2022届高三化学一轮复习讲义：氮及其化合物的转化

氮及其化合物的转化

复习目标　1.了解氮及其化合物的转化关系。2.了解NOx与H2O、金属与HNO3的相关计算。3.了解其他含氮化合物的性质。

考点一　氮及其化合物的相互转化

1．氮在自然界中的循环

2．含氮元素物质之间的转化关系

(1)歧化——同一物质中某元素的化合价在同一反应中既升高又降低。

如：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O

(2)归中——不同物质中同一元素的不同化合价在同一反应中只靠拢。

如：6NO＋4NH35N2＋6H2O

NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O

3．氮元素的“价类二维图”

氮元素有多种可变化合价，物质的种类较多，在复习时要从物质类别和价态变化理解这些物质之间的转化关系。

题组一　氮在自然界中的循环

1．氮元素在海洋中的循环是整个海洋生态系统的基础和关键。海洋中无机氮的循环过程可用下图表示。下列关于海洋氮循环的说法正确的是(　　)

A．海洋中的氮循环起始于氮的氧化

B．海洋中的氮循环属于固氮作用的是③

C．海洋中的反硝化作用一定有氧气的参与

D．向海洋中排放含NO的废水会影响海洋中NH的含量

答案　D

解析　A项，海洋中的氮循环起始于氮的还原，错误；B项，海洋中的氮循环属于固氮作用的是②，错误；C项，反硝化作用是氮元素化合价降低的过程，反硝化细菌在氧气不足的条件下还原N，不一定有氧气参与，错误；D项，由氮的循环过程可知，硝酸根离子增多，反硝化作用增强，会进一步影响海洋中NH的含量，正确。

2．(2020·河南联考)一定条件下，含氮元素的物质可发生如图所示的循环转化。

回答下列问题：

(1)氮的原子结构示意图为______________。

(2)图中属于“氮的固定”的是__________(填字母，下同)；转化过程中发生非氧化还原反应的是________。

(3)若“反应h”是在NO2和H2O的作用下实现，则该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为________。

(4)若“反应i”是在酸性条件下由NO与Zn的作用实现，则该反应的离子方程式为______________________________________________________________________________。

答案　(1)　(2)k和c　a和l　(3)2∶1

(4)4Zn＋2NO＋10H＋===4Zn2＋＋N2O↑＋5H2O

解析　(3)反应h的化学方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，HNO3是氧化产物，NO是还原产物，因此氧化产物和还原产物的物质的量之比为2∶1。

题组二　氮及其化合物转化关系的综合应用

3．(2020·济宁模拟)依据下图中氮元素及其化合物的转化关系，判断下列说法不正确的是(　　)

A．X是N2O5

B．可用排空气法收集NO气体

C．工业上以NH3、空气、水为原料生产硝酸

D．从原理上看，NH3可与NO2反应实现NH3→N2的转化

答案　B

解析　NO遇空气中的氧气被氧化为NO2，不可用排空气法收集NO气体，故B错误。

4．(2020·哈尔滨三中高三开学考试)合成氨及其衍生工业是化工生产的重要门类，请结合图示判断下列说法正确的是(　　)

A．合成氨采用400～500 ℃是为了提高原料转化率和反应速率

B．湿润的淀粉-KI试纸可以鉴别气体2和溴蒸气

C．在饱和NaCl溶液中先通入过量CO2再通入过量NH3可得到固体1

D．1 L气体1、2的混合气与1 L NH3在一定条件下转化为对环境无害的物质，混合气中二者的体积比为1∶1

答案　D

解析　由图可知：气体1为NO，气体2为NO2，NO2与水反应生成硝酸，固体1为NaHCO3，NaHCO3受热分解生成的固体2为Na2CO3；1 L NO、NO2的混合气体与1 L NH3在一定条件下转化为对环境无害的物质，反应方程式为2NH3＋NO＋NO22N2＋3H2O，NO、NO2的体积之比等于化学计量数之比，为1∶1，故D正确。

