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第五章　化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素
2
2門世2有
3厚
·課堂建構(gòu)
物理性質(zhì)
硝酸
酸性
化學(xué)性質(zhì)
不穩(wěn)定性
硝酸、酸
強(qiáng)氧化性
雨及防治
酸雨成因
酸雨及防治
酸雨危害
防治措施第二節(jié)　氮及其化合物
課時(shí)3 硝酸　酸雨及防治
(一)基礎(chǔ)鞏固
1.(2024·廣東肇慶高一期中)近年來,我國(guó)“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”成果顯著。下列說法正確的是 (　　)
A.常溫下,pH小于7的雨水即為酸雨
B.在燃煤中加入氧化鈣可以減少溫室氣體的排放
C.“煤改氣”有利于減少SO2等有害氣體的排放
D.氮的氧化物排放會(huì)導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧,汽車尾氣中氮的氧化物來源于汽油燃燒
解析:常溫下,pH小于5.6的雨水即為酸雨,A項(xiàng)錯(cuò)誤;燃煤中含有硫,燃燒時(shí)生成二氧化硫,二氧化硫能與氧化鈣反應(yīng),最終轉(zhuǎn)化為硫酸鈣,以減少二氧化硫的排放,不是減少溫室氣體的排放,B項(xiàng)錯(cuò)誤;煤燃燒可能生成二氧化硫等污染物,“煤改氣”有利于減少二氧化硫等有害氣體的排放,C項(xiàng)正確;汽車尾氣中排放的氮氧化物主要是空氣中氮?dú)馀c氧氣在點(diǎn)火放電時(shí)反應(yīng)生成的,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
答案:C
2.工業(yè)上用洗凈的廢銅屑作原料制取硝酸銅。為節(jié)約原料和減少環(huán)境污染,宜采取的方法是 (　　)
A.Cu+HNO3(濃)Cu(NO3)2
B.Cu+HNO3(稀)Cu(NO3)2
C.CuCuOCu(NO3)2
D.CuCuSO4Cu(NO3)2
答案:C
3.(2024·廣東汕頭階段練習(xí))下列離子方程式書寫正確的是 (　　)
A.少量NH4HCO3溶液與足量NaOH溶液混合加熱:N+OH-NH3↑+H2O
B.銅片與稀硝酸反應(yīng):3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O
C.氨水與稀醋酸反應(yīng):OH-+H+H2O
D.鐵與稀硝酸反應(yīng):Fe+2H+Fe2++H2↑
解析:NaOH是足量的,N、HC都會(huì)與OH-發(fā)生反應(yīng),離子方程式應(yīng)該為HC+N+2OH-C+NH3↑+2H2O,A項(xiàng)錯(cuò)誤;反應(yīng)符合事實(shí),遵循拆分原則,B項(xiàng)正確;氨水中的NH3·H2O及稀醋酸溶液中的CH3COOH都是弱電解質(zhì),在水溶液中主要以分子形式存在,應(yīng)該寫化學(xué)式,離子方程式應(yīng)該為NH3·H2O+CH3COOHN+CH3COO-+H2O,C項(xiàng)錯(cuò)誤;硝酸有強(qiáng)氧化性,與金屬反應(yīng)不生成氫氣,Fe與稀硝酸反應(yīng)生成Fe(NO3)3、NO、H2O,該反應(yīng)的離子方程式為Fe+4H++NFe3++NO↑+2H2O,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
答案:B
4.(2023·廣東汕頭)將銅絲插入濃硝酸中進(jìn)行如圖所示的探究實(shí)驗(yàn)(a~c是浸有相應(yīng)試劑的棉花),下列分析正確的是 (　　)
A.Cu與濃硝酸反應(yīng),硝酸只表現(xiàn)出酸性,產(chǎn)生紅棕色氣體
B.a處可觀察到棉花變紅后褪色
C.b處觀察到棉花變藍(lán),說明NO2具有還原性
D.c處NaOH溶液能與產(chǎn)生的氣體發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)
解析:銅絲與濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色氣體NO2,硝酸表現(xiàn)出酸性和氧化性,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;NO2溶于水生成硝酸,可使紫色石蕊溶液變紅,然后硝酸的強(qiáng)氧化性又使石蕊溶液褪色,故B項(xiàng)正確;b處棉花變藍(lán),說明有I2生成,KI轉(zhuǎn)換為I2,I元素化合價(jià)由-1價(jià)變?yōu)?價(jià),則KI為還原劑、NO2為氧化劑,說明NO2具有氧化性,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;c處NO2與NaOH溶液反應(yīng)生成NaNO2、NaNO3,N元素化合價(jià)由+4價(jià)轉(zhuǎn)化為+3價(jià)和+5價(jià),有化合價(jià)的變化,是氧化還原反應(yīng),故D項(xiàng)錯(cuò)誤。
