高中化学鲁科版第三章自然界中的元素 第二节2

第3课时硝酸人类活动对氮循环和环境的影响(对应学生用书P63)1．掌握硝酸的物理性质和化学性质。2．了解人类活动对氮循环的影响，知道酸雨、光化学烟雾和富营养化等环境问题。3．了解如何减少氮氧化物的排放，树立环境保护意识。eq\x(知)eq\x(识)eq\x(清)eq\x(单)一、硝酸1．物理性质。纯硝酸为无色、有刺激性气味的液体，沸点低，易挥发，在空气中呈“白雾”状，质量分数95%以上的浓硝酸称为“发烟硝酸”。2．化学性质。(1)酸性。硝酸具有酸的通性，能使指示剂变色，能与碱、碱性氧化物、盐等反应。如CaCO3与稀HNO3反应的化学方程式为：CaCO3＋2HNO3(稀)=Ca(NO3)2＋CO2↑＋H2O。1．将浓硝酸滴入紫色石蕊溶液中，有何现象？答案：先变红后退色(2)不稳定性。见光或受热易分解，化学方程式为：4HNO3eq\o(=,\s\up7(见光或受热))4NO2↑＋O2↑＋2H2O硝酸分解放出的NO2溶于其中而使硝酸呈黄色。光度越强、温度越高、硝酸越浓，越易分解，因此一般将它保存在棕色细口瓶里，并置于阴凉处。(3)强氧化性。①与金属反应。a．硝酸具有强氧化性，能与除金、铂、钛以外的大多数金属反应。Cu与浓HNO3、稀HNO3反应的化学方程式为Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋4H2O；3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。b．钝化：常温时浓硝酸可使铁、铝表面形成致密的氧化膜而钝化，所以可以用铁容器或铝容器盛放浓硝酸。②与非金属反应。炭与浓硝酸反应的化学方程式为C＋4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。2．硝酸与铜反应时，硝酸体现了哪些性质？答案：硝酸体现了氧化性和酸性。硝酸被还原成氮的氧化物体现了氧化性，与金属结合成硝酸盐体现了硝酸的酸性。3．浓硝酸与稀硝酸哪个氧化性强？答案：浓硝酸氧化性强。一种物质氧化性的强弱取决于其得电子能力的强弱，与同一种还原剂(如铜)反应时，浓硝酸反应更剧烈，更容易得电子，氧化性更强。3．用途。硝酸是一种重要的化工原料，可用于制造炸药、染料、塑料、硝酸盐等，也是实验室里的重要化学试剂。二、人类活动对氮循环和环境的影响1．含氮物质的来源及其危害。eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(化石燃料燃烧,植物体焚烧,土壤和动物排泄物中,含氮化合物的转化))eq\o(→,\s\up7(产生))氮氧化物eq\o(→,\s\up7(危害))eq\b\lc\[(\a\vs4\al\co1(\o(→,\s\up7(与碳氢化合物))产生光化学烟雾,发生反应,\o(→,\s\up7(与水发生反应))形成酸雨,硝酸与亚硝酸))eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(工业废水,农业废水))eq\o(→,\s\up7(危害))水体富营养化2．减少人类活动对氮循环和环境的影响的措施。(1)控制进入大气、陆地和海洋的有害物质的数量。(2)增强生态系统对有害物质的吸收能力，如保护森林、植树造林等。eq\x(活)eq\x(学)eq\x(活)eq\x(用)1．对于硝酸的物理性质，下列叙述不正确的是(B)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%以上的硝酸为发烟硝酸解析：硝酸易挥发，故B项不正确。2．硝酸是一种重要的工业原料。(1)实验室中通常保存在棕色试剂瓶中，原因是4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(光或热))4NO2↑＋O2↑＋2H2O(用化学方程式表示)。(2)储运浓硝酸时通常用铁罐或铝罐，原因是常温时，浓硝酸可使铁、铝钝化。(3)硝酸是一种易挥发性的酸，当两支分别蘸有浓硝酸和浓氨水的玻璃棒靠近时会产生大量白烟，白烟的成分是NH4NO3。