氮元素及其化合物的性质与应用教案

氮元素及其化合物的性质与应用

知识点

氮的化合物的性质及用途

二、知识讲解

考点1、氮气

1．氮元素在自然界中的存在形式：既有游离态又有化合态。空气中含N278％（体积分数）；化合态氮存在于多种无机物和有机物中，氮元素是构成蛋白质和核酸不可缺少的元素。2．氮的固定：使空气中游离态的氮转化为化合态的氮的过程

①天然固氮：电闪雷鸣时：N2+O22NO

2NO + O22NO2

3NO2 + H2O 2HNO3 + NO

生成的硝酸随雨水淋洒到土壤中，并与土壤中的矿物作用生成能被植物吸收的硝酸盐。

②豆科植物的根瘤菌可以直接把空气中游离态的氮转化为化合态。

③人工固氮：工业合成氨

3．氮分子（N2）的电子式为，结构式为N≡N。由于N2分子中的N≡N键很牢固，所以通常情况下，氮气的化学性质稳定，只在放电、高温、催化剂等条件下才发生一些化学反应。

①N2与H2化合生成NH3

N2 +3H2催化剂

高温高压

2NH3 该反应是一个可逆反应，是工业合成氨的原理。

②N2与O2化合生成NO

N2 + O22NO 在闪电或行驶的汽车引擎中会发生以上反应。

4．氮气的用途：

①合成氨，制硝酸；

②代替稀有气体作焊接金属时的保护气，以防止金属被空气氧化；

③在灯泡中填充氮气以防止钨丝被氧化或挥发；

④保存粮食、水果等食品，以防止腐烂；

⑤医学上用液氮作冷冻剂，以便在冷冻麻醉下进行手术；

⑥利用液氮制造低温环境，使某些超导材料获得超导性能。

考点2、氮的氧化物

1．NO、NO2的性质

氮的氧化物一氧化氮(NO) 二氧化氮(NO2)

