应，所以不能说明木炭一定与浓硝酸发生了反应，故D错误。
3．(2021·烟台高一检测)将一定质量铁粉加入装有100 mL某浓度的稀硝酸溶液中充分反应。容器中剩有m g的铁粉，收集到448 mL NO气体(标准状况)。
(1)所得溶液中溶质的化学式是________________。
(2)原硝酸溶液的物质的量浓度为________ ml·L－1。
【解析】(1)因有铁粉剩余，故反应产物为Fe(NO3)2。
(2)NO的物质的量 eq \f(0.448 L,22.4 L·ml－1) ＝0.02 ml
则由方程式可得
8HNO3(稀)＋3Fe===3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
8 2
n(HNO3) 0.02 ml
n(HNO3)＝0.08 ml，c(HNO3)＝0.8 ml·L－1。
答案：(1)Fe(NO3)2 (2)0.8
某研究小组想研究碳与浓硝酸的反应。其实验过程如下。
(1)热的浓硝酸与红热的木炭接触会发生多个化学反应。
①碳与浓硝酸的反应，说明浓硝酸具有______________性。
②反应产生的热量会使少量浓硝酸受热分解，写出反应的化学方程式_______。
(2)实验现象中液面上木炭迅速燃烧，发出光亮。小组同学为了研究助燃气体是O2还是NO2，设计了以下实验。
实验操作：在空气中引燃木炭，使其燃烧并带有火焰，将带火焰的木炭伸入盛有NO2气体的集气瓶中。
实验现象：木炭在NO2气体中持续燃烧，火焰迅速变亮，集气瓶中气体颜色变浅直至无色，产生的气体能使澄清石灰水变浑浊，且遇空气不变色。
①根据实验现象写出碳与NO2气体反应的化学方程式_____。
②试分析：是否需要增加带火焰的木炭与纯净O2反应的实验_________。
③通过实验探究，你认为助燃气体是什么，简述理由________________。
【解析】(1)①碳与浓硝酸的反应，说明浓硝酸具有强氧化性。②反应产生的热量会使少量浓硝酸受热分解，反应的化学方程式4HNO3(浓) eq \(=====,\s\up7(△)) 4NO2↑＋O2↑＋2H2O。
(2)①木炭在NO2气体中持续燃烧，火焰迅速变亮，集气瓶中气体颜色变浅直至无色，产生的气体能使澄清石灰水变浑浊，且遇空气不变色，说明生成了CO2，那么另一种应该为氮气，反应方程式为2NO2＋2C eq \(=====,\s\up7(点燃)) N2＋2CO2。②当木炭燃烧时，体系中氧气浓度低于空气中氧气浓度，所以不用补充木炭在纯氧中燃烧的实验。
③通过实验探究可以知道：助燃气体既有NO2又有O2，因为两种气体均存在且均能助燃。
答案：(1)①强氧化性
②4HNO3(浓) eq \(=====,\s\up7(△)) 4NO2↑＋O2↑＋2H2O
(2)①2NO2＋2C eq \(=====,\s\up7(点燃)) N2＋2CO2
②否，当木炭燃烧时，体系中氧气浓度低于空气中氧气浓度，所以不用补充木炭在纯氧中燃烧的实验
③助燃气体既有NO2又有O2，因为两种气体均存在且均能助燃
1．(水平1)2007年11月，中国第一套国产化双加压法硝酸装置在新乡市诞生，标志着中国自己研制的国产硝酸装置完全能够替代进口，中国国内硝酸工业摆脱了对进口装备的依赖。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．铁与稀硝酸反应不能放出氢气——强氧化性
C．要用棕色瓶盛装浓硝酸——不稳定性
D．氢氧化亚铁固体与稀硝酸混合——强酸性
【解析】选D。A项，浓硝酸因有酸性而使紫色石蕊溶液变红色，又因浓硝酸的强氧化性而使其褪色；B项，因稀硝酸有强氧化性，与铁反应不产生H2；C项，因浓硝酸不稳定，见光或受热易分解，因此应用棕色瓶盛装浓硝酸，且避光保存；D项，稀硝酸与氢氧化亚铁反应生成硝酸铁、一氧化氮和水，表现了硝酸的酸性和强氧化性。
2．(水平1)化学兴趣小组按如图所示装置，将相同质量的铜分别和过量浓硝酸、稀硝酸反应，下列叙述正确的是( )
A．反应生成气体的物质的量相等
B．消耗硝酸的物质的量：前者多，后者少
C．反应生成气体的颜色：前者浅，后者深
D．反应中转移的电子总数：前者多，后者少
【解析】选B。由反应
Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O和3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O可知，当铜质量相同，硝酸过量时，生成气体的物质的量前者多，消耗n(HNO3)前者多，反应中转移电子总数相等。
