高中化学第四章非金属及其化合物第四节第2课时硫酸和硝酸的氧化性学案新人教版必修1

第2课时硫酸和硝酸的氧化性一、硫酸1．稀硫酸——具有酸的通性(1)硫酸的电离方程式：H2SO4=2H＋＋SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))。(2)硫酸具有酸的通性，可与酸、碱指示剂作用，也可与碱、碱性氧化物、活泼金属及某些盐反应。2．浓硫酸的三大特征(1)吸水性和脱水性(2)强氧化性①与金属的反应：浓硫酸能与绝大多数金属作用，如与铜反应。实验操作实验现象a试管中铜丝表面有气泡b试管中的品红溶液逐渐变为无色c试管中的紫色石蕊溶液逐渐变红，将a试管里的溶液慢慢倒入水中，溶液变蓝色实验结论Cu和浓硫酸反应的化学方程式为Cu＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O②常温下，冷的浓硫酸能使Fe、Al发生钝化。③与非金属反应加热时浓硫酸与木炭反应的化学方程式为C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O。3．硫酸的用途下列属于硫酸的用途的是①②③。①生产化肥农药、火药、医药等；②酸洗；③冶炼有色金属，金属除锈；④精炼石油；⑤制漂白粉。(1)浓硫酸能否用来干燥NH3、H2S?提示：不能。浓硫酸不能干燥碱性或还原性气体。(2)冷的浓硫酸使铁、铝钝化属于什么变化？提示：生成新物质，属于化学变化。(3)(知识前后串联)初中就学过浓硫酸具有脱水性，如浓硫酸使试纸、火柴梗等变黑，浓硫酸与蔗糖的反应，蔗糖变黑，体积膨胀，并有刺激性气味，该过程表现了浓硫酸的哪些性质？提示：表现了浓硫酸的脱水性和强氧化性。(4)(情境思考)有人说“常温下，浓硫酸不能与铁反应，铁很稳定”，也有人说，“浓硫酸常温下也能与铁反应，浓硫酸是铁的保护神”孰对孰错？仔细辨析。浓硫酸有强氧化性，常温下应如何储运浓硫酸？提示：常温下，浓硫酸可以使铁发生钝化，钝化是化学变化，生成的物质防止金属进一步被腐蚀。因常温下，浓H2SO4能使Fe、Al钝化，故可用铝槽(或铁罐)储运浓硫酸。二、硝酸1．挥发性硝酸越浓越易挥发。2．强氧化性(1)与金属的反应①浓硝酸与Cu反应的化学方程式为Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。②稀硝酸与Cu反应的化学方程式为3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。(2)与非金属反应浓硝酸与木炭加热时反应的化学方程式为C＋4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。(3)常温下，冷的浓硝酸能使铁、铝钝化。(4)王水是浓盐酸和浓硝酸的混合物，体积比为3∶1，能使不溶于硝酸的金、铂等溶解。3．不稳定性(1)硝酸分解的化学方程式：4HNO3eq\o(=,\s\up7(光))4NO2↑＋O2↑＋2H2O。(2)实验室中浓硝酸显黄色的原因：浓硝酸分解生成的NO2又溶于硝酸。(1)实验室中如何保存浓硝酸？提示：保存浓硝酸用棕色瓶、磨口玻璃塞保存，并置于冷暗处。(2)(情境思考)仔细观察下列漫画，你知道容器里的液体是什么吗？提示：王水。金能溶解在王水中。知识点一浓硫酸三大特性再认识1．浓硫酸吸水性、脱水性的区别吸水性脱水性作用对象含有水分子或结晶水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，将氢、氧原子按2∶1比例脱去变化类型物理变化、化学变化化学变化注意：从以上对比可以看出：吸水性和脱水性的本质区别是看与浓硫酸接触的物质中是否含有“H2O”，若含有“H2O”，则被浓硫酸“占为己有”，体现了浓硫酸的吸水性(有水则吸)；若原物质中无“H2O”，只是含有氢原子和氧原子，则“H2O”是通过反应生成的，体现了浓硫酸的脱水性(无水则脱)。2．浓硫酸的强氧化性(1)本质浓硫酸具有强氧化性，是因为H2SO4分子中＋6价的硫元素具有很强的得电子能力。(2)反应规律①Fe、Al的钝化。常温下，当Fe、Al遇到浓硫酸时，会与浓硫酸发生反应，表面生成一层致密的氧化物薄膜而出现“钝化”现象。②常温下与活泼金属反应(铁、铝除外)表现强氧化性和酸性，生成硫酸盐和SO2，硫酸浓度变小后，生成的气体为H2。③与不活泼金属和非金属反应的规律。a．反应需要加热，否则不反应。b．还原产物一般是SO2，一般金属被氧化为高价态的硫酸盐，非金属被氧化为高价态氧化物或含氧酸。c．浓硫酸与金属反应时，既表现酸性又表现强氧化性，而与非金属反应时，只表现强氧化性。d．随着反应的进行，浓硫酸浓度变小，一旦变为稀硫酸，反应即停止。