版高中化学专题4硫氮和可持续发展第二单元生产生活中的含氮化合物第3课时学案苏教版必修1.docx
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第3课时 硝酸的性质
[学习目标定位] 1.掌握硝酸的重要性质和应用。
2.了解硝酸的工业制法。
3.能依据化合价升降法配平氧化还原反应方程式。
一、硝酸的性质
1.在两支试管中各放入一小块铜片,分别加入少量4mol·L-1的稀硝酸和15mol·L-1的浓硝酸,立即用蘸有氢氧化钠溶液的棉花封住试管口,观察试管中发生的现象。
(1)实验现象:
反应开始后两支试管中都有气泡产生。
加入浓HNO3的试管反应强烈,放出红棕色气体,溶液呈绿色,加水后变成蓝色;加入稀HNO3的试管反应缓慢,放出无色气体,生成蓝色溶液。
(2)结论:
浓、稀硝酸都与铜反应,浓HNO3与铜反应生成的气体为NO2;稀HNO3与铜反应生成的气体为NO。
①铜与浓HNO3反应的化学方程式:
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O;
②铜与稀HNO3反应的化学方程式:
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
2.将上述实验中的金属铜换成少量金属铁进行相同的实验,观察发生的现象。
(1)实验现象:
加入浓硝酸的试管中,铁片没有明显变化。
加入稀硝酸的试管中,有气泡产生,在试管口上方,无色气体变成了红棕色,溶液变为棕黄色。
(2)实验结论:
Fe在常温下遇到浓HNO3发生钝化现象。
稀硝酸与铁反应生成了NO,NO遇空气后又生成了NO2。
(3)反应的化学方程式:
Fe+4HNO3(稀)===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O(铁不足),2NO+O2===2NO2。
3.硝酸能与非金属单质反应,写出下列反应的化学方程式:
(1)浓硝酸将木炭氧化成二氧化碳:
C+4HNO3(浓)
CO2↑+4NO2↑+2H2O。
(2)浓硝酸将硫氧化成硫酸:
S+6HNO3(浓)===H2SO4+6NO2↑+2H2O。
4.浓HNO3见光易分解,反应的化学方程式为4HNO3
2H2O+4NO2↑+O2↑。
1.硝酸具有强氧化性
(1)能将大多数金属(如铜等)氧化成高价金属的硝酸盐,浓硝酸生成NO2,稀硝酸生成NO。
浓硝酸的氧化性强于稀硝酸。
(2)常温下,浓硝酸能使铁、铝发生钝化,这是因为浓硝酸将铁、铝容器表面氧化,形成致密的氧化物薄膜。
若在加热条件下,氧化膜被破坏,从而使反应继续进行。
(3)浓HNO3与非金属反应,还原产物一般是NO2,而非金属一般被氧化成最高价氧化物或相应的最高价含氧酸。
(4)在中性、碱性溶液里的NO
不能表现出强氧化性,而在酸性溶液里的NO
能表现出强氧化性,因此,在酸性溶液里NO
不能与Fe2+、I-、S2-、SO
等还原性离子大量共存。
2.浓硝酸具有不稳定性
浓HNO3受热或见光容易分解,硝酸越浓,越易分解。
硝酸分解有NO2产生,溶于硝酸中呈黄色。
实验室保存硝酸的方法是保存在棕色瓶里,放置阴凉处。
提醒
(1)金属与HNO3反应不产生H2。
(2)硝酸越稀,还原产物中N元素的化合价越低,如不活泼金属与HNO3反应,浓HNO3被还原为NO2,稀HNO3被还原为NO。
【例1】 在下列反应中,HNO3既表现出氧化性,又表现出酸性的是( )
A.H2S+2HNO3===S↓+2NO2↑+2H2O
B.CuO+2HNO3===Cu(NO3)2+H2O
C.4HNO3
4NO2↑+O2↑+2H2O
D.3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
答案 D
解析 A中HNO3只表现氧化性;B中HNO3只表现酸性;C中HNO3既表现氧化性,又表现还原性;D中HNO3既表现氧化性,又表现酸性。
【例2】 将相同质量的铜分别和过量浓硝酸、稀硝酸反应,则下列叙述中正确的是( )
A.反应速率:
两者相同
B.消耗硝酸的物质的量:
前者多,后者少
C.反应生成气体的颜色:
前者浅,后者深
D.反应中转移的电子总数:
前者多,后者少
答案 B
解析
A
×
