3.3.3 硝酸　人类活动对氮循环和环境的影响优质课件2023-2024学年高一上学期化学鲁科版（2019）必修第一册

第3课时

硝酸人类活动对氮循环和环境的影响

一、硝酸的性质1.物理性质与用途(1)物理性质。知识梳理(2)用途。2.化学性质(1)实验探究。实验装置及操作实验现象实验结论

瓶口产生_____,闻到_______气味硝酸_____________________白雾刺激性易挥发,有刺激性气味实验装置及操作实验现象实验结论

反应缓慢,有少量气泡产生,_________铜与稀硝酸常温下缓慢反应生成___气体

反应剧烈,有_________产生,_________铜与浓硝酸常温下剧烈反应生成___气体溶液变蓝NO大量气泡溶液变蓝NO2实验装置及操作实验现象实验结论

无明显现象发生_____钝化【微思考】由上述实验探究分析硝酸的氧化性与其浓度有没有关系?提示:由铜与浓、稀硝酸反应的剧烈程度可知,硝酸的浓度越大氧化性越强。

(2)硝酸的化学性质。写出下列有关反应的化学方程式:①与金属反应。a.稀硝酸与铜反应:_____________________________________。3Cu+8HNO3(稀)====3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2Ob.浓硝酸与铜反应:___________________________________。②与非金属反应。浓硝酸与红热的C反应:________________________________。Cu+4HNO3(浓)====Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2OC+4HNO3(浓)CO2↑+4NO2↑+2H2O△====③不稳定性。________________________________。4HNO3(浓)4NO2↑+O2↑+2H2O【想一想】某同学在实验室取出一瓶浓硝酸,发现溶液显黄色,与教材中关于浓硝酸的描述出现偏差。(1)你能帮助该同学解释一下原因吗?应该如何避免这种情况的发生?提示:浓硝酸不稳定,见光或受热会分解生成NO2,NO2溶于浓硝酸使溶液显黄色;故浓硝酸应该保存在棕色试剂瓶中,并放在阴凉处。(2)你能帮助该同学去除浓硝酸的黄色吗?提示:向浓硝酸中通入氧气(或空气),发生反应4NO2+O2+2H2O====4HNO3,消除黄色。【情境·思考】《本草纲目》拾遗记载:(硝酸)西洋人所造,性最猛,能蚀五金。王怡堂先生云:其水至强,五金八石皆能穿漏,惟玻璃可盛。硝酸又叫强水,传说为公元八世纪,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,这是人类关于硝酸最早的记录。硝酸有哪些性质呢?硝酸的用途有哪些?提示:硝酸具有酸性、不稳定性和强氧化性;硝酸可以用来制造炸药、染料和塑料等。二、人类活动对氮循环和环境的影响1.影响2.措施【情境·思考】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,是碳氢化合物在紫外线作用下生成的有害浅蓝色烟雾。(1)光化学烟雾有什么危害?(2)光化学烟雾和空气中什么物质的含量有关?提示:(1)人和动物受到的主要伤害是眼睛和黏膜受刺激、头痛、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺功能异常等。(2)光化学烟雾与臭氧的含量有关。知识点一硝酸的强氧化性【重点释疑】1.规律(1)硝酸的浓度越大,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。(3)还原剂一般被氧化为最高价态。重难理解2.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,加热时反应。(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)CO2↑+4NO2↑+2H2O。→△====(3)硝酸与还原性化合物或离子的反应。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、SO2、Fe2+、FeO、I-、S2-、等均能被HNO3氧化。【思考·讨论】(1)少量的Fe与足量稀硝酸反应,Fe被氧化为+2价还是+3价?过量的Fe与稀硝酸反应呢?提示:硝酸的氧化性较强,可将Fe氧化为Fe3+,故少量的Fe与足量稀硝酸反应,Fe被氧化为+3价;由于Fe可与Fe3+生成Fe2+,故过量的Fe与稀硝酸反应得到+2价铁。(2)铜投入稀硫酸中不会溶解,再向溶液中投入KNO3固体,铜会不会溶解?为什么?提示:会溶解。由离子方程式8H++2+3Cu====3Cu2++2NO↑+4H2O可知,只要溶液同时有H+和,铜就会发生反应而溶解。【案例示范】【典例】某校课外活动小组为了探究铜与稀硝酸反应产生的气体主要是NO设计了实验方案。(1)甲同学设计了如图所示实验装置(实验过程中活塞2为打开状态)。①组装好装置检验气密性后,如何加入稀硝酸?