答案:B
5.(2022·廣東珠海)氮及其化合物的變化關(guān)系如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是 (　　)
NO2HNO3
A.路線①②③是工業(yè)生產(chǎn)硝酸的主要途徑
B.路線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷電固氮生成硝酸的主要途徑
C.圖中所有標(biāo)號(hào)的反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)
D.N2可在足量的O2中通過一步反應(yīng)生成NO2
解析:工業(yè)上生成硝酸的路徑為合成氨→氨的催化氧化→一氧化氮轉(zhuǎn)化為二氧化氮→二氧化氮與水反應(yīng)獲得硝酸。氮?dú)馀c氧氣在雷電作用下生成一氧化氮,一氧化氮會(huì)迅速被氧氣氧化為二氧化氮,二氧化氮與水反應(yīng)獲得硝酸。A項(xiàng),由分析可得,路線①②③是工業(yè)生產(chǎn)硝酸的主要途徑,正確;B項(xiàng),由分析可得,路線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷電固氮生成硝酸的主要途徑,正確;C項(xiàng),圖中所有標(biāo)號(hào)的反應(yīng)都有化合價(jià)變化,都是氧化還原反應(yīng),正確;D項(xiàng),N2與O2化合生成NO,不能直接生成NO2,錯(cuò)誤。
答案:D
6.(2022·廣東揭陽(yáng))木炭與濃硫酸共熱產(chǎn)生的氣體X和銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的氣體Y同時(shí)通入盛有足量的BaCl2溶液的洗氣瓶中(如圖所示),下列有關(guān)說法正確的是 (　　)
A.洗氣瓶中產(chǎn)生的沉淀有BaCO3
B.Z導(dǎo)管口無紅棕色氣體出現(xiàn)
C.洗氣瓶中產(chǎn)生的沉淀是BaSO3
D.Z導(dǎo)管出來的氣體中有CO2
解析:A項(xiàng),木炭與濃硫酸共熱產(chǎn)生的氣體X是CO2和SO2的混合氣體,Cu與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的氣體Y是NO2,SO2+H2O+NO2H2SO4+NO,故洗氣瓶中產(chǎn)生的是BaSO4沉淀,CO2與BaCl2溶液不反應(yīng),所以沒有BaCO3沉淀生成,錯(cuò)誤;B項(xiàng),Z處逸出的氣體中有CO2和NO,NO遇到空氣中的氧氣生成紅棕色的NO2,故Z導(dǎo)管口有紅棕色氣體出現(xiàn),錯(cuò)誤;C項(xiàng),洗氣瓶中產(chǎn)生的是BaSO4沉淀,錯(cuò)誤;D項(xiàng),Z處逸出的氣體中有CO2,正確。
答案:D
7.(2022·廣東汕頭)CuSO4有關(guān)制備途徑及性質(zhì)如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是 (　　)
A.途徑①所用混酸中H2SO4與HNO3物質(zhì)的量之比最好為 3∶2
B.相對(duì)于途徑①③,途徑②更好地體現(xiàn)了綠色化學(xué)思想
C.若混合氣體X中含兩種不同價(jià)態(tài)的硫元素,則1 mol CuSO4在 1 100 ℃所得混合氣體X中O2可能為 0.75 mol
D.Y可能具有還原性
解析:由制備流程可知,①中發(fā)生反應(yīng)3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O,②中發(fā)生反應(yīng)2Cu+O2+2H2SO42CuSO4+2H2O,③中發(fā)生反應(yīng)Cu+2H2SO4(濃)CuSO4+SO2↑+2H2O,在1 100 ℃時(shí)發(fā)生反應(yīng)2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑,CuSO4溶液與NaOH溶液反應(yīng)生成Cu(OH)2沉淀,Cu(OH)2與Y反應(yīng)生成Cu2O,Cu元素化合價(jià)降低,則Y作還原劑,具有還原性。