(4)工业上通常用氨催化氧化法制硝酸，写出氨催化氧化的化学方程式：4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up7(高温),\s\do5(催化剂))4NO＋6H2O硝酸工厂尾气的主要危害是形成酸雨和光化学烟雾。3．将浓HNO3与下列“物质(或方法)”的“反应情况”和“表现性质”用短线连接。eq\x(物质或方法)eq\x(反应情况)eq\x(表现性质)①Fea．不反应Ⅰ.不稳定性②蓝色石蕊试纸b．生成相应的硝酸盐Ⅱ.酸性③Cuc．常温下钝化Ⅲ.强氧化性④加热d．先变红后退色⑤Pte．生成相应气体氧化物⑥Cf．分解解析：浓HNO3具有酸性能使指示剂变色，并能氧化指示剂。浓HNO3具有强氧化性，常温下使Fe、Al钝化，与Cu反应生成Cu(NO3)2，与非金属C加热生成CO2气体，但不能与Pt、Au反应。在加热或见光时易分解。答案：①－c－Ⅲ，②－d－Ⅱ、Ⅲ③－b－Ⅱ、Ⅲ，④－f－Ⅰ⑤－a，⑥－e－Ⅲeq\a\vs4\al(知识点一硝酸的强氧化性)硝酸是强氧化性酸，显强氧化性的是最高价态＋5价氮元素，反应中N元素得到电子转化为较低价态。1．硝酸与金属反应。硝酸能够与除Pt、Au、Ti以外的几乎所有的金属发生反应，硝酸与金属反应无H2生成，而生成N的低价化合物。通常情况下，浓硝酸与金属反应生成的主要是NO2，稀HNO3与金属反应生成的主要是NO。硝酸越稀还原产物的价态越低。(1)硝酸与铜的反应。Cu与浓HNO3反应的现象：反应剧烈，生成红棕色气体，溶液变蓝。化学方程式：Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2OCu与稀HNO3反应的现象：反应较缓慢，放出无色气体，然后又立即变为红棕色，溶液变蓝。化学方程式：3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O(2)硝酸与Fe、Al的反应。Fe、Al等金属在常温下遇浓硝酸发生钝化现象。钝化有新物质生成，是化学变化。稀硝酸与铁反应：HNO3过量：Fe＋4HNO3(稀)=Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2OFe过量：3Fe＋8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O2．浓硝酸与非金属反应。(1)可将C、S、P等非金属氧化成最高价氧化物或含氧酸。如S＋6HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))H2SO4＋6NO2↑＋2H2O。(2)一般只有浓HNO3在加热时才与非金属反应。3．硝酸与具有还原性的化合物反应。硝酸可氧化具有还原性的化合物，如I－、Br－、SO2、Fe2＋、S2－、SOeq\o\al(2－,3)等。NOeq\o\al(－,3)在酸性溶液中与具有还原性的离子如Fe2＋、S2－、SOeq\o\al(2－,3)等均不能大量共存。4．浓硝酸能使紫色石蕊试液先变红，后退色。特别提醒：(1)硝酸与金属反应时，一般既表现强氧化性，又表现酸性，参加反应的硝酸部分被还原，还有一部分仍以NOeq\o\al(－,3)形式存在。(2)浓硝酸与金属反应的过程中，浓度逐渐减小，还原产物有可能是NO2和NO的混合物，最终溶液中仍有NOeq\o\al(－,3)。某兴趣小组设计出下图所示装置来改进教材中“铜与硝酸反应”实验，以探究化学实验的绿色化。(1)实验前，关闭活塞b，试管d中加水至浸没长导管口，塞紧试管c和d的胶塞，微热c，其目的是________________________________________________________________________。(2)在d中加适量NaOH溶液，c中放一小块铜片，由分液漏斗a向c中加入2浓硝酸，c中反应的化学方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。再由a向c中加入2mL蒸馏水，c中的实验现象是________。(3)下表是制取硝酸铜的三种方案，能体现绿色化学理念的最佳方案是________，理由是________。