_________________________________________________。

②如何控制反应的进行?如何加快反应速率?_________________________________________。

③如何操作验证产生的气体为NO?________________________________________。

(2)乙同学设计了如图所示实验装置(加热装置和固定装置均已略去)。图中K为止水夹(处于关闭状态),F是一半空的注射器。①设计装置A的目的是________________________。

②装置E和F的作用是__________________________。

为实现此作用,操作是________________________。

③装置D的作用是_____________________________。

【解析】(1)①打开活塞1使左右大气相通,加入硝酸时,液面才能达到液面a处;②关闭或开启活塞1能控制U形管内产生气体的压强,当关闭活塞1,左侧压强大时能使铜和稀硝酸分离从而停止反应;加热可加快反应速率;③一氧化氮是无色气体,如果证明反应产生的气体是一氧化氮,需要将活塞1打开,将气体放入分液漏斗中,气体在分液漏斗中变为红棕色,则证明反应所产生的气体是一氧化氮。(2)①装置中含有氧气,对NO的检验有干预,A产生的CO2可以排除装置中的空气;②将注射器F中的空气推入E中,若气体变为红棕色则说明生成了NO;③氮的氧化物是大气污染物,可以被氢氧化钠溶液吸收,干燥管可以防止倒吸。答案:(1)①打开活塞1,加入稀硝酸至液面a处②通过关闭或开启活塞1可以控制反应的进行;在装置左侧稍加热可以加快稀硝酸与铜的反应速率③反应开始后,胶塞下方有无色气体生成,打开活塞1,分液漏斗中有红棕色气体生成,证明该气体为NO(2)①产生CO2,赶走装置中的空气,防止因NO与O2反应生成NO2而产生干扰②验证NO的生成将注射器中的空气推入E中,若气体变为红棕色则说明生成了NO③吸收多余的氮氧化物,防止污染空气,防止倒吸【迁移·应用】1.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(

)

①②③A.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。A.①中的碎玻璃不与浓硝酸反应,但仍有红棕色气体产生,说明浓硝酸受热分解产生了二氧化氮和氧气,A正确;B.通过A分析可知,浓硝酸受热可以分解产生二氧化氮和氧气,所以②中红棕色气体可能来源于硝酸分解,即不能表明②中木炭与浓硝酸发生反应,B正确;C.实验③中木炭没有与浓硝酸接触,浓硝酸没有被加热,生成红棕色气体二氧化氮的原因可能是挥发出的硝酸蒸气与红热木炭反应,或是挥发出的硝酸受热分解,从生成的二氧化氮看,都是来源于HNO3中+5价氮元素,所以红棕色气体是还原产物,C正确;D.由于空气中含有氧气,因此红热的木炭可能与氧气反应产生了CO2,且③中木炭和浓硝酸并没有接触,因此不能说明木炭一定与浓硝酸发生了反应,D错误。2.(2019·浏阳高一检测)下列反应中硝酸既表现出酸性又表现出氧化性的是 (

