福建專用新教材高中化學第3章物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化第3節(jié)第3課時硝酸的性質(zhì)人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響學案魯科版必修

第3課時硝酸的性質(zhì)人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響一、硝酸的性質(zhì)1．實驗探究硝酸的性質(zhì)：實驗裝置及操作實驗現(xiàn)象瓶口產(chǎn)生白霧，聞到刺激性氣味反應緩慢，有少量氣泡產(chǎn)生，溶液變藍反應劇烈，有大量氣泡產(chǎn)生，溶液變藍無明顯現(xiàn)象2.物理性質(zhì)：顏色狀態(tài)氣味密度特性無色液態(tài)刺激性ρHNO3＞ρH2O易揮發(fā)3．化學性質(zhì)：(1)酸的通性：電離方程式為HNO3=H＋＋NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))。硝酸能使酸堿指示劑發(fā)生顏色變化，能與金屬、堿、堿性氧化物等反應。(2)不穩(wěn)定性：濃硝酸受熱或見光分解，化學方程式為4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O。(3)強氧化性：4．用途：硝酸是一種重要的化工原料，可用于制造炸藥、染料等，也是實驗室里重要的化學試劑。二、人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響1．判斷下列說法是否正確：(1)常溫下鐵與濃硝酸反應，產(chǎn)生大量紅棕色氣體。()提示：×。常溫下鐵在濃硝酸中鈍化。(2)碳與硝酸在常溫下即可反應。()提示：×。碳與硝酸在加熱時方可反應。(3)氮氧化合物也可以形成酸雨。()提示：√。氮氧化合物和硫氧化合物都可以形成酸雨。2．教材P115“常溫下，濃硝酸可使鐵、鋁等金屬表面形成致密的氧化膜而鈍化，保護內(nèi)部的金屬不再與酸反應，所以可以用鐵質(zhì)或鋁質(zhì)容器盛放冷的濃硝酸。”那么在加熱條件下濃硝酸與鐵或者鋁反應嗎？提示：反應。在加熱條件下，濃硝酸與鐵或者鋁均反應，生成硝酸鹽及二氧化氮氣體。3．光化學煙霧是汽車、工廠等污染源排入大氣的碳氫化合物(HC)和氮氧化物(NOx)等一次污染物在陽光(紫外光)作用下發(fā)生光化學反應生成二次污染物所形成的煙霧污染現(xiàn)象，是氮氧化物與碳氫化合物在紫外線作用下生成的有害淺藍色煙霧。光化學煙霧有什么危害？提示：人和動物受到的主要傷害是眼睛的黏膜受刺激，頭疼、呼吸障礙、慢性呼吸道疾病惡化、兒童肺功能異常等。硝酸的氧化性濃硝酸是強氧化劑，遇有機物、木屑等能引起燃燒。含有痕量氧化物的濃硝酸幾乎能與除鋁和含鉻特殊鋼之外的所有金屬發(fā)生反應，而鋁和含鉻特殊鋼遇濃硝酸鈍化，與乙醇、松節(jié)油、焦炭，有機碎渣的反應非常劇烈。濃鹽酸和濃硝酸按體積比3∶1混合可以制成具有強腐蝕性的王水。硝酸的酸酐是五氧化二氮(N2O5)。硝酸的性質(zhì)預測(1)打開實驗室中保存已久的濃HNO3，除聞到有刺激性酸味外，還發(fā)現(xiàn)溶液呈黃色，為什么？提示：聞到刺激性酸味說明HNO3具有揮發(fā)性；保存已久的濃HNO3呈黃色的原因是HNO3能分解生成H2O、O2和NO2，NO2溶解在硝酸中使?jié)釮NO3呈黃色。4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O。(2)依據(jù)HNO3中氮的化合價和濃硝酸分解的產(chǎn)物NO2、O2，預測一下硝酸的性質(zhì)。提示：HNO3中氮元素處于最高價態(tài)，其能分解生成強氧化性物質(zhì)O2和NO2，因此HNO3具有強氧化性。硝酸性質(zhì)探究通過以下實驗分析硝酸的氧化性，并完成相關(guān)問題。(1)金屬活動性順序表中排在氫元素前的金屬與酸反應一定產(chǎn)生氫氣嗎？金屬活動性順序表中排在氫元素后的金屬與酸不反應嗎？提示：均不一定。如Fe與HNO3反應不產(chǎn)生氫氣，Cu與濃、稀硝酸均可以反應。(2)Fe、Al在常溫下不能溶于濃硝酸中，是因為Fe、Al不能與濃硝酸發(fā)生反應嗎？提示：不是。