第七章 氮族Word下载.docx
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在通常情况下,氮气的性质很不活泼,很难跟其它物质发生化学反应。
但在高温下,氮分子获得了足够的能量,促使它的共价键断裂,就能跟氢、氧、金属等物质发生化学反应。
1.氮气跟氢气的反应
氮气跟氢气在高温、高压并有催化剂存在的条件下,可以直接化合生成氨(NH3)。
工业上就是利用这个反应原理来合成氨的。
2.氮气跟氧气的反应
在放电条件下,氮气跟氧气能直接化合生成无色的一氧化氮(NO)。
一氧化氮不溶于水,在常温下很容易跟空气中的氧气化合,生成棕色并有刺激性气味的二氧化氮(NO2)。
2NO+O2=2NO2
因此在闪电时,大气中常有少量的二氧化氮产生。
二氧化氮有毒,易溶于水。
它溶于水后生成硝酸和一氧化氮。
3NO2+H2O=2HNO3+NO
二氧化氮还可相互化合成无色的四氧化二氮(N2O4)气体。
2NO2
N2O4
(棕色)(无色)
一氧化氮和二氧化氮是两种重要的氮的氧化物。
氮的氧化物除这两种外,还有一氧化二氮(N2O)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)、五氧化二氮(N2O5)等,可见氮跟氧化合时,在不同条件下,它能生成不同的氧化物。
氮在N2O、NO、N2O3、NO2、N2O5这5种不同的氧化物里,其化合价分别是+1、+2、+3、+4、+5价,氮的最高化合价是+5价。
3.氮气跟某些金属的反应
在高温的时候,氮气能够跟镁、钙、锶、钡等金属化合。
例如,镁在空气里燃烧时,除跟氧气化合生成氧化镁外,也能跟氮气化合生成微量的氮化镁(Mg3N2)。
三、氮的固定
把大气中的氮转化为氮的化合物叫做氮的固定。
上文所述,在闪电时大气中有氮的氧化物生成,这是自然界的一种氮的固定过程。
豆科作物的根部常附有小根瘤,其中含有能使空气中氮气在常温常压下转化为硝酸盐的固氮菌。
这种转化是自然界的又一种氮的固定过程。
工业上用氮气合成氨,以及在放电条件下制备氮的氧化物,再合成硝酸,这是人工氮的固定过程。
氮化合物的天然矿藏是很少的,而燃料的燃烧、有机物的腐败,又常使氮化合物分解生成氮气进入大气中。
面临对氮的化合物的庞大需要(氮肥、炸药、染料、合成纤维等都需用氮的化合物作原料),当前研究人工氮的固定是十分重要的。
四、氮气的用途
大量的氮气在工业上用作合成氨的原料,从氨又可以制备各种氮肥和硝酸。
因此,氮气也是一种重要的化工原料。
由于氮气的化学性质不活泼,氮气可用来代替稀有气体作焊接金属时的保护气;
氮气或氮气和氩气的混和气体可用来充填灯泡,以防止钨丝的氧化和减慢钨丝的挥发,使灯泡经久耐用。
粮食、水果如处于低氧高氮的环境中,能使害虫缺氧窒息而死,同时能使植物种子处于休眠状态,代谢缓慢,所以可利用氮气保存粮食、水果等农副产品。
1.选择题:
(1)氮分子的结构很稳定的原因是[]
A.氮分子是双原子分子
B.氮分子是极性分子
C.氮分子是非极性分子
D.氮分子中有三个共价键,其键能大于一般的双原子分子
(2)下列气体中,只能用排水集气法收集的是[]
A.CO2B.NO
C.NO2D.H2
(3)在NO2跟水的反应中,NO2[]
A.是氧化剂
B.是还原性
C.既是氧化剂,又是还原剂
D.既不是氧化剂,又不是还原剂
(4)氮的某种氧化物是同体积氢气质量的22倍,其中氧化物中氮与氧两种元素的质量比是7∶4,则该氧化物的分子式是[]
A.N2OB.NO
C.N2O3D.NO2
2.使含有硫化氢和水蒸气的空气,依次通过氢氧化钠溶液、浓硫酸和灼热的铜丝,最后所得的气体含有哪些成分?
