化学必修 第一册第3章 物质的性质与转化第3节 氮的循环第3课时学案

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1．认识硝酸的性质及用途，发展变化观念与平衡思想的化学学科核心素养。
2．了解酸雨、光化学烟雾和富营养化等环境问题的危害，树立环境保护意识，培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
3．能够设计方案探究含氮元素物质的性质，培养科学探究与创新意识的化学学科核心素养。
eq \a\vs4\al(硝酸的性质)
[实验] 探究硝酸的性质
[问题探讨]
(1)硝酸与Cu反应得到的还原产物是什么？
提示：浓硝酸与Cu反应时，若Cu过量，反应开始时得到的还原产物为NO2，但随着反应的进行，硝酸变稀，其还原产物变为NO，最终应得到NO2与NO的混合气体，可利用氧化还原反应过程中元素化合价升降总数相等的规律求解有关Cu、HNO3和混合气体之间的量的关系。硝酸与其他金属(过量)反应的情况与此类似。
(2)硝酸与变价金属Fe反应得到的氧化产物是什么？
提示：对于变价金属而言，硝酸足量时生成最高价硝酸盐。
如硝酸与铁反应时，产物符合以下规律：
(一)硝酸的物理性质、用途与保存
1．物理性质
2．用途
硝酸是一种重要的化工原料，可用于制造炸药、染料、塑料和硝酸盐等，是实验室里的重要化学试剂。
3．保存方法
保存在棕色试剂瓶中，并放置在阴凉处。
(二)硝酸的强氧化性
1．本质
HNO3中的＋5价氮元素具有很强的得电子能力。
2．规律
(1)硝酸的浓度越大，反应温度越高，其氧化性越强。
(2)还原剂一般被氧化成最高价态。
3．具体表现
(1)硝酸与金属单质的反应
①除Au、Pt、Ti等少数金属外，硝酸几乎可以氧化所有的金属单质。
如3Ag＋4HNO3(稀)===3AgNO3＋NO↑＋2H2O。
②活泼金属单质与HNO3反应不生成H2，HNO3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)硝酸与非金属单质的反应
①反应规律：非金属单质＋浓硝酸eq \(――→,\s\up7(△))最高价氧化物或其含氧酸＋NO2↑＋H2O。
②反应举例：
C＋4HNO3(浓)eq \(=====,\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 \\al(2－,3)等均能被HNO3氧化。
[名师点拨]
(1)涉及HNO3的离子反应常见的易错问题：
①忽视NOeq \\al(－,3)在酸性条件下的强氧化性。在酸性条件下NOeq \\al(－,3)不能与Fe2＋、I－、SOeq \\al(2－,3)、S2－等还原性较强的离子大量共存，即溶液中存在NOeq \\al(－,3)、H＋，相当于溶液中存在稀HNO3。
②在书写离子方程式时，忽视HNO3的强氧化性，将氧化还原反应简单地写成复分解反应。
(2)王水是体积比为1∶3的浓硝酸和浓盐酸的混合物，能将不溶于稀硝酸的金属如Au、Pt等溶解。
(3)工业制硝酸的原理如下：
N2H2,NH3O2,NOO2,NO2H2O,HNO3。
1．下列关于硝酸的说法中正确的是( )
A．常温下，向浓硝酸中投入铁片，会产生大量的红棕色气体
B．与金属反应时，稀硝酸被还原为更低价态，则稀硝酸的氧化性强于浓硝酸
C．硝酸电离出的H＋能被锌、铁等金属还原成H2
D．硝酸与金属反应时，是＋5价的N得电子
解析：选D 常温下，铁遇浓硝酸发生钝化，不能产生大量的红棕色气体，A项错误；浓硝酸比稀硝酸的氧化性
强，B项错误；硝酸有强氧化性，主要是因为其＋5价的N易得电子，而HNO3电离出的H＋不能被锌、铁等金属还原为H2，C项错误，D项正确。
2．下列各组反应中，硝酸既表现了氧化性，又表现了酸性的是( )
A．C＋HNO3 B．H2S＋HNO3
C．Fe(OH)3＋HNO3D．Cu＋HNO3
解析：选D 碳和硝酸反应，硝酸表现了氧化性，错误，不选A；H2S和硝酸反应，硝酸表现了氧化性，错误，不选B；Fe(OH)3和硝酸反应，硝酸只表现了酸性，错误，不选C；Cu和硝酸反应，硝酸表现了酸性和氧化性，正确，选D。
3．下列有关实验操作、现象和解释或结论都正确的是( )
解析：选D 稀硝酸与铁粉反应，铁首先被氧化成Fe3＋，过量铁粉又将Fe3＋还原，最终得到Fe2＋，滴入KSCN溶液不显红色，A错误；常温下，Fe、Al在浓硝酸或浓硫酸中发生钝化，生成致密的氧化膜阻止了反应进一步进行，B错误；铝箔能与稀硝酸反应放出气体，C错误。