物理性质无色、不溶于水、有毒的气体红棕色、有刺激性气味、有毒的气体，易溶于水

化学性质①极易被空气中的O2氧化：与H2O反应：

2NO + O 2 2NO 2 ②NO 中的氮为+2价，处于中间价态，既有氧化性又有还原性

3NO 2 + H 2O 2HNO 3 + NO

（工业制HNO 3原理．在此反应中，NO 2同时作氧化剂和还原剂）

特别提示：

1．NO 、NO 2有毒，是大气的污染物。

2．空气中的NO 、NO 2污染物主要来自于石油产品和煤燃烧的产物、汽车尾气以及制硝酸工厂的废气。

3．NO 2是造成光化学烟雾的主要因素。光化学烟雾刺激呼吸器官，使人生病甚至死亡。 2．氮的氧化物的性质比较

种 类 色 态 化学性质

N 2O 无色气体 较不活泼 NO

无色气体

活泼，不溶于水

N 2O 3（亚硝酸酐） 无色气体，蓝色液体（-20℃） 常温极易分解为NO 、NO 2 NO 2 红棕色气体 较活泼，与水反应 N 2O 4

无色气体 较活泼，受热易分解 N 2O 5（硝酸酸酐）

无色固体

气态时不稳定，易分解

考点3、氨气 1．氨的物理性质：

①氨是无色、有刺激性气味的气体，比空气轻；

②氨易液化。在常压下冷却或常温下加压，气态氨转化为无色的液态氨，同时放出大量热，液态氨气化时要吸收大量的热，使周围的温度急剧下降；

③氨气极易溶于水。在常温、常压下，1体积水中能溶解约700体积的氨气（因此，氨气可进行喷泉实验）；

④氨对人的眼、鼻、喉等粘膜有刺激作用．若不慎接触过多的氨而出现病症，要及时吸入新鲜空气和水蒸气，并用大量水冲洗眼睛。 2．氨分子的结构：NH 3的电子式为

，结构式为

，氨分子的结构为三角锥形，

N 原子位于锥顶，三个H 原子位于锥底，键角107°18′，是极性分子。 3．氨气的实验室制法

①反应原理：固态铵盐（如NH 4Cl 、(NH 4)2SO 4等）与消石灰混合共热：

2NH 4Cl+Ca(OH)2

△

CaCl 2 + 2NH 3↑+ 2H 2O

②发生装置类型：固体+固体

△

气体型装置（与制O 2相同）。

③干燥方法：常用碱石灰（CaO 和NaOH 的混合物）作干燥剂。不能用浓H 2SO 4、P 2O 5

等酸性干燥剂和CaCl 2干燥氨气，因为它们都能与氨气发生反应（CaCl 2与NH 3反应生成CaCl 2·8NH 3）。

④收集方法：只能用向下排气法，并在收集氨气的试管口放一团棉花，以防止氨气与空气形成对流而造成制得的氨气不纯。

⑤验满方法：

ⅰ．将湿润的红色石蕊试纸接近集气瓶口，若试纸变蓝色，则说明氨气已充满集气瓶； ⅱ．将蘸有浓盐酸的玻璃棒接近集气瓶口，有白烟产生，说明氨气已充满集气瓶。 特别提示：

1．制氨气所用的铵盐不能用NH 4NO 3、NH 4HCO 3、(NH 4)2CO 3等代替，因为NH 4NO 3

在加热时易发生爆炸，而NH 4HCO 3、(NH 4)2CO 3极易分解产生CO 2气体使制得的NH 3不纯；

2．消石灰不能用NaOH 、KOH 等强碱代替，因为NaOH 、KOH 具有吸湿性，易潮解结块，不利于生成的氨气逸出，而且NaOH 、KOH 对玻璃有强烈的腐蚀作用；

3．NH 3极易溶于水，制取和收集的容器必须干燥；

4．实验室制取氨气的另一种常用方法：向生石灰或烧碱中加入浓氨水中并加热，有关反应的化学方程式为：CaO + NH 3·H 2O

△

Ca(OH)2 + NH 3↑，加烧碱的作用是增大溶液中的

OH －

浓度，促使NH 3·H 2O 转化为NH 3，这种制氨气的发生装置与实验室制Cl 2、HCl 气体的装置相同。 4．氨的化学性质：

（1）跟水反应。氨气溶于水时，大部分的NH 3分子与H 2O 分子结合成NH 3·H 2O 。NH 3·H 2O 为弱电解质，只能部分电离成NH 4＋

和OH －

：

NH 3 + H 2O

NH 3·H 2O

NH 4＋

+ OH －

a ．氨水的性质：氨水具有弱碱性，使无色酚酞试液变为浅红色，使红色石蕊试液变为蓝色。氨水的浓度越大，密度反而越小（是一种特殊情况）。NH 3·H 2O 不稳定，故加热氨水时有氨气逸出：NH 4＋

+ OH

－

△

NH 3↑+ H 2O

b ．氨水的组成：氨水是混合物（液氨是纯净物），其中含有3种分子（NH 3、NH 3·H 2O 、H 2O ）和3种离子(NH 4＋和OH －

、极少量的H ＋

)。

c ．氨水的保存方法：氨水对许多金属有腐蚀作用，所以不能用金属容器盛装氨水。通常把氨水盛装在玻璃容器、橡皮袋、陶瓷坛或内涂沥青的铁桶里。

d ．有关氨水浓度的计算：氨水虽然大部分以NH 3·H 2O 形式存在，但计算时仍以NH 3

作溶质。

（2）跟氯化氢气体的反应：NH 3 + HCl

NH 4C1

a ．当蘸有浓氨水的玻璃棒与蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近时，产生大量白烟。这种白烟是氨水中挥发出来的NH 3与盐酸挥发出来的HCl 化合生成的NH 4C1晶体小颗粒。

