高中化学必修1：3.3.3 硝酸　人类活动对氮循环和环境的影响

高中化学必修课程PAGEPAGE1第3课时硝酸人类活动对氮循环和环境的影响[核心素养发展目标]1.能从物质类别、氮元素的价态的角度预测分析硝酸的性质，促进证据推理和模型认知化学核心素养的发展。2.了解硝酸对人类发展的贡献，了解人类活动对氮循环和环境的影响，增强节约资源、保护环境的可持续发展的意识。一、硝酸的性质1.实验探究硝酸的性质实验操作实验现象实验结论瓶口有白雾产生，可闻到强烈的刺激性气味浓硝酸具有挥发性，有刺激性气味两支试管中都有气体产生，铜片逐渐溶解，A试管中反应剧烈，产生红棕色气体，溶液呈绿色；B试管中反应缓慢，产生无色气体，且气体在试管上部变为浅红棕色，溶液呈蓝色浓硝酸和稀硝酸都能与铜发生反应，前者生成NO2，后者生成NOA试管中无明显现象，B试管中产生无色气体，且气体在试管上部变为浅红棕色，溶液呈浅黄色铁在浓硝酸中钝化；铁与稀硝酸反应生成NO和Fe(NO3)3。2.硝酸的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，质量分数为95%以上的浓硝酸称为“发烟硝酸”。3.硝酸的化学特性(1)硝酸的强氧化性浓硝酸中的＋5价氮元素具有很强的得电子能力。浓硝酸和稀硝酸都具有很强的氧化性，且浓度越大氧化性越强，还原剂一般被其氧化为最高价态。请写出下列反应的化学方程式：①铜与浓硝酸：Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。②铜与稀硝酸：3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。③铁与稀硝酸(HNO3过量)：Fe＋4HNO3(稀)=Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O。④碳与浓硝酸共热：C＋4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。⑤硫与浓硝酸共热：S＋6HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))H2SO4＋6NO2↑＋2H2O。(1)硝酸与金属反应不能生成氢气。硝酸浓度不同，其还原产物不同，一般情况下，浓硝酸被还原为NO2，稀硝酸被还原为NO。(2)硝酸能与大多数金属(金、铂等除外)反应，将金属氧化为高价态金属的硝酸盐。但在常温下，浓硝酸能使铁、铝钝化。(3)热的浓硝酸可将非金属单质(碳、硫、磷等)氧化为最高价氧化物或最高价含氧酸。(4)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SO2、FeO、Fe2＋、Br－、I－、S2－、SOeq\o\al(2－,3)等均能被硝酸氧化。(2)硝酸的不稳定性①见光或受热易分解，其化学方程式为4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(光照或受热))4NO2↑＋O2↑＋2H2O。②长期存放的浓硝酸呈黄色是因为其分解生成的NO2溶于硝酸中；实验室常将浓硝酸保存在棕色试剂瓶中，并放在阴凉处。(1)如何除去浓硝酸中的“黄色”？提示浓硝酸显黄色的原因是其分解生成的NO2溶于硝酸中，若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？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NOeq\o\al(－,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)铁与稀硝酸反应的产物与二者用量有何关系？请用离子方程式说明。提示①硝酸过量：Fe＋4H＋＋NOeq\o\al(－,3)=Fe3＋＋NO↑＋2H2O②铁过量：3Fe＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O二、人类活动对氮循环和环境的影响1.人类活动对自然界氮循环的影响(1)人类的固氮活动使活化氮的量大大增加。(2)汽车数量的迅速增加，由汽车排放到大气中的氮氧化物逐渐增加。2.人类活动对环境的影响(1)大气污染物——氮氧化物①大气中的氮氧化物主要来源于化石燃料的燃烧和植物体的焚烧，以及农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。②汽车尾气中的碳氢化合物和氮氧化物被排放到大气中后，在强烈的阳光紫外线照射下发生反应，形成有毒的光化学烟雾。③氮氧化物与水反应生成硝酸和亚硝酸形成酸雨。(2)水体富营养化当进入水体的氮的含量增大时，会造成水体的富营养化，导致藻类“疯长”并迅速地覆盖在水面上。水体中的氮主要来源于工业废水、生活污水、农田灌溉以及水产养殖所投入的饵料和肥料等。(1)如何减少人类活动对氮循环的影响？提示减少使用化石燃料；加大对工业废水、农业废水的处理。(2)如何减少氮氧化物对环境的影响？提示①控制进入大气、陆地和海洋的有害物质的数量，如减少化石燃料的使用等。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。