)A.使石蕊试液变红B.与铜反应放出NO气体,生成Cu(NO3)2和H2OC.与Na2CO3反应放出CO2气体,生成NaNO3D.与S单质混合共热时生成H2SO4和NO2【解析】选B。在上述反应A、C项中HNO3均表现出酸性。在B、D项中HNO3中氮元素的化合价均降低,表现出氧化性,并且在B项中又有Cu(NO3)2和水生成,说明此反应中HNO3还表现出酸性。【素养提升】某同学通过查阅资料了解到:硝酸铜[Cu(NO3)2]的无水物和水合物都是蓝色晶体,但性质有很大不同。亮蓝色的无水硝酸铜是易挥发的固体,在真空中升华。请思考:由铜粉制备硝酸铜有哪些途径?并评价哪种途径更优。提示:途径一:3Cu+8HNO3(稀)====3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。途径二:Cu+4HNO3(浓)====Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。途径三:2Cu+O22CuO,CuO+2HNO3====Cu(NO3)2+H2O。途径三更优。原因是制备等量的Cu(NO3)2消耗的硝酸最少且无污染性气体产生。△====知识点二硝酸与金属反应的有关计算【重点释疑】1.硝酸与金属反应的规律硝酸与金属单质反应时一部分被还原,一部分生成硝酸盐,故硝酸既表现了酸性又表现了氧化性,但硝酸与金属反应一般不生成H2。(1)硝酸与铜的反应。在反应中硝酸的作用可用下图表示:可以看出,随HNO3浓度的降低,还原产物会由NO2变NO。①由氮原子守恒可知,无论是NO2还是NO,被还原的硝酸与生成气体的物质的量总是相等的;②未被还原的与Cu2+构成Cu(NO3)2,的物质的量为Cu2+物质的量的2倍;③运用电子守恒、原子守恒,便可顺利求解参加反应的Cu、HNO3以及产物NO2、NO之间量的关系。(2)稀硝酸与铁的反应。Fe+4HNO3(稀)====Fe(NO3)3+NO↑+2H2O ①3Fe(过量)+8HNO3(稀)====3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O②反应物的量与生成物的关系如图所示:上述反应首先发生反应①,若Fe剩余再发生反应③Fe+2Fe(NO3)3====3Fe(NO3)2,合并①③即可得反应②。所以,无论反应①还是反应②,被还原的HNO3皆占参与反应的HNO3的。2.金属与硝酸反应常用的计算方法(1)原子守恒法:HNO3与金属反应时,反应消耗的HNO3中氮原子的物质的量等于显酸性的HNO3(以硝酸盐的形式存在于溶液中)的物质的量与显氧化性的HNO3(以NOx的形式存在)的物质的量之和。(2)电子守恒法:HNO3中氮原子得电子的物质的量等于金属失电子的物质的量。(3)电荷守恒:HNO3过量时反应后溶液中(不考虑OH-)有c()=c(H+)+n×c(Mn+)(Mn+代表金属离子)。【思考·讨论】(1)铜与足量稀硝酸反应时,表现酸性的HNO3与作氧化剂的HNO3物质的量之比是多少?提示:Cu与稀硝酸反应:3Cu+8HNO3(稀)====3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。当有8molHNO3参加反应时,有2molHNO3表现氧化性,6molHNO3表现酸性,故表现酸性的HNO3与作氧化剂的HNO3物质的量之比为3∶1。(2)mgCu与足量的一定浓度的硝酸充分反应,生成VLNO、NO2混合气体(标准状况下),则参加反应的HNO3的物质的量是多少?提示:被还原的硝酸无论生成NO还是NO2,均有氮原子与被还原的HNO3的物质的量相等;未被还原(起酸性作用)的硝酸等于Cu(NO3)2物质的量的2倍,故参加反应的硝酸的物质的量为()mol。【案例示范】【典例】(2019·三明高一检测)在标准状况下将1.92g铜粉投入一定量浓硝酸中,随着铜粉的溶解,反应生成的气体颜色逐渐变浅,当铜粉完全溶解后共收集到由NO2和NO组成的混合气体1.12L,则混合气体中NO的体积为 (