④与具有还原性的化合物反应，如与H2S、HI、HBr、FeCl2等物质反应。(1)(情境应用)某同学用玻璃棒蘸取无色的浓硫酸在白纸上写下一个“酸”字，发现字是黑色的；另一同学用白色竹筷蘸取浓硫酸，发现竹筷变黑了。这是为什么？体现了浓硫酸的什么性质？(宏观辨识与微观探析)提示：浓硫酸具有脱水性，可以使白纸和竹筷中的有机物变成炭(2)(教材二次开发)教材中描述“浓硫酸却可以与铜发生氧化还原反应，反应除生成硫酸铜外，还生成二氧化硫和水”铜与浓硫酸反应的实验中，如何证明H2SO4的还原产物是SO2？哪些措施可以减少(或消除)SO2对环境的污染？(科学探究与创新意识)提示：将产生的气体通入品红溶液中，若品红溶液褪色，加热后又会恢复红色，则证明产生的气体是SO2。用可抽动的铜丝代替铜片，可控制反应的进行，从而减少SO2的产生量；多余的SO2可用NaOH溶液吸收，以免污染环境。(3)(思维升华)过量Cu在加热条件下与一定量浓硫酸反应时，浓硫酸能否全部参加反应？为什么？过量的锌呢，产生什么气体？(宏观辨识与微观探析)提示：Cu不能，Zn能生成SO2和H2。随着反应的进行，硫酸的浓度逐渐减小，浓硫酸变为稀硫酸，Cu的反应自动停止，Zn的反应仍能继续。Zn与浓硫酸反应生成SO2，与稀硫酸反应生成H2。【典例】(2021·大连高一检测)根据如图所示装置，回答下列问题。(1)开始加热后，产生的现象是a处_______________________________________________________________；b处_______________________________________________________________。(2)停止反应后，用酒精灯在b处微微加热，产生的现象是____________________________________________________________________________________。(3)写出a处发生反应的化学方程式：______________________________________________________________________________________________________。(4)蘸有Na2CO3溶液的棉花的作用是_______________________________________________________________________________________________________。(5)实验中，取一定质量的铜片和一定体积18mol·L－1的浓硫酸放在圆底烧瓶中共热，直到反应完毕，发现烧瓶中还有铜片剩余，该小组学生根据所学的化学知识认为还有一定量的硫酸剩余。①有一定量的余酸但未能使铜片完全溶解，你认为原因是____________________________________________________________________________________。②下列药品中能用来证明反应结束后的烧瓶中确有余酸的是________(填字母)。a．铁粉 b．BaCl2溶液c．银粉 d．NaHCO3溶液【解题指南】解答本题需注意以下两点：(1)明确浓硫酸的强氧化性。(2)Cu与浓硫酸反应过程中H2SO4的浓度对反应的影响。【解析】(1)浓硫酸与铜片反应生成SO2气体，SO2能使品红褪色。(2)被SO2漂白的品红试液的滤纸条加热时会重新变红。(3)a处为浓硫酸与铜片发生反应的化学方程式：Cu＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O。(4)SO2有毒，不能直接排放在空气中，用Na2CO3溶液可以吸收多余的SO2。(5)随着反应的进行，H2SO4被不断消耗，且反应生成水，使硫酸的浓度逐渐减小，当变为稀硫酸时，反应将会停止，因为铜与稀硫酸不反应。可向反应结束后的烧瓶中加入铁粉或NaHCO3溶液，若有气泡产生则可证明确有余酸。答案：(1)有气泡产生纸条褪色(2)纸条由无色恢复为红色(3)Cu＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O(4)吸收多余的SO2，以防止污染环境(5)①反应过程中浓硫酸被消耗，逐渐变稀，而铜不和稀硫酸反应②a、d【母题追问】(1)金属锌能否用来验证反应结束后的烧瓶中剩余的硫酸？对于用量有没有要求？(关键能力——探究与创新)提示：能。必须加入过量的锌。金属锌能够与稀硫酸反应放出氢气，同时也能与硫酸铜反应，故应该加入过量的锌。(2)第(5)问①中加入硫酸铁能否使铜片完全溶解？(关键能力——分析与推测)提示：能。