Fe、Al等金屬跟濃硝酸在常溫下發(fā)生鈍化現(xiàn)象，因而不能溶解，但是鈍化不代表不反應，而是在濃硝酸的作用下Fe、Al表面形成了一層致密的氧化膜，阻止了反應的進一步發(fā)生；但在加熱條件下可以劇烈反應。(3)Fe與稀硝酸反應時的產(chǎn)物與二者的用量有何關(guān)系？提示：硝酸過量：Fe＋4H＋＋NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))=Fe3＋＋NO↑＋2H2O；鐵過量：3Fe＋8H＋＋2NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))=3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O。(4)金屬與硝酸的反應中，硝酸起什么作用？分別是如何體現(xiàn)的？提示：①強氧化性：HNO3中＋5價的氮元素有很強的得電子能力。例如將Fe氧化為高價態(tài)的Fe3＋。②酸性：生成了鹽類物質(zhì)。例如Fe(NO3)3、Al(NO3)3。1．硝酸與金屬的反應：(1)硝酸能與除Au、Pt、Ti外的絕大多數(shù)金屬反應：如：2HNO3(濃)＋Ag=AgNO3＋NO2↑＋H2O；4HNO3(稀)＋3Ag=3AgNO3＋NO↑＋2H2O。(2)濃硝酸與Fe、Al的反應：(3)稀HNO3與Fe的反應：①Fe＋4HNO3(稀)=Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O。②3Fe(過量)＋8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。2．硝酸與金屬反應的有關(guān)計算：(1)原子守恒：n(HNO3)＝n(NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))＋n(還原產(chǎn)物中氮原子)。(2)電子守恒：硝酸與金屬反應屬于氧化還原反應，氮原子得到的電子數(shù)等于金屬原子失去的電子數(shù)。(3)電荷守恒：Mn＋和H＋所帶正電荷總數(shù)等于NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))所帶負電荷總數(shù)?！镜淅?2021·濟南高一檢測)濃硝酸正常情況下為無色透明液體。有窒息性刺激氣味。濃硝酸含量為68%左右，對于稀硝酸，一般我們認為濃稀之間的界線是6mol·L－1，市售普通試劑級硝酸濃度約為68%左右。在盛有一定量濃硝酸的試管中加入6.4g銅片，發(fā)生反應。請回答下列問題：(1)開始階段，觀察到的現(xiàn)象為________，反應的化學方程式是______。(2)反應結(jié)束后，銅片有剩余，再加入少量20%的稀硫酸，這時銅片上又有氣泡產(chǎn)生，反應的離子方程式是__________________________。(3)若6.4g銅片消耗完時，共產(chǎn)生氣體2.8L(標準狀況)。則整個反應過程中所消耗的HNO3的物質(zhì)的量為________。【解析】(1)因為濃硝酸的氧化性很強，可以將銅氧化，同時它本身被還原為紅棕色的NO2氣體，所以現(xiàn)象是銅片逐漸溶解，溶液由無色變?yōu)樗{色，產(chǎn)生紅棕色的氣體。(2)反應后的溶液中有NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，加入稀硫酸后，NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))會繼續(xù)氧化銅單質(zhì)。(3)起酸性作用的HNO3的物質(zhì)的量n(HNO3)＝2n(Cu)＝0.2mol；被還原的HNO3的物質(zhì)的量n(HNO3)＝eq\f(2.8L,22.4L·mol－1)＝0.125mol。故整個反應過程中所消耗的HNO3的物質(zhì)的量為0.2mol＋0.125mol＝0.325mol。答案：(1)銅片逐漸溶解，溶液由無色變?yōu)樗{色，產(chǎn)生紅棕色的氣體Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O(2)3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O(3)0.325mol(1)如何除去濃硝酸中的“黃色”？