5．如图是氮元素的几种价态与物质类别的对应关系，回答下列问题：

(1)写出N2的一种用途：________________________________________________________。

(2)从N元素化合价分析，N2具有氧化性和还原性。各举一例说明(用化学方程式表示)

氧化性：________________________________________________________________________。

还原性：________________________________________________________________________。

(3)HNO3与图中的物质C常用于检验Cl－的存在，则C的化学式为______________________。

(4)实验室制取物质B的化学方程式为______________________________________________。

(5)NO2与水反应生成物质A的化学方程式为_________________________________________

_______________________________________________________________________________。

(6)浓硝酸与木炭在加热条件下反应的化学方程式为__________________________________。

答案　(1)作保护气、保存粮食(或合成氨、制硝酸等)

(2)N2＋3H22NH3(或N2＋3MgMg3N2)　N2＋O22NO　(3)AgNO3

(4)Ca(OH)2＋2NH4ClCaCl2＋2NH3↑＋2H2O

(5)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

(6)4HNO3(浓)＋CCO2↑＋4NO2↑＋2H2O

考点二　氮氧化物(NOx)、HNO3的相关计算

一、NOx与水、氧气反应的理解及有关计算

1．关系式法

(1)NO和O2的混合气体通入水中

由2NO＋O2===2NO2和3NO2＋H2O===2HNO3＋NO得总反应为4NO＋3O2＋2H2O=== 4HNO3。

(2)NO2和O2的混合气体通入水中

由3NO2＋H2O===2HNO3＋NO和2NO＋O2===2NO2得总反应为4NO2＋O2＋2H2O=== 4HNO3。

(3)NO、NO2和O2三种混合气体通入水中

先按3NO2＋H2O===2HNO3＋NO计算出生成NO的体积，再加上原来混合气体中NO体积，再按(1)计算。

2．电子守恒法

NOx转化为硝酸时失去电子，如果是NOx与O2的混合气体，则反应中O2得到的电子数与NOx失去的电子数相等。

4NO2＋O2和4NO＋3O2从组成上均相当于2N2O5，都与N2O5＋H2O===2HNO3等效；当NO、NO2、O2的混合气体溶于水时利用混合气体中N、O原子个数比进行分析判断。

二、金属与硝酸反应的计算

1．金属与硝酸反应计算的思维流程

2．“四法”突破金属与硝酸的计算

题组一　NOx与H2O、O2反应的计算

1．有一充有20 mL NO和NO2混合气体的试管，倒置于盛有水的水槽中，充分反应后，仍有12 mL 无色气体，则原混合气体中NO和NO2的体积之比为(气体体积均在相同状况下测得)(　　)

A．2∶3  B．3∶2  C．1∶4  D．4∶1

答案　A

解析　二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，一氧化氮和水不反应，所以，剩余的气体为一氧化氮，设混合气体中二氧化氮的体积为V，则：

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　气体体积减少

3                     1    2

V                          20 mL－12 mL＝8 mL

所以V＝＝12 mL，即二氧化氮的体积为12 mL，则原混合气体中一氧化氮的体积为20 mL－12 mL＝8 mL，则原混合气体中NO和NO2的体积之比为8 mL∶12 mL＝2∶3。

2．(2020·贵阳模拟)同温同压下，在3支相同体积的试管中分别充有等体积混合的2种气体，它们是①NO和NO2，②NO2和O2，③NH3和N2。将3支试管均倒置于盛水的水槽中，充分反应后，试管中剩余气体的体积分别为V1、V2、V3，则下列的关系正确的是(　　)

A．V1＞V2＞V3   B．V1＞V3＞V2

C．V2＞V3＞V1   D．V3＞V1＞V2

答案　B

解析　设各种气体的体积都为1。①根据3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，即剩余NO的体积V1＝1＋。②根据4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，即剩余O2的体积V2＝1－。③剩余N2的体积V3＝1，即B项符合题意。