eq \a\vs4\al(硝酸与金属反应的有关计算)
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，随着HNO3浓度的降低，还原产物会由NO2变为NO。
①由氮原子守恒可知，不论是NO2还是NO，被还原的HNO3的物质的量与生成气体的物质的量总是相等的；
②未被还原的NOeq \\al(－,3)与Cu2＋结合生成Cu(NO3)2，NOeq \\al(－,3)的物质的量为Cu2＋物质的量的2倍。
(2)稀硝酸与铁的反应
2.硝酸与金属反应计算中的守恒思想
[名师点拨]
铜与HNO3反应时，消耗HNO3的物质的量n(HNO3)耗＝2n(Cu)＋n(NOx)，其中n(Cu)指参加反应的铜的物质的量，n(NOx)指反应生成的NO或NO2或二者混合气体的物质的量。
1．在标准状况下，将1.92 g铜粉投入一定量的浓硝酸中，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1.12 L，则混合气体中NO的体积为( )
A．112 mL B．1 008 mL
C．224 mLD．448 mL
解析：选A 混合气体的总物质的量为1.12 L÷22.4 L·ml－1＝0.05 ml,1.92 g铜粉的物质的量为0.03 ml。设NO的物质的量为n1 ml，则NO2的物质的量为(0.05－n1)ml，根据得失电子守恒得3n1＋(0.05－n1)×1＝0.03×2，解得n1＝0.005，则V(NO)＝0.005 ml×22.4 L·ml－1＝0.112 L＝112 mL。
2．将3.84 g铜粉与一定量的浓硝酸反应，当铜完全反应时，溶液中的NOeq \\al(－,3)减少0.1 ml，则反应所消耗HNO3的物质的量是( )
A．0.1 ml B．0.11 ml
C．0.16 mlD．0.22 ml
解析：选D 方法①：Cu完全反应，与之反应的HNO3分为两部分，一部分体现出酸性，生成Cu(NO3)2，仍然在溶液中，另一部分体现出氧化性，生成NO2或者NO2和NO的混合气体；根据N元素守恒，体现出酸性的n(HNO3)＝2n(Cu)＝2×eq \f(3.84 g,64 g·ml－1)＝0.12 ml，体现出氧化性的n(HNO3)等于溶液中减少的NOeq \\al(－,3)的物质的量，为0.1 ml，则反应消耗的HNO3的总物质的量为0.12 ml＋0.1 ml＝0.22 ml；
方法②：假设x ml的Cu与浓硝酸反应，y ml的Cu与稀硝酸反应，则x＋y＝0.06,2x＋eq \f(2,3)y＝0.1，联立方程组解得x＝0.045，y＝0.015，则消耗的HNO3的物质的量为4×0.045 ml＋eq \f(8,3)×0.015 ml＝0.22 ml。
3．现有稀硫酸和稀硝酸的混合溶液，已知其中稀硫酸和稀硝酸的浓度均为2 ml·L－1。取10 mL混合酸，向其中加入1.92 g铜粉，反应结束后，在标准状况下可收集到的气体体积为(假设HNO3只被还原为NO)( )
A．0.224 LB．0.336 L
C．0.448 LD． 0.672 L
解析：选B 10 mL混合酸中：n(H＋)＝0.01 L×2×2 ml·L－1＋0.01 L×2 ml·L－1＝0.06 ml，n(NOeq \\al(－,3))＝0.01 L×2 ml·L－1＝0.02 ml。1.92 g Cu的物质的量为1.92 g÷64 g·ml－1＝0.03 ml，根据下式：
3Cu＋2NOeq \\al(－,3)＋ 8H＋===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O
3 2 8
0.03ml 0.02ml 0.08ml
知0.03 ml Cu完全反应消耗0.02 ml NOeq \\al(－,3)和0.08 ml H＋，所消耗H＋的物质的量大于0.06 ml H＋，故H＋不足，则由离子方程式可知生成NO的物质的量为0.06 ml×eq \f(2,8)＝0.015 ml，标况下生成NO的体积为0.015 ml×22.4 L·ml－1＝0.336 L。
4．在铜跟稀硝酸的反应中，如果有1 ml硝酸被还原，则被氧化的铜的物质的量为________ml。若将产生的气体(NO)和一定量的O2混合通入水中，恰好完全溶解，需要O2________L。(气体的体积都按标准状况下计算)