(關(guān)鍵能力——理解與辨析)提示：在濃硝酸中通入足量的氧氣，發(fā)生反應4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，使NO2轉(zhuǎn)化為硝酸，即可除去濃硝酸中的“黃色”。(2)足量的銅與濃硝酸反應，濃硝酸能否完全被還原？其還原產(chǎn)物可能是什么？(關(guān)鍵能力——創(chuàng)新與探究)提示：濃硝酸不可能完全被還原，因生成的硝酸銅溶液中仍有NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))；在反應過程中，硝酸的濃度逐漸減小，還原產(chǎn)物可能是NO2和NO的混合物。(3)將鐵粉溶于稀硝酸，鐵元素的存在形式可能為①________、②________、③________。(關(guān)鍵能力——歸納與整理)提示：反應關(guān)系：①eq\f(n（HNO3）,n（Fe）)≥4，F(xiàn)e(NO3)3；②eq\f(n（HNO3）,n（Fe）)≤eq\f(8,3)，F(xiàn)e(NO3)2；③eq\f(8,3)<eq\f(n（HNO3）,n（Fe）)<4，F(xiàn)e(NO3)3和Fe(NO3)2；①Fe(NO3)3②Fe(NO3)2③Fe(NO3)3和Fe(NO3)2【備選例題】(2021·濰坊高一檢測)在濃硝酸中放入銅片：(1)開始反應的化學方程式為__________，現(xiàn)象為_____。(2)若銅有剩余，則反應快要結(jié)束時的化學方程式是_________________。(3)待反應停止時，再加入少量質(zhì)量分數(shù)為25%的稀硫酸，這時銅片上又有氣泡產(chǎn)生，其原因是_______________________。(4)若將12.8g銅跟一定質(zhì)量的濃硝酸反應，銅消耗完時，共產(chǎn)生氣體5.6L(標準狀況)，則所消耗的硝酸的物質(zhì)的量是________?！窘馕觥?1)在濃硝酸中放入銅片，開始反應的化學方程式為Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。(2)隨著反應的進行，硝酸濃度不斷減小，故反應后期發(fā)生的是稀硝酸與銅的反應。(3)溶液中含有NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，加入稀硫酸后，H2SO4電離出H＋，H＋、NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))與Cu反應放出NO。(4)產(chǎn)生的5.6L(標準狀況)氣體是NO2和NO的混合氣體。根據(jù)氮原子守恒可知被還原的HNO3的物質(zhì)的量就是NO2和NO的物質(zhì)的量之和；再根據(jù)銅原子的物質(zhì)的量可以算出反應中未被還原的HNO3的物質(zhì)的量，從而可以求出參加反應的HNO3的總物質(zhì)的量。答案：(1)Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O銅片逐漸溶解，溶液由無色變?yōu)樗{色，有紅棕色氣體生成(2)3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O(3)溶液中含有NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，加入稀硫酸后，H2SO4電離出H＋，H＋、NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))與Cu發(fā)生反應：3Cu＋8H＋＋2NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O，產(chǎn)生NO氣體(4)0.65mol1．對于硝酸的物理性質(zhì)，下列敘述不正確的是()A．可以與水以任意比互溶B．不易揮發(fā)C．有刺激性氣味D．質(zhì)量分數(shù)在95%以上的濃硝酸為發(fā)煙硝酸【解析】選B。硝酸易揮發(fā)。2．下列塊狀金屬在常溫時，能全部溶于足量的濃硝酸的是()A．Au B．Cu C．Al D．Fe【解析】選B。Au與濃硝酸不反應，Al、Fe在常溫下遇濃硝酸鈍化，不能全部溶解，Cu能與濃硝酸反應，能全部溶于足量的濃硝酸中?！景胃哳}組】1．(2021·日照高一檢測)0.3mol銅和含1.2molHNO3的濃硝酸，充分反應后，生成NO2的量為()A．