方案反应物甲Cu、浓HNO3乙Cu、稀HNO3丙Cu、O2、稀HNO3解析：加2mL蒸馏水，浓HNO3的浓度减小，化学反应速率减慢。甲：Cu＋4HNO3(浓)=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、乙分别有污染环境的NO2与NO生成，而且甲、乙、丙制取1mol的Cu(NO3)2时，消耗硝酸分别为：4mol，eq\f(8,3)mol，2mol，所以丙方案最佳。答案：(1)检查装置气密性(2)Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O反应变缓，气体颜色变浅(3)丙制得等量的Cu(NO3)2耗酸量最少，无污染►变式训练1．用图中的简易装置可以进行气体的制取和收集。(1)实验前检查装置的气密性的操作是________。(2)拔开试管a的橡皮塞，加入10mL6mol·L－1的稀硝酸和1g薄铜片，立即用带有导管的橡皮塞塞紧试管口。请写出试管a中所发生的所有反应的化学方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)从反应开始到反应结束，预期在试管a中可以观察到哪些现象？请依次逐一写出________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)在反应开始时，可观察到导管b中的水面先沿导管b慢慢上升到一定高度，此后又回落，然后有气泡从管口冒出。试说明反应开始时，导管中水面先上升的原因________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：Cu与稀HNO3反应生成NO气体，遇空气生成NO2。气体颜色由无色→红棕色。NO2溶于水生成NO，且3NO2eq\o(→,\s\up7(H2O))NO，是气体体积减小的反应，压强降低。答案：(1)把导管b的末端浸入水中，用手握紧试管a，捂热后，导管口有气泡冒出，松开手后，水又会上升到导管b中，则证明装置的气密性良好(2)3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，2NO＋O2=2NO2(3)铜片和稀硝酸反应，铜片逐渐溶解，有无色气泡产生，反应速率开始时较慢，逐渐加快，试管a上部空间由无色变为红棕色，试管a的溶液由无色逐渐变为蓝色(4)由于反应开始时，产生的NO和试管上部的O2反应生成NO2，NO2溶于水，和水反应，使装置内的气体压强减小，所以导管口的水面会上升一段高度eq\a\vs4\al(知识点二硝酸与金属反应的有关计算)1．金属与HNO3反应的一般通式。(1)金属＋浓硝酸→金属硝酸盐＋NO2↑＋H2O。(2)金属＋稀硝酸→金属硝酸盐＋NO↑＋H2O。2．反应规律。(1)铁与稀硝酸反应，先生成Fe(NO3)3，若Fe过量，Fe(NO3)3再和Fe反应生成Fe(NO3)2。(2)铜与浓HNO3反应，若Cu过量，开始时硝酸的还原产物为NO2，随着反应的进行，浓HNO3变稀，硝酸的还原产物为NO，最终应得到NO2和NO的混合气体。3．计算方法。(1)原子守恒：n(HNO3)＝n(NOeq\o\al(－,3))＋n(还原产物中氮原子)。HNO3与金属反应时，一部分HNO3起酸的作用，以NOeq\o\al(－,3)的形式存在于溶液中；一部分作为氧化剂转化为还原产物，这两部分中氮原子的总物质的量等于反应消耗的HNO3中氮原子的物质的量。(2)电子守恒：n(被还原HNO3)×化合价降低值＝n(金属)×化合价升高值。即N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：c(NOeq\o\al(－,3))＝c(H＋)＋nc(Mn＋)(Mn＋代表金属离子)即Mn＋和H＋所带正电荷总数等于NOeq\o\al(－,3)所带负电荷总数。(4)离子方程式计算法。金属与H2SO4、HNO3的混合酸反应时，由于硝酸盐中NOeq\o\al(－,3)在H2SO4提供H＋的条件下能继续与金属反应，因此此类题目应用离子方程式来计算，先作过量判断，然后根据完全反应的金属或H＋或NOeq\o\al(－,3)进行相关计算，且溶液中要符合电荷守恒。