三价铁离子具有氧化性，铜片能与硫酸铁反应而使铜片溶解。1．(2020·株洲高一检测)浓硫酸在下列物质的转化中，既表现出氧化性，又表现出酸性的是()A．Cu→CuSO4B．C→CO2C．蔗糖→“黑面包”D．Fe2O3→Fe2(SO4)3【解析】选A。浓硫酸在反应中表现出酸性时硫元素的化合价不变，硫元素仍以SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))形式存在；浓硫酸表现出氧化性时硫元素的化合价降低。由以上反应可知，C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O中硫元素的化合价降低；Fe2O3＋3H2SO4=Fe2(SO4)3＋3H2O中硫元素的化合价不变；蔗糖→“黑面包”时浓硫酸表现脱水性，同时发生反应C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O，表现氧化性；而Cu＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O，有一部分硫元素化合价降低，一部分硫元素化合价不变。所以浓硫酸在A反应中既表现出酸性，又表现出氧化性。2．(2020·玉林高一检测)用下图所示实验装置(夹持仪器已略去)探究铜丝与过量浓硫酸的反应。下列实验不合理的是()A.上下移动①中铜丝可控制SO2的量B．②中选用品红溶液验证SO2的生成C．③中选用NaOH溶液吸收多余的SO2D．为确认CuSO4生成，向①中加水，观察颜色【解析】选D。上下移动铜丝可以控制铜与浓硫酸的接触面积的大小，从而可以控制反应生成SO2的量，A正确；SO2可使品红溶液褪色(化合作用)，因此②中品红溶液可以验证SO2的生成，B正确；SO2有毒，能与NaOH溶液反应，因此③中NaOH溶液可以吸收多余的SO2，C正确；反应后溶液呈黑色，有浓硫酸剩余，且不能直接向浓硫酸中加水，应取铜与浓硫酸反应后①中溶液，加入水中，边加边搅拌，溶液显蓝色即可证明有CuSO4生成，D错误。【加固训练】(2019·信阳高一检测)(1)写出浓硫酸与木炭粉在加热条件下反应的化学方程式______________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)试用上图所示各装置设计一个实验，验证上述反应所产生的各种产物。这些装置的连接顺序(按产物气体从左至右的流向)是________→________→________→________(填装置的编号)。(3)实验室可观察到装置①中A瓶的溶液褪色，C瓶的溶液不褪色，A瓶溶液的作用是________________________，B瓶溶液的作用是___________________________________________________________________，C瓶溶液的作用是___________________________________________________。(4)装置②中所加的固体药品是________，可验证的产物是________，确定装置②在整套装置中的位置的理由是_______________________________________。(5)装置③中所盛溶液是________，可验证的产物是________。【解析】(1)C与浓硫酸发生反应：C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O。(2)反应中的生成物有三种：SO2、CO2、H2O。在检验这三种产物时要避免相互干扰，如检验CO2时一般用澄清石灰水，因SO2也会使澄清石灰水变浑浊，所以在检验CO2之前必须先除去SO2；同时，在气体通过水溶液后，水蒸气会随之带出，所以必须在通过水溶液之前检验水的存在，由上分析可知装置的连接顺序是④→②→①→③。(3)A瓶的溶液褪色，说明含有SO2；酸性高锰酸钾溶液用于除去SO2，C中的品红溶液检验SO2是否被除尽。(4)装置②中盛放无水硫酸铜，检验水蒸气；因为产物通过①③，会带出水蒸气，所以应先检验水蒸气。(5)装置③中盛放澄清石灰水，用于检验CO2。答案：(1)C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O(2)④②①③(3)验证SO2的存在充分吸收SO2验证SO2是否已被吸收完全(4)无水硫酸铜水产物通过①③时会带出水蒸气，所以②必须放在①③之前(5)澄清石灰水CO2知识点二多角度突破HNO3的强氧化性1．规律(1)硝酸的浓度越大，反应温度越高，其氧化性越强。(2)浓硝酸的还原产物是NO2，稀硝酸的还原产物是NO，一般来讲，硝酸的浓度越小，其还原产物的价态越低。