)A.112mL

B.1008mL

C.224mL

D.448mL【思维建模】解答有关金属与硝酸反应问题的思维流程如下:【解析】选A。混合气体的总物质的量为1.12L÷22.4L·mol-1=0.05mol,1.92g铜粉的物质的量为0.03mol。设NO的物质的量为n1mol,则NO2的物质的量为(0.05-n1)mol,根据得失电子守恒得3n1+(0.05-n1)×1=0.03×2,解得n1=0.005,V(NO)=0.005mol×22.4L·mol-1=0.112L=112mL。【母题追问】(1)上题参加反应的硝酸的物质的量是多少?提示:0.11mol。由氮原子守恒知参加反应的硝酸的物质的量n(HNO3)=2n[Cu(NO3)2]+n(NOx)=2n(Cu)+n(NOx)=0.03×2+0.05mol=0.11mol。(2)上题反应中起酸作用与作氧化剂的硝酸的物质的量之比是多少?提示:6∶5。起酸作用与作氧化剂的硝酸的物质的量之比=2n[Cu(NO3)2]∶n(NOx)=(0.03×2)∶0.05mol=6∶5。【规律方法】(1)解答有关金属与硝酸反应的思维流程(2)以Cu与一定量的浓硝酸反应为例,理解计算过程的守恒关系。若反应中Cu完全溶解,硝酸剩余,且生成NO、NO2混合气体,则:①元素守恒:参加反应的HNO3:n(HNO3)反应=2n(Cu)+n(NOx);②电子守恒:2n(Cu)=3n(NO)+n(NO2);③电荷守恒:反应后溶液中2n(Cu2+)+n(H+)=n()。【迁移·应用】1.(2019·汉中高一检测)9.7gCu和Zn的合金与足量的稀硝酸反应,还原产物只有NO气体,其体积在标准状况下为2.24L。将溶液稀释为1L,测得溶液的c(H+)=0.1mol·L-1,此时溶液中的浓度为(

)A.0.3mol·L-1

B.0.4mol·L-1C.0.2mol·L-1

D.0.6mol·L-1【解析】选B。n(NO)=0.1mol,转移电子的物质的量为0.1mol×3=0.3mol,n(Cu+Zn)=0.3mol÷2=0.15mol,n[Cu(NO3)2]+n[Zn(NO3)2]=0.15mol,其中所含n()=0.3mol,溶液中c(HNO3)=c(H+)=0.1mol·L-1,其中含n()=0.1mol,溶液中

的总浓度为0.4mol·L-1。2.1L稀硝酸和稀硫酸的混合液,其物质的量浓度分别为0.1mol·L-1和0.4mol·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.2.4g

B.3.2g

C.6.4g

D.9.6g【解析】选D。根据反应原理写出反应的离子方程式为3Cu+2+8H+====3Cu2++2NO↑+4H2O

0.1mol

0.9mol根据n()计算溶解铜粉的质量:m(Cu)==9.6g。【补偿训练】1.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 (

)A.2mol

B.1mol

C.0.5mol

D.0.25mol【解析】选D。反应的方程式可以表达为4Zn+10HNO3(稀)====4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O,所以被还原的硝酸就是被还原成氨气的那部分,也就是生成硝酸铵中的,所以生成1mol的硝酸锌,相对应的生成硝酸铵物质的量就是0.25mol,被还原的硝酸的物质的量就是0.25mol。2.一定量的Cu和1mol·L-1的稀硝酸反应,如果的浓度下降0.2mol·L-1,则溶液中c(H+)同时下降(假定反应前后溶液体积不变) (