b ．氨气与挥发性酸（浓盐酸、浓硝酸等）相遇，因反应生成微小的铵盐晶体而冒白烟，这是检验氨气的方法之—。

c ．氨气与不挥发性酸（如H 2SO 4、H 3PO 4等）反应时，无白烟生成。 （3）跟氧气反应：4NH 3 + 5O 2

催化剂 加热

4NO + 6H 2O

这一反应叫做氨的催化氧化（或叫接触氧化），是工业上制硝酸的反应原理之一。 5．氨气的用途：

①是氮肥工业及制造硝酸、铵盐、纯碱的原料；

②是有机合成工业如合成纤维、塑料、染料、尿素等的常用原料；

考点4、铵盐及NH 4＋的检验

铵盐是由铵离子（NH 4＋

）和酸根阴离子组成的化合物。铵盐都是白色晶体，都易溶于水。 1．铵盐的化学性质：

（1）受热分解：固态铵盐受热都易分解，根据组成铵盐的酸根阴离子对应的酸的性质的不同，铵盐分解时有以下三种情况：

a ．组成铵盐的酸根阴离子对应的酸是非氧化性的挥发性酸时，则加热时酸与氨气同时挥发，冷却时又重新化合生成铵盐。例如：

NH 4Cl(固) △

NH 3↑+ HCl↑

NH 3 + HCl NH 4Cl （试管上端又有白色固体附着）

又如： (NH 4)2CO 3

△

2NH 3↑+ H 2O + CO 2↑ NH 4HCO 3

△

NH 3↑+ H 2O + CO 2↑

b ．组成铵盐的酸根阴离子对应的酸是难挥发性酸，加热时则只有氨气逸出，酸或酸式盐仍残留在容器中。如：

(NH 4)2SO 4

△

NH 4HSO 4 + NH 3↑ (NH 4)3PO 4

△

H 3PO 4 + 3NH 3↑

c ．组成铵盐的酸根阴离子对应的酸是氧化性酸，加热时则发生氧化还原反应，无氨气

逸出。例如：

NH 4NO 3

△

N 2O↑+ 2H 2O

（2）跟碱反应：铵盐的通性

固态铵盐 + 强碱(NaOH 、KOH)?→?

?

无色、有刺激性气味的气体??????→?湿润的红色石蕊试纸

试纸变蓝色。

2．铵盐(NH 4＋

)的检验：

将待检物取出少量置于试管中，加入NaOH 溶液后，加热，用湿润的红色石蕊试纸在管口检验，若试纸变蓝色，则证明待检物中含铵盐（NH 4＋

）。 特别提示：

1．若是铵盐溶液与烧碱溶液共热，则可用离子方程式表示为： NH 4＋

+ OH

－

△

NH 3↑+ H 2O 2．若反应物为稀溶液且不加热时，则无氨气逸出，用离子方程式表示为：

NH 4＋+ OH －

NH 3·

H 2O 3．若反应物都是固体时，则只能用化学方程式表示。

考点5、硝酸 1．物理性质：

（1）纯硝酸是无色、易挥发(沸点为83℃)、有刺激性气味的液体。打开盛浓硝酸的试剂瓶盖，有白雾产生(与盐酸相同)。

（2）质量分数为98％以上的浓硝酸挥发出来的HNO 3蒸气遇空气中的水蒸气形成的极微小的硝酸液滴而产生“发烟现象”。因此，质量分数为98％以上的浓硝酸通常叫做发烟硝酸。

2．化学性质：

（1）具有酸的一些通性

CaCO3 + 2HNO3(稀)Ca(NO3)2 + CO2↑+ H2O

（实验室制CO2气体时，若无稀盐酸可用稀硝酸代替）

（2）不稳定性：HNO3见光或受热发生分解，HNO3越浓，越易分解，硝酸分解放出的NO2溶于其中而使硝酸呈黄色。有关反应的化学方程式为：

4HNO32H2O + 4NO2↑+O2↑

（3）强氧化性：不论是稀HNO3还是浓HNO3，都具有极强的氧化性。HNO3浓度越大，氧化性越强。其氧化性表现在以下几方面：

①几乎能与所有金属（除Pt、Au外）反应。当HNO3与金属反应时，一般反应规律为：

金属+ HNO3(浓) → 硝酸盐+ NO2↑ + H2O

金属+ HNO3(稀) → 硝酸盐+ NO↑ + H2O

金属与硝酸反应的重要实例为：3Cu + 8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+ 2NO↑+ 4H2O