解析：3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，在反应中硝酸起酸性和氧化性作用，每有8 ml HNO3参加反应时，其中只有2 ml HNO3起氧化作用。则有
Cu ～ 被还原的HNO3 ～ NO
3 ml 2 ml 2 ml
n(Cu) 1 ml n(NO)
据题意得n(Cu)＝1.5 ml，n(NO)＝1 ml。
方法一：化学方程式法
4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3
1 ml eq \f(3,4) ml
V(O2)＝eq \f(3,4) ml×22.4 L·ml－1＝16.8 L。
方法二：得失电子守恒法
反应3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O中Cu失去的电子数＝HNO3中，N得到的电子数；
反应4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3中，NO中N失去的电子数＝O2中O得到的电子数，而两反应(HNO3先生成NO，NO再生成HNO3)中，N得到的电子数＝N失去的电子数。所以有Cu失去的电子数＝O2中的O得到的电子数，表达式为n(Cu)×2＝n(O2)×4，即n(O2)＝0.5n(Cu)＝0.5×1.5 ml＝0.75 ml，V(O2)＝0.75 ml×22.4 L·ml－1＝16.8 L。
答案：1.5 16.8
eq \a\vs4\al(人类活动对氮循环和环境的影响)
1．人类活动对氮循环和环境的影响
2．减少人类活动对氮循环和环境的影响措施
(1)控制进入大气、土壤和水体中含有氮元素的物质的量。
(2)增强生态系统对含有氮元素的物质的吸收能力。
1．“保护环境，就是保护人类自己。”下列环境问题与产生的主要原因不相符的是( )
①“臭氧空洞”主要是大量使用氟氯代烃等引起的
②“光化学烟雾”主要是由NO2等引起的
③“酸雨”主要是由空气中CO2浓度增大引起的
④“白色污染”主要是由聚乙烯塑料等引起的
⑤“温室效应”主要是由空气中CO2浓度增大引起的
⑥“赤潮”主要是由水体中P、N等元素过量引起的
A．①②④ B．②③⑤
C．⑤⑥D．只有③
解析：选D “酸雨”有硫酸型和硝酸型两种类型，造成硫酸型酸雨的气体是SO2，造成硝酸型酸雨的气体是氮氧化物。
2．化学与环境密切相关，下列有关说法错误的是( )
A．CO2、NO2或SO2都会导致酸雨的形成
B．对酸性物质的排放加以控制，开发新清洁能源是减少酸雨的有效措施
C．NO2、NO等氮氧化物是形成光化学烟雾的主要污染物
D．大气中CO2含量的增加会导致温室效应加剧
解析：选A CO2是空气的成分之一，酸雨是指pH<5.6的雨水，NO2和SO2排放到空气中易形成酸雨，CO2不会导致酸雨，故A说法错误。
3．某城市对大气进行监测，发现该市首要污染物为可吸入颗粒物PM2.5(直径小于等于2.5 μm的悬浮颗粒物)，其主要来源为燃煤、机动车尾气等。因此，对PM2.5、SO2、NOx等进行研究具有重要意义。请回答下列问题：
(1)将PM2.5样本用蒸馏水处理制成待测试样。测得该试样中所含水溶性无机离子的化学组分及其平均浓度如下表：
根据表中数据判断待测试样为______(填“酸”或“碱”)性，表示该试样酸碱性的c(H＋)或c(OH－)＝________ml·L－1。
(2)煤燃烧排放的烟气中含有SO2和NOx，易形成酸雨，污染大气，采用NaClO2溶液在碱性条件下可对烟气进行脱硫、脱硝，效果非常好。完成下列对烟气脱硝过程的离子方程式。
( )ClOeq \\al(－,2)＋( )NO＋( )OH－===( )Cl－＋( )NOeq \\al(－,3)＋________
(3)为减少SO2对环境的污染，常将煤炭转化为清洁的气体燃料，并将烟气进行处理，吸收其中的SO2。
①写出焦炭与水蒸气反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
②以下物质可以用来吸收烟气中的SO2的是________(填字母)。
a．Ca(OH)2 b．Na2CO3
c．CaCl2 d．NaHSO3
(4)汽车尾气中NOx和CO的生成及转化。
①汽车启动时汽缸温度高，汽缸中会生成NO，化学方程式为________________________________________________________________________。
