氮和氮的化合物[完整版]

2011高考系列 成功近在眼前 第17讲 氮和氮的化合物 [考试目标] 1．用元素周期律周期表的知识理解氮族元素性质的相似性和递变的规律性 2．以红磷、白磷为例了解同素异形体的概念，了解氮的固定 3．了解在氮循环过程中涉及到的氮元素单质及其重要化合物的主要性质、制法及应用 4．以NO、NO2为例了解氮的氧化物对大气的污染和防护 [要点精析] 一、氮族元素 1．氮族元素： 包括氮（N）磷（P）砷（As）锑（Sb）铋（Bi）五种元素，最外层有5个电子，电子层数不同，是VA族元素。 2．氮族元素性质比较： 在周期表中从上到下性质相似，最高价态为+5，负价为-3，Sb、Bi无负价；最高价氧化物水化物（HRO3或H3RO4）呈酸性。但非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强，从非金属元素逐渐过渡过金属元素。具体表现为：如氢化物的稳定性NH3>PH3>AsH3、最高价氧化物水化物的酸性HNO3>H3PO4等；这是由于它们的原子中最外层都有5个电子（性质相似），而在周期表中按从上到下的顺序电子层数逐渐增多（得电子能力逐渐减弱，失电子能力逐渐增强）引起的。 例题1：下列各项性质的递变规律错误的是 A. 沸点：NH3 > PH3 > AsH3 B. 非金属性：N > P > As C. 还原性：AsH3 > PH3 > NH3 D. 酸性：HNO3 > H3PO4 > H3AsO4 答案：A 解析：根据氮族元素性质的递变规律，B、C、D均符合规律。NH3的式量最小，但氨分子间作用力最强，沸点比PH3高。 二、同素异形体 由同种元素组成的性质不同的单质，叫做这种元素的同素异形体。如红磷和白磷都是由磷元素形成的单质，但常温下红磷在空气中能稳定存在而白磷在空气中能自燃（须保存在冷水中），红磷和白磷的完全燃烧产物都是五氧化二磷。白磷、红磷都是磷元素的同素异形体。在常见的元素中碳、氧、硫等也存在着同素异形现象，如，金刚石、石墨和富勒烯（C60、C70等）都是碳的同素异形体；O2、O3是氧的同素异形体。 例题2：下列说法中，正确的是 A． CO、CO2互为同素异形体 B． 碘晶体、碘蒸气是同素异形体 C． 同素异形体是同种元素的不同单质 D． 金刚石、石墨和富勒烯虽然性质差异较大，但在氧气中完全燃烧都生成二氧化碳且在一定条件下能相互转化 答案：CD 三、氮元素单质及其重要化合物的主要性质、制法及应用 氮元素是一种典型的变价元素，掌握氮元素形成的单质和化合物的有关知识，应抓住以 下线索（N元素化合价为线索） 化合价 -3 0 +2 +4 +5 物 质 NH3 N2 NO NO2 HNO3 （铵盐） （硝酸盐） 而对其中每种物质都从结构、性质（物理、化学）、制法、用途四方面来认识理解记忆，最后在各物质（不同价态间）间形成相互转化的知识网络。 1．氨气（NH3）： （1）分子结构：由极性键形成的三角锥形的极性分子，N原子有一孤对电子；N -3价， 为N元素的最低价态 （2）物理性质：无色、刺激性气味的气体，密度比空气小，极易溶于水，常温常压下 1体积水能溶解700体积的氨气，易液化（可作致冷剂） （3）化学性质：①与H2O反应：NH3 + H2O NH3·H2ONH4+ + OH-， 溶液呈弱碱性，氨水的成份为：NH3 、 H2O、NH3·H2O、NH4+ 、 OH-、H+，氨水易挥发；②与酸反应：NH3 + HCl = NH4Cl NH3 + HNO3 = NH4NO3 （有白烟生成）；③还原性（催化氧化）： 4NH3 + 5O2 ＝ 4NO + 6H2O（N为-3价，最低价态，具有还原性） （4）实验室制法 Ca（OH）2 + 2NH4Cl ＝ CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O，工业上采取N2与H2在高温高压催化剂条件下合成氨气 （5）用途：化工原料，制硝酸、氮肥等，作致冷剂 例题：某学生课外活动小组利用右图所示装置分别做如下实验： 在试管中注入某红色溶液，加热试管，溶液颜色逐渐变浅，冷却后恢复红色，则原溶液可能是________________溶液；加热时溶液由红色逐渐变浅的原因是：___________________________________ ______。 