相关链接几种常见的污染环境的“罪魁祸首”(1)酸雨：与SO2及NOx有关。(2)温室效应：与CO2等有关。(3)光化学烟雾：与NOx及碳氢化合物有关。(4)臭氧层破坏：与NOx及氟氯烃有关。(5)赤潮、水华：与含氮、磷的大量污水有关。三、氮及其化合物间的相互转化1.氮及其化合物知识结构图2.氮及其化合物的重要性质与转化写出下列反应的化学方程式：(1)自然界中产生硝酸①N2＋O2eq\o(=,\s\up7(放电))2NO(自然固氮)；②2NO＋O2=2NO2；③3NO2＋H2O=2HNO3＋NO。(2)工业上制备硝酸①N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高温、高压),\s\do5(催化剂))2NH3(人工固氮)；②4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up7(催化剂),\s\do5(△))4NO＋6H2O；③2NO＋O2=2NO2；④3NO2＋H2O=2HNO3＋NO。(3)硝酸在反应中只表现酸性2HNO3＋Na2CO3=2NaNO3＋CO2↑＋H2O(其他合理也可)。(4)浓硝酸在反应中只表现氧化性C＋4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。(5)稀硝酸在反应中既表现氧化性，又表现酸性3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。(6)氯化铵与消石灰混合加热2NH4Cl＋Ca(OH)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。认识无机物的主要角度1.下列对于硝酸的认识，不正确的是()A.浓硝酸在见光或受热时会发生分解B.金属与硝酸反应不产生氢气C.可用铁和铝制品盛装冷的浓硝酸D.铜与硝酸的反应属于置换反应[答案]D[解析]浓硝酸在见光或受热时会发生分解反应生成氧气、二氧化氮和水，A项正确；硝酸是氧化性酸，金属与硝酸反应不产生氢气，B项正确；常温下铁和铝在浓硝酸中钝化，因此可用铁和铝制品盛装冷的浓硝酸，C项正确；铜与硝酸反应生成硝酸铜、氮的氧化物和水，不属于置换反应，D项错误。2.(2019·广州高一检测)下列反应中硝酸既表现出氧化性又表现出酸性的是()A.氧化铝和硝酸 B.少量氧化铁和硝酸C.硫化氢和硝酸 D.铜和浓硝酸[答案]D[解析]HNO3中N元素价态降低，表现HNO3的氧化性。反应中生成盐，表现出HNO3的酸性。Al2O3与HNO3反应生成Al(NO3)3和水，Fe2O3与HNO3反应生成Fe(NO3)3和水，都只表现HNO3的酸性。Cu与浓HNO3反应：Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，既表现出氧化性又表现出酸性。3.化学反应中，有时“一种物质过量，另一种物质仍不能完全反应”。下列反应中不存在此类情况的是()A.铁片与过量浓硝酸(常温)B.铜粉与过量浓硝酸(常温)C.浓盐酸与过量二氧化锰(共热)D.浓硫酸与过量铜片(共热)[答案]B[解析]A项，常温下铁片在浓硝酸作用下钝化，不能完全反应；B项，硝酸过量时，铜粉完全反应，符合题意；C项，加热时二氧化锰与浓盐酸反应，随着反应的进行浓盐酸逐渐变稀，稀盐酸与二氧化锰不反应；D项，随着反应的进行，浓硫酸逐渐变稀，浓硫酸变稀后，不与铜反应。4.将Cu、Zn混合物投入稀硝酸中，充分反应后，锌有剩余，则反应后的混合物中肯定不存在的是()①Cu②Cu(NO3)2③HNO3④Zn(NO3)2A.①②B.②③C.①③D.②④[答案]B[解析]若Zn有剩余，则说明反应后的溶液中不存在HNO3、Cu(NO3)2，因为锌与二者发生反应：3Zn＋8HNO3(稀)=3Zn(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，Cu(NO3)2＋Zn=Zn(NO3)2＋Cu，B项正确。5.向100mL12mol·L－1的浓硝酸中加入足量的铜片，充分反应后，被还原的硝酸的物质的量为()A.0.3molB.0.6molC.小于0.6molD.介于0.3mol和0.6mol之间[答案]D[解析]因为Cu是足量的，随着反应的进行，浓硝酸会逐渐变稀，所以本题涉及的反应有两个：Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O①3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O②采用极限分析法：若只发生反应①，则被还原的HNO3物质的量为eq\f(1,2)×1.2mol＝0.6mol；若只发生反应②，则被还原的HNO3的物质的量为eq\f(1,4)×1.2mol＝0.3mol。6.氮及其化合物的变化关系如下所示。则下列说法不正确的是()A.路线①②③是工业生产硝酸的主要途径B.路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷电固氮生成硝酸的主要途径C.上述所有反应都是氧化还原反应D.氮气可在足量的氧气中通过一步反应生成NO2[答案]D[解析]氮气和氧气在放电条件下反应生成NO，NO与O2反应生成NO