A項(xiàng),Cu與混酸發(fā)生反應(yīng)3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,離子方程式為3Cu+8H++2N3Cu2++2NO↑+4H2O,從方程式知,N由硝酸提供,H+由HNO3和H2SO4提供,所以HNO3為2 mol時(shí),H2SO4為3 mol,混酸中H2SO4與HNO3物質(zhì)的量之比最好為3∶2,正確;B項(xiàng),①③均生成有毒氣體,②中生成CuSO4和H2O,途徑②更好地體現(xiàn)了綠色化學(xué)思想,正確;C項(xiàng),CuSO4分解生成Cu2O,Cu元素的化合價(jià)降低,S元素為最高價(jià),不能升高,所以O(shè)元素的化合價(jià)升高,即有O2生成,發(fā)生反應(yīng)2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑,則1 mol CuSO4在1 100 ℃所得混合氣體X中O2可能為0.5 mol,錯(cuò)誤;D項(xiàng),Cu(OH)2與Y反應(yīng)生成Cu2O,Cu元素的化合價(jià)降低,則Y作還原劑,具有還原性,正確。
答案:C
(二)拓展提高
8.(2022·廣東普寧)某校化學(xué)實(shí)驗(yàn)小組為了證明銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生一氧化氮,用如圖所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(加熱裝置和夾持裝置均已略去,裝置氣密性良好,F是用于鼓入空氣的雙連打氣球)。
實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象:
實(shí)驗(yàn)操作 現(xiàn)象
Ⅰ.將裝置B下移,使碳酸鈣與稀硝酸接觸 產(chǎn)生氣體
Ⅱ.當(dāng)裝置C中產(chǎn)生白色沉淀時(shí),立刻將裝置B上提 —
Ⅲ.將裝置A中銅絲放入稀硝酸中,給裝置A微微加熱 裝置A中產(chǎn)生無色氣體,裝置E中開始時(shí)出現(xiàn)淺紅棕色氣體
Ⅳ.用裝置F向裝置E中鼓入空氣 裝置E中氣體顏色逐漸加深
Ⅴ.一段時(shí)間后 裝置C中白色沉淀溶解
請(qǐng)回答下列問題。
(1)操作Ⅰ中產(chǎn)生氣體的化學(xué)式為　 ,操作Ⅰ的目的是　　　　　,裝置D的作用是　 　。
(2)裝置C中白色沉淀的化學(xué)式是　 。
操作Ⅱ中當(dāng)裝置C中產(chǎn)生白色沉淀時(shí)立刻將裝置B上提的原因
是 　 。
(3)操作Ⅲ中裝置A中產(chǎn)生無色氣體的化學(xué)方程式是 　。
(4)裝置E內(nèi)氣體顏色逐漸加深的原因是 　 。
(5)操作Ⅴ現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是　　　　　　　　　　　　　　,　　　　　　　　　　　　　　　　　　(用化學(xué)方程式表示)。
解析: (1)操作Ⅰ是用CaCO3與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體將裝置中的空氣排盡,以防止空氣中的氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。裝置D的作用是平衡壓強(qiáng),吸收NO、NO2、CO2等尾氣,防止污染空氣。
(2)裝置C中出現(xiàn)白色沉淀說明E中的空氣排盡了,生成的沉淀為CaCO3。當(dāng)裝置C中產(chǎn)生白色沉淀時(shí)立刻將裝置B上提是防止CaCO3消耗硝酸過多,從而影響Cu與稀硝酸的反應(yīng)。
(3)Cu與稀硝酸反應(yīng)生成Cu(NO3)2、無色氣體NO和H2O,反應(yīng)的化學(xué)方程式是3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
(4)CO2的密度比空氣的大,從長(zhǎng)管進(jìn)入裝置E,并沒有把E中的空氣排盡,致使部分NO先與未排盡的空氣反應(yīng)生成少量紅棕色氣體NO2,當(dāng)再?gòu)难b置F鼓入空氣時(shí),裝置E中有更多的NO2生成,所以氣體顏色逐漸加深。
(5)裝置C中白色沉淀溶解是因?yàn)镹O2與水反應(yīng)生成硝酸,發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為3NO2+H2O2HNO3+NO(或4NO+3O2+2H2O4HNO3),硝酸能溶解碳酸鈣沉淀,發(fā)生反應(yīng)CaCO3+2HNO3Ca(NO3)2+H2O+CO2↑。　