答案：稀氨水+酚酞的混合溶液 加热时氨气逸出，导致溶液的红色变浅 分析：氨水溶液呈弱碱性，受热易分解出氨气，冷却后，氨气又溶于水。 2．铵盐 （1）物理性质：白色晶体，易溶于水 （2）化学性质：①受热分解： NH4HCO3 ＝ NH3↑ + H2O + CO2↑（30℃以上可分解）， NH4Cl ＝ NH3↑+ HCl↑②与碱反应： Ca（OH）2 + 2NH4Cl ＝ CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O 铵盐与碱溶液反应的离子方程式：NH4+ + OH- ＝ NH3↑+ H2O（该性质可用于氨气的制取和铵根离子的检验） 例题：下列关于铵盐的叙述：①铵盐中氮元素化合价都为—3价 ②铵盐都是晶体，都易溶于水 ③铵盐与碱共热放出氨气 ④铵盐都不能与酸反应 ⑤所有铵盐均能分解 ⑥铵态氮肥不宜与草木灰混合施用。其中叙述正确的是 ( ) A．①②③ B．②③④ C．③④⑤ D．②③⑤⑥ 答案:D 分析:NH4NO3中NO3-中的N为+5价,(NH4)2CO3或NH4HCO3可与酸反应. 3．氮气（N2） （1）分子结构：电子式为∶N┇┇N∶，结构式为N≡N，氮氮叁键键能大，分子结构稳 定，化学性质不活泼。 （2）物理性质：纯净的氮气是无色无味的气体，难溶于水，空气中约占总体积的78%。 （3）化学性质：常温下性质稳定，可作保护气；但在高温、放电、点燃等条件下能与H2、O2、IIA族的Mg、Ca等发生化学反应，即发生氮的固定（将空气中的氮气转变为含氮化合物的过程，有自然固氮和人工固氮两种形式）N2中N元素0价，为N的中间价态，既有氧化性又有还原性 ①与H2反应： N2 + 3H2 2NH3 ②与O2反应： N2 + O2 ＝ 2NO ③与活泼金属反应： N2 +3 Mg ＝ Mg3N2 （4）氮气的用途：化工原料；液氮是火箭燃烧的推进剂；还可用作医疗、保护气等。 例题：下列反应起了氮的固定作用的是 A．氨经催化氧化生成NO B．NO与O2反应生成NO2 C．N2在一定条件下与Mg反应生成Mg3N2 D．NH3与硝酸反应生成NH4NO3 答案：C 解析：由氮元素的单质变为含氮的化合物，才是氮的固定。 4．氮的氧化物 （1）氮的氧化物简介：氮元素有+1、+2、+3、+4、+5五种正价态，对应有六种氧化物 种 类 色 态 化学性质 N2O 无色气体 较不活泼 NO 无色气体 活泼，不溶于水 N2O3（亚硝酸酐） 蓝色液体（-20℃） 常温极易分解为NO、NO2 NO2 红棕色气体 较活泼，与水反应 N2O4 无色气体 较活泼，受热易分解 N2O5（硝酸酸酐） 无色固体 气态时不稳定，易分解 （2）NO和NO2的重要性质和制法①性质：2NO + O2 ＝ 2NO2（易被氧气氧化,无色 气体转化为红棕色）；2NO2 （红棕色） N2O4（无色）（平衡体系）；3NO2 + H2O ＝ 2HNO3 + NO （工业制硝酸）；NO + NO2 + 2NaOH ＝ 2NaNO2 + H2O（尾气吸收）； NO2有较强的氧化性,能使湿润的KI淀粉试纸变蓝。②制法：NO： 3Cu + 8HNO3（稀）＝ 3Cu（NO3）2 + 2NO↑ + 4H2O（必须__________法收集NO）；NO2：Cu + 4HNO3（浓）＝ Cu（NO3）2 + 2NO2↑ + 2H2O （必须___________法收集NO2） （3）氮的氧化物溶于水的计算：①NO2或NO2与N2（非O2）的混合气体溶于水可依据 3NO2 + H2O ＝ 2HNO3 + NO利用气体体积变化差值进行计算。②NO2和O2的混合气体溶于水时由4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3进行计算，当体积比V（NO2）：V（O2）=4：1时，恰好反应；>4：1时，NO2过量，剩余NO；<4：1时，O2过量，剩余O2。③NO和O2同时通入水中时，由 4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3进行计算，原理同②方法。④NO、NO2、O2的混合气体通入水中，先按①求出NO的体积，再加上混合气体中NO的体积再按③方法进行计算。 （4）氮的氧化物（NO、NO2）对环境的影响：氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因，同时也可造成水体污染。