该反应较缓慢，反应后溶液显蓝色，反应产生的无色气体遇到空气后变为红棕色(无色的NO被空气氧化为红棕色的NO2)。实验室通常用此反应制取NO气体。

Cu + 4HNO3(浓)Cu(NO3)2 + 2NO2↑+ 2H2O

该反应较剧烈，反应过程中有红棕色气体产生。此外，随着反应的进行，硝酸的浓度渐渐变稀，反应产生的气体是NO2、NO等的混合气体。

②常温下，浓HNO3能将金属Fe、A1钝化，使Fe、A1的表面氧化生成一薄层致密的氧化膜。因此，可用铁或铝制容器盛放浓硝酸，但要注意密封，以防止硝酸挥发变稀后与铁、铝反应(与浓硫酸相似)。

③浓HNO3与浓盐酸按体积比1∶3配制而成的混合液叫王水。王水溶解金属的能力更强，能溶解金属Pt、Au。

④能把许多非金属单质(如C、S、P等)氧化，生成最高价含氧酸或最高价非金属氧化物。

例如：C + 4HNO3(浓) △

CO2↑+ 4NO2↑+ 2H2O

⑤能氧化某些具有还原性的物质，如H2S、SO2、Na2SO3、HI、HBr、Fe2＋等。应注意的是，NO3－无氧化性，而当NO3－在酸性溶液中时，则具有强氧化性。例如，在Fe(NO3)2溶液中加入盐酸或硫酸，因引入了H＋而使Fe2＋被氧化为Fe3＋；又如，向浓HNO3与足量的Cu反应后形成的Cu(NO3)2中再加入盐酸或硫酸，则剩余的Cu会与后来新形成的稀HNO3继续反应。

⑥能氧化并腐蚀某些有机物，如皮肤、衣服、纸张、橡胶等。因此在使用硝酸(尤其是浓硝酸)时要特别小心，万一不慎将浓硝酸弄到皮肤上，应立即用大量水冲洗，再用小苏打或肥皂液洗涤。

（4）保存方法：硝酸易挥发，见光或受热易分解，具有强氧化性而腐蚀橡胶，因此，实验室保存硝酸时，应将硝酸盛放在带玻璃塞的棕色试剂瓶中，并贮存在黑暗且温度较低的地方。

（5）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、硝酸盐等。金属与硝酸反应中守恒思想的应用

考点6、非金属相关计算

①原子守恒：HNO3与金属反应时，一部分HNO3起酸的作用，以NO

3

－的形式存在于溶

液中；一部分作为氧化剂转化为还原产物，这两部分中氮原子的总物质的量等于反应消耗的HNO3中氮原子的物质的量

②得失电子守恒：HNO3与金属的反应属于氧化还原反应，HNO3中氮原子得电子的物质的量等于金属失电子的物质的量

③电荷守恒：HNO3过量时反应后的溶液中（不考虑OH－）则有：c(NO3－) = c(H＋)+nc(M n+)（M n+代表金属离子）

三、例题精析

【例题1】

【题干】下列有关硝酸化学性质的叙述中，正确的是（）

A．浓、稀硝酸都能使蓝色石蕊试纸最终变为红色

B．硝酸能与Na2CO3反应，但不生成CO2

C．硝酸可与Na2S反应制得H2S气体

D．浓硝酸因分解放出的NO2又溶解于硝酸而呈黄色

【答案】D

【解析】硝酸是一种具有强氧化性的强酸，并且浓度越大，氧化性越强。浓硝酸可使蓝色石蕊试纸先变红后褪色，故选项A错；硝酸是一种氧化性酸，可氧化许多还原性物质，因此硝酸与Na2S反应不能生成H2S，与Na2CO3反应能生成CO2，所以选项B、C错；选项D 正确。