2．具体表现(1)硝酸与金属的反应①除Au、Pt等少数金属外，硝酸几乎可以氧化所有的金属，如3Ag＋4HNO3(稀)=3AgNO3＋NO↑＋2H2O。②活泼金属与硝酸反应不生成H2，硝酸的浓度不同，还原产物不同。③常温下浓硝酸能使Fe、Al钝化。(2)硝酸与非金属的反应①反应规律：非金属单质＋浓硝酸→最高价氧化物或其含氧酸＋NO2↑＋H2O。②实例：C＋4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。(3)硝酸与还原性化合物的反应硝酸的强氧化性还表现在可以氧化具有还原性的化合物或离子，如HI、HBr、SO2、Fe2＋、FeO、Br－、I－、S2－、SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))等均能被HNO3氧化。【规律方法】HNO3计算四方法(1)原子守恒法在解题中的应用HNO3与金属反应时，一部分HNO3起酸的作用，以NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的形式存在于溶液中，另一部分HNO3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。n(HNO3)总＝x·n[M(NO3)x]＋n(NO2)＋n(NO)。(2)电子守恒法在解题中的应用HNO3与金属的反应属于氧化还原反应，HNO3中氮原子得到的电子的物质的量等于金属失去的电子的物质的量，即金属失电子的物质的量＝n(NO2)＋3n(NO)。(3)“电荷守恒法”在解题中的应用HNO3过量时，反应后溶液中(不考虑OH－)有：c(NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))＝c(H＋)＋nc(Mn＋)(Mn＋代表金属离子)。(4)“离子方程式法”在解题中的应用金属与H2SO4、HNO3的混合酸反应时，由于硝酸盐中NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(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(\s\up1(－),\s\do1(3))进行相关计算，且溶液中要符合电荷守恒。(教材二次开发)教材中描述“当硝酸与金属或非金属(如木炭、硫等)及某些有机物(如松节油、锯末等)反应时，反应物或反应条件不同，硝酸被还原所得到的产物也不同”，浓硝酸、稀硝酸与Cu反应产物分别为NO2、NO，反应中稀硝酸化合价降低较多，说明稀硝酸氧化性比浓硝酸强，对吗？提示：浓硝酸氧化性比稀硝酸强，与Cu反应时浓HNO3反应更剧烈。【典例】将6.4g铜加入50mLamol·L－1的硝酸溶液中，铜全部溶解，得到NO2和NO的混合气体。将反应后溶液稀释至100mL，测得NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的浓度为3mol·L－1。(1)混合气体中NO2和NO的总物质的量为____mol(用含a的式子表示)。(2)稀释后的溶液中H＋的物质的量浓度为____mol·L－1。【解题指南】解答本题注意以下两点：(1)注意硝酸的用量。(2)注意原子守恒法在解题中的应用。【解析】因为得到NO2和NO混合气体，说明原硝酸溶液为浓HNO3。发生的反应有Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O和3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。由n(Cu)＝eq\f(6.4g,64g·mol－1)＝0.1mol和反应后溶液中含有n(NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))＝0.1L×3mol·L－1＝0.3mol可知：反应完毕后还有HNO3剩余。剩余n(HNO3)为0.3mol－0.1mol×2＝0.1mol。(1)中，由N原子守恒得n(NO2)＋n(NO)＝n(HNO3)总－n(NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))＝(0.05a－0.3)mol。(2)中，因为与Cu2＋组合的n(NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))＝2n(Cu2＋)＝2×eq\f(6.4g,64g·mol－1)＝0.2mol，故溶液中与H＋结合的n(NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))＝0.3mol－0.2mol＝0.1mol，则c(H＋)＝eq\f(0.1mol,0.1L)＝1.0mol·L－1。