汽车尾气中的氮氧化物（燃料在发动机内高温燃烧时，空气中的氮气与氧气反应生成的）与碳氢化合物经紫外线照射发生反应生成形成的一种有毒的烟雾，称为光化学烟雾。光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛、伤害植物并使大气能见度降低。另外，氮氧化物与空气中的水反应生成硝酸和亚硝酸，是酸雨的成分。大气中氮氧化物主要来源于化石燃料的燃烧、汽车尾气和植物体的焚烧，以及农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。因此必须减少氮氧化物的排放，控制进入大气、陆地和海洋的含氮的氧化物。在工业上含氮氧化物的尾气吸收常用以下反应：NO2 + NO + 2NaOH ＝ 2NaNO2 + H2O，既可以回收尾气，生成的亚硝酸盐又是重要的化工原料。 例题：在NO2被水吸收的反应中，发生还原反应和氧化反应的物质的质量之比为 A．3︰1 B．1︰3 C．1︰2 D．2︰1 答案：C 解析：在3NO2 + H2O ＝ 2HNO3 + NO中，3 molNO2中有2mol失电子，被氧化。 5．硝酸(HNO3) （1）物理性质：无色、刺激性气味、易挥发液体，能与水以任意比例互溶，常用浓硝 酸的质量分数大约为69%。 （2）化学性质：硝酸为强酸，具有以下性质：①具有酸的通性，② 不稳定性： 4HNO3 ＝ 4NO2↑+ O2↑ + 2H2O ③强氧化性：无论浓稀硝酸均具有强氧化性，与金属反应时不放出氢气。a.与金属反应：Cu + 4HNO3（浓）＝ Cu（NO3）2 + 2NO2↑ + 2H2O ；3Cu + 8HNO3（稀）＝ 3Cu（NO3）2 + 2NO↑ + 4H2O；3Ag + 4HNO3（稀）＝ 3AgNO3 + NO↑ + 2H2O ；常温下浓硝酸与铁、铝发生钝化。b.与非金属反应：C + 4HNO3（浓）＝ CO2 ↑+ 4NO2↑ + 2H2O 。c.与其他还原剂反应,如H2S、SO2、Fe2+等。d.与有机物反应:硝化反应、酯化反应、与蛋白质发生颜色反应等。 （3）制法：①实验室制法：硝酸盐与浓硫酸微热，NaNO3（固）+ H2SO4（浓）＝ NaHSO4 + HNO3↑（不能用强热和稀硫酸）；②工业制法：氨的催化氧化法，4NH3 + 5O2 ＝ 4NO + 6H2O；2NO + O2 ＝ 2NO2；3NO2 + H2O ＝ 2HNO3 + NO；尾气处理：NO2 + NO + 2NaOH ＝ 2NaNO2 + H2O （4）用途：制硝酸盐、氮肥、炸药、染料等。 例题：已知A、B、C、D、E五种物质有如图 所示的转化关系（部分反应物及反应条件未列出，若解 题时需要，可作合理假设），且五种物质中均含有A元 素。若A为一种气体单质 ① D的化学式为 ， ② D→E的化学方程式为 ③ B→C的化学方程式 ④ E→C的离子方程式为 。 答案：① NO2 ②3NO2 + H2O ＝ 2HNO3 + NO ③ 4NH3 + 5O2 ＝ 4NO + 6H2O ④3Cu+8H++2NO3－=3Cu2++2NO↑+4H2O 分析：解决本题，要熟练掌握含氮元素物质之间的转化关系。 四、含氮物质之间的转化关系 Mg3N2→NH3 NH3·H2O 铵盐（NH4Cl） 空气→ N2 → NO NO2 HNO3 硝酸盐（NaNO3） 说明：元素化合物知识的复习方法与技巧 1．每族元素抓住代表物.重点讨论该元素的单质、氧化物、氢化物、酸、碱或盐等有关知识. 2．注意该族元素与其代表物在结构、性质上的相似性、递变性和特殊性. 3．研究结构应分三层次考虑. (1)原子结构(价电子数、原子半径、核电荷数等) (2)分子结构(主要指化学键的种类及牢固程度) (3)晶体结构(构成微粒、微粒间的作用力、空间构型等) 4．形成如下知识网络：元素化合物的知识在中学化学教材中占有较重的比例,内容繁多琐碎,要尽可能以最佳的方法或方式来成网络图,主线明确、脉络清晰. 催化剂 △ B E C A +O2 +O2 +O2 +H2O +Cu D +H2 催化剂 △ △ 光或热 点燃 高温、高压 催化剂 放电 △ △ △ △ � EMBED Flash.Movie ��� △ 催化剂 △ PAGE _1198532079.bin _1155630704.bin