浓硝酸的氧化性强于稀硝酸,故Cu与浓硝酸的反应速率快
B
√
由Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,Cu+
HNO3(稀)===Cu(NO3)2+
NO↑+
H2O,可以看出相同质量的铜消耗浓硝酸较多
C
×
铜与浓硝酸反应生成的NO2是红棕色气体,而与稀硝酸反应生成的NO是无色气体
D
×
由于反应中转移的电子数都等于铜失去的电子数,故转移的电子数相等
二、硝酸的工业制法
1.硝酸工业制备的过程,反应原理及主要设备如下:
2.在工业生产中,NO2溶于水生成的NO不会排空,而是再用过量的空气使其氧化为NO2,再被水吸收,经过多次氧化和吸收,NO2可完全转化为HNO3。
也就是从理论上讲,NH3中的氮元素完全转化为HNO3中的氮元素。
3.从吸收塔出来的气体中尚有少量NO和NO2,不能直接排放到空气中,以免造成污染。
常用碱液(NaOH)来吸收,变废为宝。
(1)NO+NO2+2NaOH===2NaNO2+H2O;
(2)2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O。
1.硝酸工业制法流程图
2.氨及其化合物之间的相互转化关系
【例3】 在NH3、HNO3、H2SO4的工业生产中,具有的共同点是( )
A.使用吸收塔设备
B.使用尾气吸收装置
C.使用H2作原料
D.使用催化剂
答案 D
解析 NH3的工业生产中不使用吸收塔,也不使用尾气吸收装置;H2SO4的工业生产中不使用H2作原料;D正确,有关反应的化学方程式分别为3H2+N2
2NH3,4NH3+5O2
4NO+6H2O,2SO2+O2
2SO3。
【例4】 下列关于工业制硫酸和硝酸的说法中不正确的是( )
A.工业制硝酸是将NO2溶于水,需要通氧气
B.工业制硫酸会产生SO2和SO3尾气
C.工业制硫酸应对SO2进行循环利用
D.工业制硝酸和硫酸排放的尾气是造成酸雨的主要原因
答案 D
解析 工业制硝酸过程中要不断通入氧气,以提高NO、NO2的原料利用率和减少尾气排放,A项正确;工业生产中尾气经过循环利用和处理达标后才允许排放,空气中的SO2主要来自煤燃烧,特别是生活锅炉,尾气处理较差,数量庞大,是形成酸雨的主要原因,D项错误。
1.浓、稀HNO3与Cu反应,浓HNO3与碳反应的化学方程式分别为
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O;
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O;
C+4HNO3(浓)
CO2↑+4NO2↑+2H2O。
2.在常温下,铁、铝遇到浓HNO3发生钝化。
3.工业制HNO3的反应
①4NH3+5O2
4NO+6H2O;
②2NO+O2===2NO2;
③3NO2+H2O===2HNO3+NO。
1.下列说法正确的是( )
A.浓硝酸和浓H2SO4都应保存在棕色试剂瓶中
B.NaOH溶液用带有橡胶塞的试剂瓶保存
C.工业制得的浓盐酸、浓硝酸通常带有黄色是Fe3+所致
D.铝制或铁制容器可贮运浓硫酸、浓硝酸和浓盐酸这三大强酸
答案 B
解析 A项,浓HNO3见光或受热易分解,应保存在棕色试剂瓶中并密封置于阴凉处,浓H2SO4应密封置于干燥处,不必保存在棕色瓶中;B项,NaOH易与玻璃中的SiO2反应,不宜用玻璃塞,应用橡胶塞;C项,浓盐酸显黄色,是由于含Fe3+,浓HNO3显黄色是由于它分解产生了NO2,NO2又溶于其中的缘故;D项,铁、铝遇冷的浓H2SO4、浓HNO3钝化,但Fe、Al均可与浓盐酸反应。
2.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,氧化铜再跟稀硝酸反应。
以下叙述正确的是( )
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:
途径③>途径①>途径②
D.所消耗硝酸的物质的量:
途径①>途径②>途径③
答案 D
解析 有关反应:
①Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