②汽车燃油不完全燃烧时会产生CO。在汽车尾气系统中装上催化转化器可使CO和NO反应转化为无污染、无毒性的两种气体，其反应的化学方程式为________________________________________________________________________。
解析：(1)根据表格数据，试样中所含水溶性无机离子所带电荷总数是c(K＋)＋c(Na＋)＋c(NHeq \\al(＋,4))－2c(SOeq \\al(2－,4))－c(NOeq \\al(－,3))－c(Cl－)＝4×10－6＋6×10－6＋2×10－5－2×4×10－5－3×10－5－2×10－5 ＝(－1)×10－4，根据溶液的电中性原则，溶液中应该含有带正电荷的氢离子，且c(H＋)＝1.0×10－4 ml·L－1，所以溶液呈酸性；(2)ClOeq \\al(－,2)中氯元素的化合价由＋3降低为－1，NO中N元素的化合价由＋2升高为＋5，根据得失电子守恒、电荷守恒、元素守恒得，烟气脱硝过程的离子方程式为3ClOeq \\al(－,2)＋4NO＋4OH－===3Cl－＋4NOeq \\al(－,3)＋2H2O；(3)①焦炭与水蒸气反应生成CO和H2，反应的化学方程式是C＋H2O(g) eq \(=====,\s\up7(高温))CO＋H2；
②SO2是酸性氧化物，能被碱性溶液吸收，Ca(OH)2呈碱性，能吸收SO2生成亚硫酸钙和水；Na2CO3呈碱性，能吸收SO2；CaCl2与SO2不反应 ；NaHSO3与SO2不反应；故选ab；(4)①汽车启动时汽缸温度高，氮气和氧气在汽缸中生成NO，化学方程式为N2＋O2eq \(=====,\s\up7(高温))2NO；②在汽车尾气系统中装上催化转化器可使CO和NO反应转化为氮气和二氧化碳，其反应的化学方程式为2CO＋2NOeq \(=====,\s\up7(催化剂))2CO2＋N2。
答案：(1)酸 10－4 (2)3 4 4 3 4 2H2O
(3)①C＋H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))CO＋H2 ②ab (4)①N2＋O2高温,2NO ②2CO＋2NOeq \(=====,\s\up7(催化剂))2CO2＋N2
[分级训练·课课过关]
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．久置的浓硝酸会变为稀硝酸
C．金属与硝酸反应不产生氢气
D．稀硝酸与铁反应而浓硝酸与铁不反应
解析：选D A项，浓硝酸不稳定，在见光或受热时分解生成二氧化氮、氧气和水，正确；B项，浓硝酸易挥发，久置的浓硝酸因挥发变为稀硝酸，正确；C项，硝酸具有强氧化性，能被金属还原生成氮的化合物，没有H2生成，正确；D项，常温下，浓硝酸和Fe、Al发生氧化还原反应在Fe、Al表面生成一层致密的氧化物薄膜而阻止反应进一步进行，该现象称为钝化，所以浓硝酸可与铁发生反应，错误。
2.如图是产生和收集气体的实验装置示意图，该装置适合于( )
A．用浓硝酸和Cu制取NO2
B．用浓盐酸和MnO2制取Cl2
C．用H2O2溶液和MnO2制取O2
D．用NH4Cl和Ca(OH)2制取NH3
解析：选C 由装置可知制取气体时不需要加热，并且能用排水法收集气体。A项，二氧化氮与水反应，不能用排水法收集，错误；B项，用二氧化锰和浓盐酸制氯气需要加热，且Cl2也可以与H2O反应，不能用排水法收集，错误；D项，用NH4Cl和Ca(OH)2制氨气需要加热，且氨气极易溶于水，不能用排水法收集，错误。
3．下列因果关系表述不正确的是( )
解析：选A 植物光合作用会吸收二氧化碳，大量植树造林不会导致温室效应，A错误；SO2和NO2气体大量排放，最终会转变成硫酸和硝酸，形成酸雨，B正确；氮、磷是植物的营养元素，含氮、磷等生活废水的大量排放，会导致水体富营养化，藻类“疯长”，引发水华、赤潮，C正确；汽车尾气的大量排放，会产生氮氧化物，从而造成光化学烟雾，D正确。
4．在200 mL 5 ml·L－1稀硝酸中加入19.2 g铜粉，待充分反应，判断下列说法正确的是(忽略反应前后溶液体积的变化)( )
A．反应中转移电子的物质的量为0.6NA
B．标准状况下，产生NO2气体的体积为4.48 L
C．反应后，H＋的物质的量浓度为1.0 ml·L－1
D．被还原的HNO3的物质的量为0.6 ml