0.2mol B．0.6molC．小于0.6mol D．大于0.6mol【解析】選C。因銅與濃硝酸反應：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，隨著反應的進行，濃硝酸變稀，稀硝酸與銅反應：3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，所以放出的NO2小于0.6mol。2．下述實驗中均有紅棕色氣體產(chǎn)生，對比分析所得結(jié)論正確的是()①②③A.由①中的紅棕色氣體，可推知反應還有氧氣產(chǎn)生B.紅棕色氣體表明②中木炭與濃硝酸發(fā)生了反應C.由③不能說明濃硝酸具有氧化性D.③的氣體產(chǎn)物中檢測出CO2，由此說明木炭一定與濃硝酸發(fā)生了反應【解析】選A。A.濃硝酸具有不穩(wěn)定性，加熱條件下，濃硝酸分解生成紅棕色氣體為二氧化氮，則產(chǎn)生的氣體一定是混合氣體，還有氧氣產(chǎn)生，故A正確；B．在加熱條件下，濃硝酸自身也可分解生成二氧化氮，所以不能說明木炭與濃硝酸發(fā)生了反應，故B錯誤；C．硝酸中N元素化合價為＋5價，生成二氧化氮的N元素化合價為＋4價，化合價降低，則生成的紅棕色氣體為還原產(chǎn)物，由③能說明濃硝酸具有氧化性，故C錯誤；D．木炭加熱至紅熱，可與空氣中氧氣反應生成二氧化碳，不一定是與濃硝酸發(fā)生了反應，所以不能說明木炭一定與濃硝酸發(fā)生了反應，故D錯誤。3．(2021·煙臺高一檢測)將一定質(zhì)量鐵粉加入裝有100mL某濃度的稀硝酸溶液中充分反應。容器中剩有mg的鐵粉，收集到448mLNO氣體(標準狀況)。(1)所得溶液中溶質(zhì)的化學式是________________。(2)原硝酸溶液的物質(zhì)的量濃度為________mol·L－1?！窘馕觥?1)因有鐵粉剩余，故反應產(chǎn)物為Fe(NO3)2。(2)NO的物質(zhì)的量eq\f(0.448L,22.4L·mol－1)＝0.02mol則由方程式可得8HNO3(稀)＋3Fe=3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O8 2n(HNO3) 0.02moln(HNO3)＝0.08mol，c(HNO3)＝0.8mol·L－1。答案：(1)Fe(NO3)2某研究小組想研究碳與濃硝酸的反應。其實驗過程如下。操作現(xiàn)象a.用干燥潔凈的燒杯取約10mL濃硝酸，加熱。b.把小塊燒紅的木炭迅速伸入熱的濃硝酸中。紅熱的木炭與熱的濃硝酸接觸發(fā)生劇烈反應，同時有大量紅棕色氣體產(chǎn)生，液面上木炭迅速燃燒，發(fā)出光亮。(1)熱的濃硝酸與紅熱的木炭接觸會發(fā)生多個化學反應。①碳與濃硝酸的反應，說明濃硝酸具有______________性。②反應產(chǎn)生的熱量會使少量濃硝酸受熱分解，寫出反應的化學方程式_______。(2)實驗現(xiàn)象中液面上木炭迅速燃燒，發(fā)出光亮。小組同學為了研究助燃氣體是O2還是NO2，設(shè)計了以下實驗。實驗操作：在空氣中引燃木炭，使其燃燒并帶有火焰，將帶火焰的木炭伸入盛有NO2氣體的集氣瓶中。實驗現(xiàn)象：木炭在NO2氣體中持續(xù)燃燒，火焰迅速變亮，集氣瓶中氣體顏色變淺直至無色，產(chǎn)生的氣體能使澄清石灰水變渾濁，且遇空氣不變色。①根據(jù)實驗現(xiàn)象寫出碳與NO2氣體反應的化學方程式_____。②試分析：是否需要增加帶火焰的木炭與純凈O2反應的實驗_________。③通過實驗探究，你認為助燃氣體是什么，簡述理由________________?！窘馕觥?1)①碳與濃硝酸的反應，說明濃硝酸具有強氧化性。②反應產(chǎn)生的熱量會使少量濃硝酸受熱分解，反應的化學方程式4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))4NO2↑＋O2↑＋2H2O。(2)①木炭在NO2氣體中持續(xù)燃燒，火焰迅速變亮，集氣瓶中氣體顏色變淺直至無色，產(chǎn)生的氣體能使澄清石灰水變渾濁，且遇空氣不變色，說明生成了CO2，那么另一種應該為氮氣，反應方程式為2NO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(點燃))N2＋2CO2。②當木炭燃燒時，體系中氧氣濃度低于空氣中氧氣濃度，所以不用補充木炭在純氧中燃燒的實驗。