【例题2】

【题干】将磁性氧化铁放入稀HNO3中可发生反应：3Fe3O4+28HNO3=9Fe(NO3)x+ NO↑+14H2O。下列判断合理的是（）

A．Fe(NO3)x中的x=2

B．若反应中每0.2 mol氧化剂被还原，则转移0.6 mol电子

C．稀HNO3在此反应中只表现氧化性

D．磁性氧化铁中的铁元素全部被氧化

【答案】B

【解析】A．由N元素守恒可知生成物为Fe(NO3)3，x=3，故A错误；B．若反应中每0.2 mol 氧化剂被还原，则生成0.2molNO，转移电子数为0.2mol×（5-2）=0.6mol，故B正确；C．由生成物Fe(NO3)3和NO可知，硝酸在反应中表现为酸性和氧化性，故C错误；D．Fe3O4中Fe元素的化合价有+2价、+3价，铁部分被氧化，故D错误。故选B。

【例题3】

【题干】（20XX年全国理综Ⅱ·28）已知氨可以与灼热的氧化铜反应得到氮气和金属铜，用示意图中的装置可以实现该反应。回答下列问题：

四、课堂运用

【基础】

1．下列关于氨气的说法正确的是（）

O5或无水CaCl2干燥

A．氨不能用浓硫酸干燥，但可用P

B．氨水能导电，所以NH3是电解质

C．沸点：NH3＜PH3＜AsH3

D．用水吸收NH3用如图装置可防止倒吸

【答案】D

【解析】A．氨气为碱性气体，与硫酸以及酸性氧化物都反应，不能用硫酸或P2O5干燥，与CaCl2发生络合反应，也不能用CaCl2干燥，故A错误；B．氨水能导电，是由于与水反应生成一水合氨的原因，但氨气为非电解质，故B错误；C．氨气中含有氢键，在同主族元素对应的氢化物中沸点最高，故C错误；D．氨气极易溶于水，但不溶于四氯化碳，可用如图装置吸收，防止倒吸，故D正确。故选D。

2．关于硝酸的说法正确的是（）

A．Cu与稀硝酸反应后，在容器口观察到红棕色气体，证明还原产物为NO2

B．浓HNO3不能与非金属单质反应

C．硝酸与金属反应时，主要是+5价的氮元素得电子

D．常温下，向浓HNO3中投入Fe片，会产生大量的红棕色气体

【答案】C

【解析】A．铜与稀硝酸反应生成NO，NO在瓶口与氧气反应生成二氧化氮，Cu与稀硝酸反应中NO是还原产物，故A错误；B．浓硝酸可以与C反应生成二氧化碳、二氧化氮与水，故B错误；C．硝酸是氧化性酸，与金属反应，中心元素氮元素表现氧化性，即+5价氮元素得电子被还原，故C正确；D．常温下，Fe与浓硝酸反应生成一层致密的氧化物保护膜，阻止内部金属继续反应，发生钝化现象，不可能大量的红棕色气体，故D错误；故选C。

【巩固】

1．在一定条件下，NO跟NH3可以发生反应：6NO+4NH3=5N2+6H2O，关于该反应下列说法中不正确的是（）

A．H2O既不是氧化产物也不是还原产物

B．该反应中被氧化和被还原的氮元素的质量比是2：3

C．若有2mol NH3完全反应，共转移12 mol电子

D．NO是氧化剂，NH3是还原剂

【答案】C

【解析】A．水中H、O元素的化合价在反应前后不变，则H2O既不是氧化产物也不是还原产物，故A正确；B．NO中N元素由+2价降低为0，被还原，NH3中N元素的化合价由－3价升高为0，被氧化，则该反应中被氧化和被还原的氮元素的质量比是2：3，故B正确；C．由反应可知，4molNH3完全反应转移12 mol电子，故C错误；D．NO中N元素由+2价降低为0，NO为氧化剂，NH3中N元素的化合价由－3价升高为0，氨气为还原剂，故D 正确；故选C。