②3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
③2Cu+O2
2CuO,CuO+2HNO3(稀)===Cu(NO3)2+H2O
分析以上三组反应,可以看出:
生成相同质量的Cu(NO3)2,消耗相同质量的铜,但消耗硝酸的质量(或物质的量)不相同,途径①消耗HNO3的量最多,途径②次之,途径③消耗HNO3的量最少。
通过比较可以看出,生产Cu(NO3)2,途径③效果最佳,既不造成污染,又能提高HNO3的利用率。
3.下列有关实验设计、实验现象和解释或结论都正确的是( )
选项
实验设计
实验现象
解释或结论
A
向过量的Fe粉中加入稀HNO3,充分反应后,滴入KSCN溶液
溶液呈血红色
稀HNO3将Fe氧化为Fe3+
B
常温下将铝和铁放入浓硝酸中
钝化
铝和铁与浓HNO3不反应
C
向某溶液中加入CCl4
液体分层,下层CCl4显紫色
原溶液中存在I-
D
用玻璃棒蘸取浓氨水点到红色石蕊试纸上
试纸变蓝色
浓氨水呈碱性
答案 D
解析 硝酸和铁反应生成硝酸铁,铁过量时,铁和Fe3+反应生成亚铁离子,滴入硫氰化钾溶液不呈血红色,A项错;常温下,铝和铁在浓HNO3中生成一层氧化物保护膜,阻止了反应继续进行,不是不发生反应,B项错;原溶液中含有碘单质,不是碘离子,C项错;红色石蕊试纸遇碱变蓝色,D项正确。
4.某实验过程如下图所示:
则试管③中的现象是( )
A.无明显现象,因稀H2SO4不与铜反应
B.铜片溶解,产生无色气体,该气体遇到空气不变色
C.铜片溶解,放出红棕色有刺激性气味的气体
D.铜片溶解,产生无色气体,该气体在试管口变为红棕色
答案 D
解析 稀HNO3与金属铜反应的实质是3Cu+8H++2NO
===3Cu2++2NO↑+4H2O。
在①中,反应完全后溶液中含有NO
;而在③中,当继续滴入稀H2SO4后,新加入的H+和原溶液中的NO
可继续与过量的Cu反应放出无色NO气体,NO遇O2后生成红棕色NO2。
5.
(1)在浓硝酸中放入铜片:
①开始时反应的化学方程式为___________________________________________________,
实验现象为___________________________________________________________。
②若铜有剩余,则反应将要结束时反应的化学方程式为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)若1.92gCu粉与一定量浓HNO3反应,当Cu完全反应时,收集到标准状况下1.12L气体,则消耗硝酸______mol,生成NO2______mol。
(3)若向Cu中加入硫酸和硝酸的混酸溶液制取CuSO4溶液,则混酸中硫酸与硝酸的最佳物质的量之比为__________________。
答案
(1)①Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 铜片逐渐消失,溶液逐渐变绿,有红棕色气体逸出
②3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
③加入稀硫酸后,H+与原溶液中的NO
构成强氧化性的条件,又能与过量的Cu反应
(2)0.11 0.045 (3)3∶2
解析
(1)随反应的进行,硝酸的浓度减小,停止反应时溶液中存在Cu(NO3)2,再加稀H2SO4,则溶液中的NO
在酸性条件下将剩余的铜氧化。
(2)参加反应的HNO3包括被还原的HNO3和起酸性作用的HNO3,表现酸性的HNO3为
×2=0.06mol,被还原的HNO3为
=0.05mol,故参加反应的
HNO3为0.05mol+0.06mol=0.11mol。
设标准状况下1.12L气体中,含NOxmol、NO2ymol。
则
解之得
(3)Cu、H+、NO
恰好完全反应时混酸中H2SO4和HNO3的比例最佳。
3Cu+8H++2NO
===3Cu2++2NO↑+4H2O
设H2SO4与HNO3的物质的量分别为x、y,
则
=
,x∶y=3∶2。
[对点训练]
题组一 硝酸的性质及应用
1.下列各组物质均在试管里进行反应,反应过程中,在试管口观察不到红棕色气体出现的是( )
A.浓硝酸和铜片共热
B.浓硫酸和铜片共热
C.稀硝酸和铜片共热