③通過實驗探究可以知道：助燃氣體既有NO2又有O2，因為兩種氣體均存在且均能助燃。答案：(1)①強氧化性②4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))4NO2↑＋O2↑＋2H2O(2)①2NO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(點燃))N2＋2CO2②否，當木炭燃燒時，體系中氧氣濃度低于空氣中氧氣濃度，所以不用補充木炭在純氧中燃燒的實驗③助燃氣體既有NO2又有O2，因為兩種氣體均存在且均能助燃1．(水平1)2007年11月，中國第一套國產(chǎn)化雙加壓法硝酸裝置在新鄉(xiāng)市誕生，標志著中國自己研制的國產(chǎn)硝酸裝置完全能夠替代進口，中國國內(nèi)硝酸工業(yè)擺脫了對進口裝備的依賴。下列實驗事實與硝酸性質(zhì)不相對應的一組是()A．濃硝酸使紫色石蕊溶液先變紅后褪色——酸性和強氧化性B．鐵與稀硝酸反應不能放出氫氣——強氧化性C．要用棕色瓶盛裝濃硝酸——不穩(wěn)定性D．氫氧化亞鐵固體與稀硝酸混合——強酸性【解析】選D。A項，濃硝酸因有酸性而使紫色石蕊溶液變紅色，又因濃硝酸的強氧化性而使其褪色；B項，因稀硝酸有強氧化性，與鐵反應不產(chǎn)生H2；C項，因濃硝酸不穩(wěn)定，見光或受熱易分解，因此應用棕色瓶盛裝濃硝酸，且避光保存；D項，稀硝酸與氫氧化亞鐵反應生成硝酸鐵、一氧化氮和水，表現(xiàn)了硝酸的酸性和強氧化性。2．(水平1)化學興趣小組按如圖所示裝置，將相同質(zhì)量的銅分別和過量濃硝酸、稀硝酸反應，下列敘述正確的是()A．反應生成氣體的物質(zhì)的量相等B．消耗硝酸的物質(zhì)的量：前者多，后者少C．反應生成氣體的顏色：前者淺，后者深D．反應中轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)：前者多，后者少【解析】選B。由反應Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O和3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O可知，當銅質(zhì)量相同，硝酸過量時，生成氣體的物質(zhì)的量前者多，消耗n(HNO3)前者多，反應中轉(zhuǎn)移電子總數(shù)相等。3．(水平2)化學課外探究小組將準確稱量的1.92gCu和一定量的濃硝酸反應，隨著Cu的不斷減少，反應生成氣體的顏色逐漸變淺，當Cu反應完畢時，共收集到氣體1.12L(標準狀況)，則反應中消耗HNO3的物質(zhì)的量為()A．1mol B．0.05molC．1.05mol D．0.11mol【解析】選D。銅和硝酸反應，隨著HNO3濃度的減少，硝酸的還原產(chǎn)物的價態(tài)越低，銅和濃硝酸反應生成NO2，而與稀硝酸反應時則生成NO，故生成的氣體有NO2和NO，則n(NO2)＋n(NO)＝0.05mol，即被還原的硝酸的物質(zhì)的量為0.05mol，n(Cu)＝eq\f(1.92g,64g·mol－1)＝0.03mol，則生成n[Cu(NO3)2]＝0.03mol，可知表現(xiàn)酸性的硝酸的物質(zhì)的量為0.03mol×2＝0.06mol，則參加反應的硝酸的物質(zhì)的量：0.05mol＋0.06mol＝0.11mol。4．(水平2)1L稀硝酸和稀硫酸的混合液，其物質(zhì)的量濃度分別為0.1mol·L－1和0.4mol·L－1。若向該混合液中加入足量的銅粉，則最多能溶解銅粉的質(zhì)量為()A．2.4g B．3.2g C．6.4g D．9.6g【解析】選D。據(jù)反應原理寫出反應的離子方程式為3Cu＋2NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＋8H＋=3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O0.1mol0.9molH＋過量，根據(jù)n(NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))計算溶解銅粉的質(zhì)量，m(Cu)＝eq\f(3×64g·mol－1×0.1mol,2)＝9.6g。5．(水平2)化學實驗探究小組將實驗室中氫氣還原氧化銅實驗