2．Cu2S与一定浓度的HNO3反应，生成Cu（NO3）2、CuSO4、NO2、NO和H2O．当产物n（NO2）：n（NO）=1：1时，下列说法正确的是（）

A．产物n[Cu（NO3）2]：n[CuSO4]=1：1

B．参加反应的n（Cu2S）：n（HNO3）=1：5

C．反应中Cu2S既做氧化剂，又做还原剂

D．1 mol Cu2S参加反应时有8 mol电子转移

【答案】A

【解析】己知n（NO2）：n（NO）=1：1，假定生成1 mol NO2、1 mol NO；则HNO3被还原生成1 mol NO2、1 mol NO共得4 mol e-；Cu2S应失4mole－。而1 mol Cu2S能失10 mol e－，故失4 mol e－说明反应的Cu2S的物质的量为0.4 mol，0.4 mol Cu2S生成0.4 mol CuSO4和0.4 mol Cu(NO3)2；即起酸性作用的HNO3的物质的量为0.8 mol，起氧化作用的HNO3为2 mol。反应的HNO3共2.8 mol，故n（Cu2S）：n（HNO3）=0.4 mol：2.8 mol=2：14；

A、依据分析计算得到，产物n[Cu（NO3）2]：n[CuSO4]=1：1；故A正确；

B、参加反应的n（Cu2S）：n（HNO3）=2：14，故B错误

C、反应中Cu2S铜元素化合价升高，硫元素化合价升高，所以只做还原剂，故C错误；

D、依据元素化合价变化和电子守恒计算得到，1 molCu2S参加反应时有10mol电子转移，故D错误。

3．下图是利用培养皿探究氨气的性质，实验时向NaOH固体上滴几滴浓氨水，立即用另一表面皿扣在上面。

下表中对实验现象所做的解释正确的是( )

选项实验现象解释

A 浓盐酸附近产生白烟NH3与浓盐酸反应生成了NH4Cl固体

B 浓硫酸附近无明显现象NH3与浓硫酸不发生反应

C 氯化物溶液变浑浊该溶液一定是AlCl3溶液

D 干燥的红色石蕊试纸不变色，湿润的红色

石蕊试纸变蓝

NH3是一种可溶性碱

【答案】A

【解析】浓氨水滴到氢氧化钠固体上，氢氧化钠具有吸水性，且该过程放热，使氨气挥发出来。氨气在浓盐酸附近与挥发出来的HCl反应生成白烟(NH4Cl)，A正确；浓硫酸难挥发，与氨气反应无明显现象，B错误；氨气溶于水生成NH3·H2O，与NH3·H2O反应生成沉淀的金属离子，不只有铝离子，C错误；NH3溶于水生成的NH3·H2O是一种弱碱，而NH3本身不是碱，D错误。

（1）A中加入的物质是____________________，

发生反应的化学方程式________________________________。

（2）B中加入的物质是___________，其作用是___________________________________。

（3）实验时在C中观察到得现象是______________，发生反应的化学方程式是_________________。

（4）实验时在D中观察到的现象是____________，D中收集到的物质是__________________，检验该物质的方法和现象是___________________________。

【答案】（1）固体NH4Cl和Ca(OH)22NH4Cl＋Ca(OH)2△CaCl2＋2NH3↑＋2H2O （2）碱石灰除去NH3气流中的水汽

（3）黑色粉末部分逐渐变为红色2NH3＋3CuO △

N2＋3H2O＋3Cu

（4）出现无色液体氨水用无水硫酸铜检验、无水硫酸铜变蓝证明由水；微热，管口放湿润的红色石蕊试纸，试纸变蓝，证明有NH3。

【解析】本题以氨气的制备，氨气的性质为考察要点，属于中档题。（1）制备氨气的药品NH4Cl和Ca(OH)2，（2）干燥氨气用碱石灰，（3）主要描述固体粉末的颜色变化，方程式见答案。（4）描述D中的现象重点强调出现无色液体，氨气检验方法。