解析：选C 铜的物质的量n＝eq \f(m,M)＝0.3 ml，硝酸的物质的量n＝cV＝0.2 L×5 ml·L－1＝1 ml，据铜与稀硝酸反应的化学方程式3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O可知，铜不足，故转移电子数、反应消耗的HNO3的量、被还原的HNO3的量，均利用铜计算。0.3 ml铜反应转移0.6 ml电子，故A错误；铜与稀硝酸反应产生NO气体，故B错误；根据化学方程式知0.3 ml铜消耗0.8 ml HNO3，剩余0.2 ml HNO3，剩余HNO3的物质的量浓度为c＝eq \f(0.2 ml,0.2 L)＝1 ml·L－1，溶液中H＋的物质的量浓度为1.0 ml·L－1，故C正确；根据化学方程式知8 ml HNO3参加反应，其中只有2 ml参与氧化还原反应，故0.8 ml HNO3参加反应，被还原的HNO3的物质的量为0.2 ml，故D错误。
5．如图是一套气密性良好的装置。
(1)当打开止水夹a和b，通过注射器将浓硝酸压入玻璃管中，稍后，玻璃管中的实验现象是________________________________________。NaOH溶液的作用____________________________。
(2)若用止水夹夹住锥形瓶与玻璃管之间的胶管，打开止水夹b，用分液漏斗滴加稀HNO3，则玻璃管内发生主要反应的化学方程式是______________________________
__________________________________________。
解析：(1)将浓硝酸压入玻璃管中，发生反应：Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，因此玻璃管内的现象为铜丝不断溶解、充满红棕色气体、最终得到蓝色溶液；NaOH溶液的作用是吸收有毒的NOx气体，防止污染空气。
(2)从分液漏斗滴入的稀硝酸与玻璃管内的铜丝反应。
答案：(1)铜片不断溶解、充满红棕色气体，溶液最终呈蓝色 吸收尾气中的有毒气体
(2)3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
实验序号
实验装置及操作
实验现象
实验结论
实验1
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
实验2
观察浓硝酸的颜色
呈淡黄色
浓硝酸分解产生的NO2溶于其中，使浓硝酸呈淡黄色，化学方程式为4HNO3eq \(=======,\s\up7(受热或光照))4NO2↑＋O2↑＋2H2O
实验3
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HNO3和稀HNO3都能与铜发生反应，前者生成NO2，后者生成NO，反应的化学方程式依次为4HNO3(浓)＋Cu===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O；8HNO3(稀)＋3Cu===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
实验4
A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
Fe在浓HNO3中发生钝化。Fe与过量稀HNO3反应生成NO气体，同时生成Fe(NO3)3
选项
实验操作
实验现象
实验解释或结论
A
过量的铁粉中加入稀硝酸，充分反应后，滴入KSCN溶液
溶液呈红色
稀硝酸将Fe氧化为Fe3＋
B
常温下，Fe、Al放入浓硝酸或浓硫酸中
无明显现象
Fe、Al与浓硝酸或浓硫酸不反应
C
铝箔插入稀硝酸中
无明显现象
铝箔表面被硝酸氧化，形成致密的氧化膜
D
用玻璃棒蘸取浓硝酸点到蓝色石蕊试纸上
试纸先变红色后褪色
浓硝酸具有酸性和强氧化性
反应物量的关系
HNO3过量
Fe过量
恰好反应
产物
Fe(NO3)3
Fe(NO3)2
Fe(NO3)3或Fe(NO3)2或二者的混合物
离子
K＋
Na＋
NHeq \\al(＋,4)
SOeq \\al(2－,4)
NOeq \\al(－,3)
Cl－
浓度/(ml·L－1)
4×
10－6
6×
10－6
2×
10－5
4×
10－5
3×
10－5
2×
10－5
选项
原因
结果
A
大量植树造林
温室效应
B
SO2和NO2气体的大量排放
酸雨
C
含氮、磷等生活废水的大量排放
水华、赤潮
D
汽车尾气的大量排放
光化学烟雾