gCu和Zn的合金与足量的稀HNO3反应，还原产物只有NO气体，其体积在标准状况下为L。将溶液稀释为1L，测得溶液的c(H＋)＝mol·L－1，此时溶液中NOeq\o\al(－,3)的浓度为()A．mol·L－1B．mol·L－1C．mol·L－1D．mol·L－1解析：n(NO)＝mol，转移电子的物质的量为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)的总浓度为mol·L－1。答案：B►变式训练2．mg铜跟适量的浓硝酸反应，铜全部作用后，共收集到气体mL(标准状况)，反应消耗的HNO3的物质的量可能是(C)A．×10－3molB．×10－3molC．×10－3molD．×10－3mol解析：浓HNO3在反应过程中逐渐变稀，实际上发生了两个反应：Cu＋4HNO3(浓)=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两部分，前者反应后以NOeq\o\al(－,3)形式存在，后者被还原后生成NO或NO2。根据氮原子守恒：Cu～2HNO3～Cu(NO3)2HNO3～NOHNO3～NO2，可知：n(HNO3)＝2n(Cu)＋n(气体)＝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(测)eq\x(试)1．可以不用棕色瓶保存的试剂是(A)A．氨水B．氯水C．浓硝酸D．硝酸银解析：见光易分解的物质常放入棕色瓶中保存。2．为除去镀在铝表面的铜镀层，可选用的试剂是(B)A．稀硝酸B．浓硝酸C．稀硫酸D．浓盐酸解析：Al在浓HNO3中钝化，铜与浓HNO3可反应。3.(双选)下列反应中，浓HNO3既表现出氧化性又表现出酸性的是(AB)A．浓HNO3中滴入石蕊试液并微热B．氧化亚铁与浓HNO3反应C．氢氧化铝与HNO3反应D．碳与浓HNO3反应解析：在浓HNO3中滴入石蕊试液，石蕊试液先变红，表现出酸性，后退色，又表现出强氧化性，FeO与浓HNO3反应生成NO2和Fe(NO3)3，HNO3表现出强氧化性，同时又表现出酸性。故选AB。4．(双选)硝酸是一种重要的工业原料，仅2023年4月份，我国浓硝酸产量就达到214787吨。下列对于硝酸的认识，正确的是(AC)A．露置于空气中，溶液浓度会减小B．铜与硝酸的反应属于置换反应C．硝酸可氧化Fe2＋D．常温下铁或铝与浓硝酸不反应解析：浓HNO3见光易分解，使浓度减小，A正确。Cu与HNO3不发生置换反应，B错。HNO3有强氧化性，可氧化有还原性的Fe2＋，C正确。常温下铁、铝遇浓硝酸钝化，而钝化是化学变化，D错。5．往浅绿色的Fe(NO3)2溶液中逐滴加入稀盐酸时，溶液的颜色变化应该是(D)A．颜色变浅 B．逐渐变为红色C．没有改变 D．变为棕黄色解析：Fe2＋和NOeq\o\al(－,3)在溶液中可以大量共存，但加入稀盐酸后，NOeq\o\al(－,3)在酸性条件下表现出强氧化性(即可认为H＋与NOeq\o\al(－,3)结合成了HNO3)，把Fe2＋氧化为Fe3＋，溶液由浅绿色变成棕黄色。6．用以下三种途径来制取相同质量的硝酸铜：①铜跟浓硝酸反应，②铜跟稀硝酸反应，③铜跟氧气反应生成氧化铜，氧化铜再跟硝酸反应。以下叙述正确的是(D)A．三种途径所消耗的铜的物质的量不相等B．三种途径所消耗的硝酸的物质的量相等C．所消耗铜的物质的量是：途径③＞途径①＞途径②D．所消耗硝酸的物质的量是：途径①＞途径②＞途径③解析：三种途径发生的反应历程如下：途径①Cueq\o(→,\s\up7(4HNO3（浓）))Cu(NO3)2＋NO2途径②Cueq\o(→,\s\up7(\f(8),\s\do5(3)HNO3（稀）))Cu(NO3)2＋NO途径③Cueq\o(→,\s\up7(O2))CuOeq\o(→,\s\up7(2HNO3（稀）))Cu(NO3)2由此可见，途径①、②消耗HNO3量多且产生有毒气体。7．将红热的固体单质甲投入黄色的溶液乙中，剧烈反应产生混合气体A，A在常温下不与空气反应，根据下列变化填空：eq\x(气体A)eq\f(水,)eq\a\vs4\al(气体\o(→,\s\up7(澄清石灰水),\s\do5()))eq\x(气体B)eq\x(白色沉淀)eq\x(溶液)eq\f(单质丙,)eq\x(气体B)eq\x(蓝色溶液)(1)甲是________，乙是________，丙是________。