答案：(1)0.05a－0.3(2)1.0【母题追问】(1)若标准状况下，NO2和NO的混合气体体积为2.24L，则NO2和NO的体积各为多少？提示：1.12L，1.12L。设生成的NO、NO2的物质的量分别为n1、n2。由题意及关系式得：3Cu～2NOCu～2NO23mol2mol1mol2moleq\f(3,2)n1n1eq\f(1,2)n2n2则eq\f(3,2)n1＋eq\f(1,2)n2＝0.1mol，n1＋n2＝0.1mol，解得n1＝0.05mol，n2＝0.05mol，则V(NO)＝1.12L，V(NO2)＝1.12L。(2)若标准状况下，NO2和NO的混合气体体积为2.24L，则上题中a的值是多少？提示：8。由(1)得NO2和NO的混合气体的物质的量是0.1mol，由N原子守恒得n(NO2)＋n(NO)＝(0.05a－0.3)mol，即0.05a－0.3＝0.1，则a＝8。【规律方法】硝酸与金属反应规律：(2020·淄博高一检测)下述实验中均有红棕色气体产生，对比分析所得结论不正确的是()A．由①中的红棕色气体，推断产生的气体一定是混合气体B．红棕色气体不能表明②中木炭与浓硝酸发生了反应C．由③说明浓硝酸具有挥发性，生成的红棕色气体为还原产物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D。图①中产生的红棕色气体应为NO2和O2的混合气体，原因是灼热的碎玻璃促进了硝酸的分解，A项正确；图②中的气体可能是红热的木炭促进了硝酸分解生成的，也可能是木炭与浓硝酸反应生成的，B项正确；图③中，由于红热的木炭没有插入浓硝酸中，但仍有红棕色气体产生，说明浓硝酸具有挥发性，生成的红棕色气体NO2为还原产物，C项正确；图③中气体产物中的【加固训练】(2020·郑州高一检测)如图表示Cu与HNO3反应的量的关系，A、B、C、D四点中表示铜与稀硝酸反应中被还原的HNO3与Cu的量的关系的点是()【解析】选A。Cu与稀硝酸反应的化学方程式为3Cu＋8HNO3=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，由化学方程式可知参加反应的HNO3只有eq\f(1,4)被还原，故被还原的HNO3与Cu的关系为3Cu～2HNO3(被还原)。三言两语话重点1．熟记浓硫酸三个特性：浓硫酸具有强氧化性、吸水性、脱水性。2．明确三点注意事项：硝酸与活泼金属反应不生成H2；浓硝酸氧化性强于稀HNO3；NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))在酸性条件下具有强氧化性。3．注意硝酸四种计算方法：原子守恒、电子守恒、电荷守恒、离子方程式法。1．硫酸厂有一辆存放过浓硫酸的铁槽车。某新工人违反操作规程，边吸烟边用水冲洗，结果发生了爆炸事故。下列对引起爆炸的原因分析正确的是()A．浓硫酸遇明火爆炸B．浓硫酸遇水发热，爆炸C．铁与水反应产生氢气，接触空气，遇明火爆炸D．稀释后的硫酸与铁反应，产生的氢气扩散入空气中，遇明火爆炸【解析】选D。浓硫酸与铁发生钝化，浓硫酸稀释成稀硫酸后与铁反应生成氢气，氢气和空气的混合气体遇明火发生爆炸。2．公元八世纪，阿拉伯炼金术士贾比尔·伊本·哈扬在干馏硝石的时候发现并制得了硝酸，这是人类关于硝酸最早的记录。下列关于硝酸的叙述正确的是()A．NO2溶于水生成硝酸，所以NO2是酸性氧化物B．硝酸可与活泼金属反应生成盐和氢气C．浓硝酸见光或受热易分解，必须保存在棕色瓶中D．硝酸与铜的反应只表现出氧化性【解析】选C。NO2和硝酸中氮元素的化合价不相等，NO2不是酸性氧化物；硝酸与活泼金属反应时常生成盐和含氮氧化物；浓硝酸见光易分解，应保存在棕色细口瓶中；硝酸与铜反应生成硝酸铜及NO或NO2，硝酸既表现氧化性也表现出酸性。【加固训练】下列有关硝酸反应的叙述中，错误的是()A．稀硝酸与铁反应，有氢气放出B．浓硝酸跟铜反应，有二氧化氮气体放出C．硝酸跟碳酸钠反应，有二氧化碳气体放出D．硝酸受热时，有二氧化氮、氧气放出【解析】选A。稀硝酸与铁反应不产生H2，应生成硝酸盐、NO和H2O。3．已知3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，则下列说法不正确的是()A．Cu作还原剂，HNO3作氧化剂B．HNO3在该反应中只有部分表现出了氧化性C．每生成22.4L(标准状况)NO有3mol电子转移D．如果有8molHNO3被还原，则生成了2molNO【解析