答案: (1)CO2　用CaCO3與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體將裝置中的空氣排盡　平衡壓強(qiáng),吸收NO、NO2、CO2等尾氣,防止污染空氣
(2)CaCO3　防止CaCO3消耗硝酸過多,從而影響Cu與稀硝酸的反應(yīng)
(3)3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(4)CO2的密度比空氣的大,從長(zhǎng)管進(jìn)入裝置E,并沒有把E中的空氣排盡,致使部分NO先與未排盡的空氣反應(yīng)生成少量紅棕色氣體NO2,當(dāng)再?gòu)难b置F鼓入空氣時(shí),裝置E中有更多的NO2生成
(5)3NO2+H2O2HNO3+NO(或4NO+3O2+2H2O4HNO3)　CaCO3+2HNO3Ca(NO3)2+H2O+CO2↑
9.某學(xué)習(xí)小組探究濃、稀硝酸氧化性的相對(duì)強(qiáng)弱,按如圖所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(夾持儀器已略去)。實(shí)驗(yàn)表明濃硝酸能將NO氧化成NO2,而稀硝酸不能氧化NO。由此得出的結(jié)論是濃硝酸的氧化性強(qiáng)于稀硝酸。
可選試劑:濃硝酸、3 mol·L-1稀硝酸、蒸餾水、濃硫酸、氫氧化鈉溶液及二氧化碳。
已知:氫氧化鈉溶液不與NO反應(yīng),能與NO2反應(yīng),反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O。　
(1)實(shí)驗(yàn)應(yīng)避免有害氣體排放到空氣中,裝置③、④、⑥中盛放的試劑依次是 　 。
(2)滴加濃硝酸之前的操作除了“檢驗(yàn)裝置的氣密性”外,還有“加入試劑,打開彈簧夾后 　　　　　　　　　　　　　　”。
(3)裝置②的作用是　　　　　　　　　,發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是　 　　　　　　　　　　。
(4)該小組得出的結(jié)論所依據(jù)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是 　。
解析: (1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约把b置特點(diǎn)進(jìn)行判斷。裝置①濃硝酸與銅反應(yīng),裝置②利用二氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸和一氧化氮,裝置③盛放稀硝酸,驗(yàn)證稀硝酸不能氧化NO,裝置④中盛放的是濃硝酸,若濃硝酸能氧化NO,則裝置④液面的上方會(huì)產(chǎn)生紅棕色氣體,裝置⑤是收集NO,裝置⑥中盛放NaOH溶液吸收NO2,防止污染大氣。(2)由于裝置中殘存的空氣能氧化NO而對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾,所以滴加濃硝酸之前需要通入一段時(shí)間CO2趕走裝置中的空氣,再將裝置⑤中導(dǎo)管末端伸入倒置的燒瓶?jī)?nèi),防止反應(yīng)產(chǎn)生的NO氣體逸出。(3)根據(jù)二氧化氮的性質(zhì)且能轉(zhuǎn)化為一氧化氮選擇試劑,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合二氧化氮的性質(zhì)書寫反應(yīng)方程式。(4)NO通過稀硝酸溶液后,若無紅棕色NO2產(chǎn)生,說明稀硝酸不能氧化NO,所以盛放稀硝酸裝置的液面上方?jīng)]有顏色變化即可說明。裝置④中盛放的是濃硝酸,若濃硝酸能氧化NO,則裝置④液面的上方會(huì)產(chǎn)生紅棕色氣體。
答案: (1)3 mol·L-1稀硝酸、濃硝酸、氫氧化鈉溶液
(2)通入CO2一段時(shí)間,關(guān)閉彈簧夾,將裝置⑤中導(dǎo)管末端伸入倒置的燒瓶?jī)?nèi)
(3)將NO2轉(zhuǎn)化為NO　3NO2+H2O2HNO3+NO
(4)裝置③中液面上方氣體仍為無色,裝置④中液面上方氣體由無色變?yōu)榧t棕色
(三)挑戰(zhàn)創(chuàng)新
10.(2023·廣東汕頭)某學(xué)習(xí)小組對(duì)Cu與HNO3的反應(yīng)進(jìn)行了研究。
(1)銅與稀硝酸反應(yīng)的化學(xué)方程式是 　。
(2)Cu與HNO3制取氮氧化物的反應(yīng)裝置如圖所示。實(shí)驗(yàn)可觀察到裝置B中液面上方為無色氣體,C中液面上方為紅棕色氣體。
①盛稀硝酸的儀器名稱為　　　　　。
②為排盡整套裝置內(nèi)的空氣,先打開彈簧夾,通入　　　　　(填化學(xué)式),一段時(shí)間后關(guān)閉彈簧夾。