(2)混合气体A的主要成分是______________。(3)气体B是____，蓝色溶液是____________。(4)甲与乙反应的化学方程式是________________________________________________________________________。解析：气体A与水反应后的溶液与单质丙反应，生成气体B和蓝色溶液，可推知丙为Cu，A中含NO2，A与水反应生成HNO3，所以B为NO；气体A与水反应后的气体通过澄清石灰水得到NO和白色沉淀，联想A是固体甲与黄色溶液乙反应得到的混合气体，可推知甲为碳，乙为浓硝酸，A中含NO2、CO2。答案：(1)C浓硝酸Cu(2)CO2和NO2(3)NOCu(NO3)2溶液(4)C＋4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O8.在浓硝酸中放入铜片：(1)反应开始的化学方程式为________________________________________________________________________。(2)若铜有剩余，则反应快要结束时的化学方程式是________________________________________________________________________。(3)待反应停止后，再加入少量25%的稀硫酸，这时铜片上又有气泡产生，其原因是________________________________________________________________________。(4)若将g铜跟一定质量的浓硝酸反应，铜耗完后，共产生气体L(标准状况)，则所消耗的硝酸的物质的量是________。解析：该题综合了铜跟硝酸反应的多种情况。过量的铜跟浓硝酸反应时，随着反应的进行，硝酸的浓度逐渐变小，所以反应到后期，主要为铜稀硝酸反应；反应停止后，溶液中还有NOeq\o\al(－,3)，当加入强酸后，H＋跟NOeq\o\al(－,3)构成硝酸，使铜继续溶解。从定量的角度来看，硝酸跟铜的反应表现了硝酸的酸性和强氧化性，且表现酸性的硝酸的物质的量等于铜的物质的量的2倍[因生成了Cu(NO3)2]，表现氧化性的硝酸的物质的量等于生成气体(NO或NO2)的物质的量，根据原子守恒，可求消耗硝酸的物质的量。答案：(1)Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O(2)3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O(3)加入稀硫酸后，硫酸电离的H＋与原溶液中的NOeq\o\al(－,3)又组成了具有强氧化性的稀硝酸，稀硝酸又跟过量的铜反应产生气体(4)moleq\x(素)eq\x(能)eq\x(提)eq\x(高)9．锌与很稀的硝酸反应生成硝酸锌、硝酸铵和水。当生成1mol硝酸锌时，被还原的硝酸的物质的量为(D)A．2molB．1molC．molD．mol解析：根据电子守恒，生成1molZn(NO3)2时，转移电子2mol，被还原的HNO3的物质的量为1/4mol。10．某校课外活动小组为了探究铜与稀硝酸反应产生的是NO气体，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________________________________________________________________________，为达此目的应进行的操作是________________________________________________________________________；A中反应的化学方程式是________________________________________________________________________。(2)在(1)中的操作后将装置B中铜丝插入稀硝酸，并微热之，观察到装置B中的现象是_____________