3．(水平2)化学课外探究小组将准确称量的1.92 g Cu和一定量的浓硝酸反应，随着Cu的不断减少，反应生成气体的颜色逐渐变浅，当Cu反应完毕时，共收集到气体1.12 L(标准状况)，则反应中消耗HNO3的物质的量为( )
A．1 mlB．0.05 ml
C．1.05 ml D．0.11 ml
【解析】选D。铜和硝酸反应，随着HNO3浓度的减少，硝酸的还原产物的价态越低，铜和浓硝酸反应生成NO2，而与稀硝酸反应时则生成NO，故生成的气体有NO2和NO，则n(NO2)＋n(NO)＝0.05 ml，即被还原的硝酸的物质的量为0.05 ml，n(Cu)＝ eq \f(1.92 g,64 g·ml－1) ＝0.03 ml，则生成n[Cu(NO3)2]＝0.03 ml，可知表现酸性的硝酸的物质的量为0.03 ml×2＝0.06 ml，则参加反应的硝酸的物质的量：0.05 ml＋0.06 ml＝0.11 ml。
4．(水平2)1 L稀硝酸和稀硫酸的混合液，其物质的量浓度分别为0.1 ml·L－1和0.4 ml·L－1。若向该混合液中加入足量的铜粉，则最多能溶解铜粉的质量为
( )
A．2.4 g B．3.2 g C．6.4 g D．9.6 g
【解析】选D。据反应原理写出反应的离子方程式为
3Cu＋2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋8H＋===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O
0.1 ml 0.9 ml
H＋过量，根据n(NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) )计算溶解铜粉的质量，m(Cu)＝ eq \f(3×64 g·ml－1×0.1 ml,2) ＝9.6 g。
5．(水平2)化学实验探究小组将实验室中氢气还原氧化铜实验后部分变红色的固体粉末加入100 mL 11 ml·L－1的浓硝酸中，充分反应后，固体溶解完全，收集到NO、NO2的混合气体6.72 L(标准状况)。若将该混合气体与2.24 L O2(标准状况)混合并通入足量水中，恰好完全反应生成HNO3。
(1)NO的体积是________L，NO2的体积是________L(标准状况)。
(2)固体粉末中Cu单质的质量是________g。
(3)向浓硝酸反应后的溶液中加入4 ml·L－1的NaOH溶液，当Cu2＋恰好沉淀完时，需要NaOH溶液的体积是________L。
【解析】铜与浓硝酸反应的化学方程式为Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，铜与稀硝酸反应的化学方程式为3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，设生成的NO的物质的量为x，NO2的物质的量为y，根据题意，反应中铜失去的电子总数等于O2得到的电子总数，则：
x＋y＝ eq \f(6.72 L,22.4 L·ml－1) ，3x＋y＝ eq \f(2.24 L,22.4 L·ml－1) ×4
解得x＝0.05 ml y＝0.25 ml
(1)NO的体积是0.05 ml×22.4 L·ml－1＝1.12 L；NO2的体积为0.25 ml×22.4 L·ml－1＝5.6 L。
(2)根据电子转移守恒可得n(Cu)＝2n(O2)＝0.2 ml，所以m(Cu)＝0.2 ml×64 g·ml－1＝12.8 g。
(3)当溶液中的Cu2＋恰好完全沉淀时，则溶液中的溶质是NaNO3，依据氮原子个数守恒得，硝酸的物质的量是n(NaNO3)＋n(NO2)＋n(NO)＝0.1 L×11 ml·L－1＝1.1 ml，所以n(NaNO3)＝1.1 ml－0.3 ml＝0.8 ml，即氢氧化钠的物质的量是0.8 ml，所以NaOH溶液的体积V＝ eq \f(n,c) ＝ eq \f(0.8 ml,4 ml·L－1) ＝0.2 L。
答案：(1)1.12 5.6 (2)12.8 (3)0.2实验装置及操作
实验现象
瓶口产生白雾，闻到刺激性气味
反应缓慢，有少量气泡产生，溶液变蓝
反应剧烈，有大量气泡产生，溶液变蓝
无明显现象
颜色
状态
气味
密度
特性
无色
液态
刺激性
ρHNO3＞ρH2O
易挥发
①
②
③
操作
现象
a.用干燥洁净的烧杯取约10 mL浓硝酸，加热。
b.把小块烧红的木炭迅速伸入热的浓硝酸中。
红热的木炭与热的浓硝酸接触发生剧烈反应，同时有大量红棕色气体产生，液面上木炭迅速燃烧，发出光亮。