D.浓硫酸和硝酸钾晶体、铜片共热
答案 B
2.在稀硫酸中加入铜粉,铜粉不溶,再加入下列物质
①FeCl3,②Fe2O3,③Cu(NO3)2,④KNO3,铜粉溶解的是( )
A.只有①或②B.只有②或①
C.只有①或②或③D.全部
答案 D
解析 铜粉在稀硫酸中不溶解,当加入①②两种物质时,相当于加入了Fe3+,会发生反应Cu+2Fe3+===2Fe2++Cu2+,铜粉会溶解,当加入③④两种物质时,相当于加入了NO
,会发生反应3Cu+8H++2NO
===3Cu2++2NO↑+4H2O。
因此上述物质中都可使其溶解。
3.能正确表示下列反应的离子方程式的是( )
A.向Fe(NO3)2稀溶液中加入盐酸:
3Fe2++4H++NO
===3Fe3++NO↑+2H2O
B.铜片与浓HNO3:
Cu+NO
+4H+===Cu2++NO↑+2H2O
C.氯化铵浓溶液跟浓NaOH溶液混合后加热:
NH
+OH-
NH3·H2O
D.碳酸氢铵溶液与足量的NaOH溶液混合后加热:
NH
+OH-
NH3↑+H2O
答案 A
解析 B项,Cu+4H++2NO
===Cu2++2NO2↑+2H2O;C项,NH
+OH-
NH3↑+H2O;D项,HCO
+NH
+2OH-
CO
+2H2O+NH3↑。
4.碳跟浓硫酸共热产生的气体X和铜跟浓硝酸反应产生的气体Y同时通入盛有足量氯化钡溶液的洗气瓶中(如图装置),下列有关说法正确的是( )
①洗气瓶中产生的沉淀中有碳酸钡
②从Z导管出来的气体中无二氧化碳
③洗气瓶中产生的沉淀是硫酸钡
④在Z导管口有红棕色气体出现
A.①②B.③④
C.①④D.②③
答案 B
解析 碳与浓硫酸共热产生的X气体为CO2和SO2的混合气体,铜与浓硝酸反应产生的Y气体是NO2,SO2+H2O+NO2===H2SO4+NO,故洗气瓶中产生的是硫酸钡沉淀,Z处逸出的气体中有CO2和NO,NO遇到空气中的氧气生成了红棕色的NO2,二氧化碳不与氯化钡反应,所以没有BaCO3生成。
5.等质量的铜分别与足量的浓硝酸和稀硝酸完全反应,在相同条件下用排水法收集产生的气体,下列叙述中正确的是( )
A.硝酸的浓度越大,消耗的硝酸越少
B.硝酸的浓度不同,生成硝酸铜的物质的量也不相同
C.硝酸的浓度越大,生成的气体越少
D.两者用排水法收集的气体的体积相同
答案 D
解析 铜与浓硝酸、稀硝酸反应的化学方程式分别如下:
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
因硝酸足量,故铜完全反应,则与浓硝酸、稀硝酸反应的铜的质量相等,所消耗的硝酸、生成的硝酸铜、产生的气体均按等质量的铜计算。
由上述反应可知,反应掉等质量的铜时,消耗的浓硝酸更多,两者产生的硝酸铜一样多,与浓硝酸反应时产生更多的气体。
所以A、B、C选项均不正确,D选项正确。
D选项的分析可采用下列方法:
设参加反应的铜为3mol,则与浓硝酸反应后生成6molNO2,与稀硝酸反应生成2molNO,当用排水法收集时,NO2发生反应:
3NO2+H2O===2HNO3+NO,6molNO2反应后变成2molNO气体,所以两种情况下最终得到的气体都是2mol。
6.等质量的下列物质与足量稀硝酸反应,放出NO物质的量最多的是( )
A.FeOB.Fe2O3
C.FeSO4D.Fe3O4
答案 A
解析 根据得失电子守恒,还原剂提供的电子越多,氧化剂硝酸生成的NO的物质的量就越多。
1g题述四种物质能提供的电子的物质的量为
A项
×1mol;B项0;C项
×1mol;
D项
×1mol(Fe3O4也可以写为Fe2O3·FeO),等质量时提供电子的物质的量最多的为FeO。
题组二 硝酸与金属反应的计算
7.将2.56gCu和一定量的浓HNO3反应,随着Cu的不断减少,反应生成气体的颜色逐渐变浅,当Cu反应完毕时,共收集到气体1.12L(标准状况),则反应中消耗HNO3的物质的量为( )
A.0.05molB.1mol
C.1.05molD.0.13mol
答案 D
解析 参加反应的硝酸由两部分构成,一是被还原为氮氧化物的硝酸,为0.05mol;二是作酸,生成Cu(NO3)2的硝酸,为0.08mol。
8.铜跟稀硝酸反应中,如果有63g硝酸被还原,则被氧化的铜的物质的量为( )
A.