)A.0.2mol·L-1

B.0.4mol·L-1C.0.6mol·L-1 D.0.8mol·L-1【解析】选D。由Cu与稀硝酸反应的离子方程式3Cu+8H++2====3Cu2++2NO↑+4H2O可知,当浓度下降0.2mol·L-1时,c(H+)下降0.8mol·L-1。【课堂回眸】【核心整合】1.氮及其化合物的转化知识应用2.主干知识梳理(1)“雷雨发庄稼”涉及反应原理。①N2+O22NO②2NO+O2====2NO2③3NO2+H2O====2HNO3+NO放电====(2)氨的工业制法:N2+3H22NH3(3)氨的实验室制法。①原理:2NH4Cl+Ca(OH)22NH3↑+CaCl2+2H2O②装置:与制O2相同③收集方法:向下排空气法△====④检验方法:a.用湿润的红色石蕊试纸检验,会变蓝色。b.用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近瓶口,有大量白烟产生。NH3+HCl====NH4Cl⑤干燥方法:可用碱石灰或氧化钙、氢氧化钠,不能用浓硫酸。(4)硝酸。①浓硝酸的不稳定性:4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O(浓硝酸因溶有NO2而显黄色)②浓硝酸的强氧化性。a.常温下,浓硫酸、浓硝酸能使铁、铝发生钝化。b.铜与浓硝酸反应:Cu+4HNO3(浓)====Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O铜与稀硝酸反应:3Cu+8HNO3(稀)====3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2Oc.碳与浓硝酸反应:C+4HNO3(浓)CO2↑+4NO2↑+2H2O△====【素养迁移】1.下列转化不能一步实现的是 (

)A.N2→NH3

B.N2→NO2C.NO2→HNO3

D.NH4Cl→NH3【解析】选B。N2与H2在高温高压催化剂条件下反应生成NH3,A正确;N2与O2反应只能生成NO,NO再与O2反应才能生成NO2,B错误;NO2与H2O反应生成HNO3和NO,C正确;NH4Cl受热分解或与碱反应都可以生成NH3,D正确。2.已知氨气不溶于有机物,如CCl4。下列关于氨气的说法正确的是

(

)A.氨可以用浓硫酸干燥B.氨溶于水显弱碱性,因此氨气可使湿润的酚酞试纸变蓝C.氨本身没有毒,故发生液氨大量泄漏时,人们也不必采取任何防范措施D.吸收NH3可用如图所示的装置防止倒吸【解析】选D。氨属于碱性气体,不能用酸性干燥剂干燥;湿润的酚酞试纸遇NH3会变红;虽然氨气并不能称为有毒气体,但由于氨气的溶解度极高,且极易挥发,所以常被吸附在皮肤黏膜和眼黏膜上,从而产生刺激和炎症,故发生液氨大量泄漏时,人们必须采取一定的防范措施,如根据氨的密度小的特征,可以向地势低、逆风的方向跑离事故区,故A、B、C三项都错误。四氯化碳是一种油状液体,氨气不溶解于其中,这样就防止了倒吸,D项正确。3.下列现象或事实不能用同一原理解释的是 (

)A.浓硝酸和氯水用棕色试剂瓶保存B.硫化钠和亚硫酸钠固体长期暴露在空气中变质C.常温下铁和铂都不溶于浓硝酸D.SO2和Na2SO3溶液都能使氯水褪色【解析】选C。浓硝酸见光易分解,要存放在棕色试剂瓶中;氯水见光会分解,应盛放在棕色试剂瓶中,能用同一原理解释,A不符合题意。硫化钠具有还原性,易被空气中的氧气氧化而变质;亚硫酸钠具有还原性,易被空气中的氧气氧化而变质,能用同一原理解释,B不符合题意。常温下铁遇浓硝酸发生钝化;铂的活泼性较弱,与浓硝酸不反应,不能用同一原理解释,C符合题意。SO2具有还原性,能与氯水发生氧化还原反应使氯水褪色;Na2SO3具有还原性,能与氯水发生氧化还原反应使氯水褪色,能用同一原理解释,D不符合题意。4.下列说法错误的是 (

)A.在稀硫酸中加入铜粉,铜粉不溶解,再加入Cu(NO3)2固体,