③C中液面上方為紅棕色氣體,其原因是　　　　 　 (用化學(xué)方程式表示)。
(3)學(xué)習(xí)小組在做銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)的操作和現(xiàn)象如圖所示。圖中溶液A遇銅片立即產(chǎn)生氣泡,而相同條件下 3 mol·L-1稀硝酸(溶液B)遇銅片短時(shí)間內(nèi)無明顯變化,一段時(shí)間后才有少量氣泡產(chǎn)生。分析溶液A的成分后,學(xué)習(xí)小組探究溶液A與銅片能夠立即發(fā)生反應(yīng)的原因。
①假設(shè)1:　　　　(填化學(xué)式)對(duì)該反應(yīng)有催化作用。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:向溶液B中加入少量硝酸銅固體,溶液呈淺藍(lán)色,放入銅片,沒有明顯變化。
結(jié)論:假設(shè)1不成立。
②假設(shè)2:NO2對(duì)該反應(yīng)有催化作用。
方案1:向放有銅片的溶液B中通入少量NO2,銅片表面立即產(chǎn)生氣泡,反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。有同學(xué)認(rèn)為應(yīng)補(bǔ)充對(duì)比實(shí)驗(yàn):另取一份放有銅片的溶液B,向其中加入數(shù)滴5 mol·L-1硝酸,無明顯變化。補(bǔ)充該實(shí)驗(yàn)的目的是 　。
方案2:向A中鼓入N2 數(shù)分鐘得溶液C,相同條件下,銅片與A、C溶液的反應(yīng)速率分別為v(A)、v(C),當(dāng)v(A) 　　(填“>”“=”或“<”)v(C)時(shí),實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明假設(shè)2成立。
③經(jīng)檢驗(yàn),A溶液中還含有少量亞硝酸(HNO2)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明HNO2也對(duì)該反應(yīng)有催化作用。操作和預(yù)期現(xiàn)象是:向含有銅片的B溶液
中 　 。
最后結(jié)論:NO2和HNO2對(duì)銅與硝酸的反應(yīng)都有催化作用。
解析: (1)稀硝酸是氧化劑,銅是還原劑,銅與稀硝酸反應(yīng)生成Cu(NO3)2、NO和H2O。(2)裝置A中稀硝酸與銅反應(yīng)生成NO,裝置B除去NO中的硝酸,裝置C中NO與濃硝酸反應(yīng)生成了NO2,裝置D除去尾氣,避免污染空氣。①根據(jù)題中裝置圖,可得盛稀硝酸的儀器名稱為分液漏斗。②為了排除裝置內(nèi)的空氣,需要通入不與產(chǎn)生的氣體反應(yīng)的氣體,可通入N2、CO2、稀有氣體等。③根據(jù)裝置B中為無色氣體,可知通入C中的氣體為NO,裝置C中液面上方為紅棕色氣體,可知NO與濃硝酸反應(yīng)生成了NO2。(3)①由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中加少量硝酸銅固體可得,該假設(shè)是探究Cu2+或Cu(NO3)2對(duì)該反應(yīng)有催化作用。②因?yàn)镹O2 會(huì)與水反應(yīng)產(chǎn)生硝酸,致使硝酸濃度增大,為避免濃度對(duì)反應(yīng)的影響,故需增加對(duì)照實(shí)驗(yàn);向A中鼓入N2數(shù)分鐘后,使得溶液中NO2的濃度下降,得溶液C,當(dāng)v(A)>v(C)時(shí),實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明假設(shè)2成立。③欲設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明HNO2也對(duì)該反應(yīng)有催化作用,只需證明往含有銅片的B溶液中加入少量的固體NaNO2后,比沒加固體NaNO2的反應(yīng)速率大就行。
答案: (1)3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(2)①分液漏斗　②N2(或CO2、稀有氣體等)　③NO+2HNO3(濃)3NO2+H2O
(3)①Cu2+[或Cu(NO3)2]　②排除通NO2帶來的硝酸濃度增大的影響　>　 ③加入少量的固體NaNO2,B溶液中銅片上立即生成氣泡,反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行
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