molB.
mol
C.3molD.
mol
答案 D
解析 根据得失电子守恒可知
×(5-2)=n×2,
解得n=
mol。
9.1L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.2.4gB.3.2g
C.6.4gD.9.6g
答案 D
解析 据反应原理写出反应的离子方程式为
3Cu+2NO
+8H+===3Cu2++2NO↑+4H2O
0.1mol0.9mol
可知混合溶液中H+过量
则根据n(NO
)计算溶解铜粉的质量:
m(Cu)=
=9.6g。
10.14g铜、银合金与一定量某浓度的硝酸溶液完全反应,将放出的气体与1.12L(标准状况下)氧气混合通入水中,恰好全部被水吸收,则合金中铜的质量是( )
A.9.6gB.6.4g
C.3.2gD.4.8g
答案 C
解析 Cu、Ag合金与HNO3反应的过程如下:
本题用终态法解答比较简单。
从整个变化过程中可以看出,Cu失去电子变成Cu2+,Ag失去电子变成Ag+,HNO3在反应过程中实际上没有变化,而O2得到电子变成-2价氧。
所以在整个过程中14gCu、Ag失去的电子总数等于0.05molO2得到的电子数。
设Cu的物质的量为x,Ag为y,则:
解得
所以铜的质量为m(Cu)=64g·mol-1×0.05mol=3.2g。
[综合强化]
11.硝酸铵是一种常用的化肥,其工业生产流程如下,请回答下列问题。
(1)写出反应容器B中发生反应的化学方程式:
______________________________________
________________________________________________________________________。
(2)吸收塔C中通入空气的目的是________________________________;C、D两个反应容器中发生的反应,属于氧化还原反应的是________(填反应容器代号)。
(3)浓硝酸一般保存在棕色试剂瓶里,并放置在阴凉处,用化学方程式解释原因:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)金属铜与稀硝酸反应的离子方程式是____________________________________
________________________________________________________________________,
该反应中稀硝酸表现的性质是_____________________________________________。
答案
(1)4NH3+5O2
4NO+6H2O
(2)将一氧化氮氧化成二氧化氮 C
(3)4HNO3
4NO2↑+O2↑+2H2O
(4)3Cu+8H++2NO
===3Cu2++2NO↑+4H2O 酸性和氧化性
解析 由NH4NO3的工业生产流程可知,N2与H2在铁砂网的作用下反应产生NH3,NH3在Pt-Rh合金作用下加热被空气中的O2氧化为NO和水,NO在吸收塔中与O2反应产生NO2,NO2被水吸收得到HNO3和NO。
HNO3与NH3作用生成NH4NO3。
(1)反应容器B中发生反应的化学方程式为4NH3+5O2
4NO+6H2O。
(2)在吸收塔C中通入空气的目的是将NO氧化成NO2;在C中发生反应:
2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO。
在D中发生反应:
HNO3+NH3===NH4NO3。
前两个反应是氧化还原反应,第三个反应不是氧化还原反应。
所以发生氧化还原反应的容器为C。
(3)浓硝酸不稳定,光照容易分解,温度越高越容易分解,为防止浓硝酸的分解,常把浓硝酸保存在棕色试剂瓶中,放在冷暗处。
分解的化学方程式为4HNO3
4NO2↑+O2↑+2H2O。
(4)硝酸有强氧化性,不仅能把活泼的金属氧化,还能把不活泼的金属如Cu氧化。
金属Cu与稀硝酸反应的离子方程式为3Cu+8H++2NO
===3Cu2++2NO↑+4H2O。
在该反应中一部分HNO3中的N元素由+5价变为+2价,得到电子,被还原,表现氧化性,还有一部分HNO3中的N元素的化合价没有变化,提供酸根离子用来形成硝酸盐,起酸的作用,故硝酸的作用是酸性和氧化性。
12.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”的实验,以探究化学实验的绿色化。
(固定装置略去)
(1)实验前,关闭活塞b,向试管d中加水至浸没长导管口,塞紧试管c和d的胶塞,加热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2mL浓硝酸,c中反应的化学方程式是________________________________________。
再由a向c中加2mL蒸馏水,c中的实验现象是_______________
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