3．将盛有12 mL NO2和O2的混合气体的量筒倒立于水槽中，充分反应后，还剩余2 mL无色气体。

(1)若剩余的气体是________，则NO2、O2的体积分别是________。

(2)若剩余的气体是________，则NO2、O2的体积分别是________。

答案　(1)O2　8 mL、4 mL　(2)NO　10.8 mL、1.2 mL

解析　解题依据的化学方程式：

4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3；

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。

设O2的体积为x，剩余的气体有两种可能：

(1)若剩余O2，则V剩＝x－×(12 mL－x)＝2 mL，

解得x＝4 mL，则NO2体积是8 mL；

(2)若剩余NO，则V剩＝×[(12 mL－x)－4x]＝2 mL，

解得x＝1.2 mL，则NO2体积是10.8 mL。

题组二　金属与硝酸反应的计算

4．(2020·湖北鄂东南市级示范高中学校联考)铜和镁的合金4.6 g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(都已折算成标准状况)，在反应后的溶液中，加入足量的氢氧化钠溶液，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　最终生成的沉淀是氢氧化镁和氢氧化铜，所以沉淀增加的质量就是和金属阳离子结合的OH－的质量。由于金属阳离子结合的OH－的物质的量就是金属失去电子的物质的量，所以根据得失电子守恒可知，金属失去电子的物质的量是＋×2＝0.23 mol，所以和金属阳离子结合的OH－的物质的量也是0.23 mol，质量是3.91 g，则沉淀的质量是8.51 g，B项正确。

5．(2020·河南洛阳模拟)有稀硫酸和稀硝酸的混合溶液200 mL，平均分成两份。向其中一份中逐渐加入铜粉，最多溶解9.6 g。向另一份中逐渐加入铁粉，产生气体的体积随铁粉质量增加的变化如图所示，且每一阶段只对应一个反应(已知硝酸只被还原为NO气体)。下列分析或结果错误的是(　　)

A．原混合酸中NO的物质的量为0.1 mol

B．OA段产生的是NO，AB段的反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，BC段产生H2

C．第二份溶液中最终溶质为FeSO4

D．H2SO4浓度为2.5 mol·L－1

答案　A

解析　铁粉既能与硝酸反应也能与硫酸反应，题图中，OA段产生的是NO，反应为Fe＋NO＋4H＋===Fe3＋＋NO↑＋2H2O；AB段的反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋；BC段产生的是H2，反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。根据OA段发生反应的离子方程式可知第二份溶液中NO的物质的量为＝0.1 mol，则原混合酸中NO的物质的量为0.2 mol。第二份溶液中最终溶质为FeSO4，此时参加反应的铁的质量是14.0 g，物质的量为0.25 mol，FeSO4中n(Fe2＋)∶ n(SO)＝1∶1，故n(H2SO4)＝n(Fe)＝0.25 mol，原混合酸中H2SO4浓度为＝2.5 mol·

L－1。综上所述，A项符合题意。

1．(2018·全国卷Ⅱ，8)研究表明，氮氧化物和二氧化硫在形成雾霾时与大气中的氨有关(如下图所示)。下列叙述错误的是(　　)

A．雾和霾的分散剂相同

B．雾霾中含有硝酸铵和硫酸铵

C．NH3是形成无机颗粒物的催化剂

D．雾霾的形成与过度施用氮肥有关

答案　C

解析　NH3参与反应生成铵盐，是反应物，不是催化剂，C项错误；雾和霾的分散剂都是空气，A项正确；雾霾中的无机颗粒物含有硝酸铵和硫酸铵，B项正确；过度施用氮肥会增加大气中氨的含量，D项正确。

2．(2018·海南，2)某工业废气所含氮氧化物(NOx)的氮氧质量比约为7∶4，该NOx可表示为(　　)

A．N2O  B．NO  C．N2O3  D．NO2

答案　A

解析　＝＝，故NOx可表示为N2O。