为什么?
写出有关反应的化学方程式。
3.5个集气瓶里分别装有下列各种气体:
氯气、氧气、氮气、二氧化碳和二氧化硫。
根据哪些性质鉴别它们?
4.怎样鉴别二氧化氮和溴蒸气?
第三节氨铵盐
一、氨
1.氨分子的结构
氮原子的最外电子层有5个电子,电子排布式是2S22P3,在氨分子中,氮原子的3个未成对的2p电子分别与3个氢原子中的1s电子形成共用电子对,也就是说,氮以三个共价键与三个氢原子联结:
氨分子中的N—H键是极性键。
经实验测定,氨分子的结构呈三角锥形,氮原子位于锥顶,三个氢原子位于锥底,N—H键之间的键角为107°
18′,所以说氨分子是一个极性分子(图7-2)。
2.氨的物理性质
氨是没有颜色、具有刺激性气味的气体。
在标准状况下,氨的密度是0.771克/升,比同体积的空气轻。
由于氨分子中氢原子是与电负性很大而原子半径较小的氮原子以共价键结合的,因而如同水分子一样,氨分子之间也可形成氢键。
由于氢键的形成,氨分子间的引力增强,使氨很容易液化。
在常压下冷却到-33.35℃或在常温下加压到7×
105-8×
105帕,气态氨就凝结为无色的液体,同时放出大量的热。
液态氨气化时要吸收大量的热,而使它周围温度急剧降低,因此,氨常用作致冷剂。
氨极易溶解于水。
在常温下,1体积水约可溶解700体积氨,氨的水溶液叫做氨水。
3.氨的化学性质
(1)氨跟水的反应
〔实验7-1〕在干燥的圆底烧瓶里充满氨气,用带有玻璃管和滴管(滴管里预先吸入水)的塞子塞紧瓶口。
立即倒置烧瓶,使玻璃管插入盛有水的烧杯(水里事先加入少量酚酞溶液),挤压滴管的胶头,使少量水进入烧瓶。
烧杯里的水即由玻璃管喷入烧瓶,形成红色的喷泉(图7-3)。
实验表明,氨极易溶于水,大量氨溶于水后,烧瓶里的压强迅速减小,这时外界的大气压就把烧杯里的水迅速压上去,形成了喷泉。
同时,可以看到这含有少量酚酞的水变成红色,表明氨水具有碱性。
根据加热浓氨水时有氨气逸出,以及氨水在低温时能析出氨的结晶水合物——一水合氨(NH3·
H2O)的实验事实,可知氨溶于水中,大部分与水结合成一水合氨(NH3·
H2O),NH3·
H2O是由氨分子和水分子通过氢键结合起来的。
一水合氨很不稳定,受热就会分解而生成氨和水:
使酚酞溶液变红色。
氨在水中的反应可用下式表示:
也可简单表示如下:
(2)氨跟酸的反应
〔实验7-2〕拿一根玻璃棒在浓氨水里蘸一下,另一根玻璃棒在浓盐酸里蘸一下,使这两根玻璃棒接近(不要接触),就有大量的白烟产生(图7-4)。
这白烟是氨水里挥发出的氨跟浓盐酸挥发出的氯化氢化合所生成的微小的氯化铵晶体:
NH3+HCl=NH4Cl
氨同样能跟其它的酸化合生成铵盐。
如把氨通入硝酸或硫酸中,就会生成硝酸铵或硫酸铵:
NH3+HNO3=NH4NO3
2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4
(3)氨跟氧气的反应
在催化剂(如铂、氧化铁、氧化铬等)存在的情况下,氨跟氧气发生如下的反应:
〔实验7-3〕慢慢把空气通入盛浓氨水的锥形瓶中,再将红热的螺旋状铂丝①接近液面,但不要使铂丝跟氨水接触(图7-5)。
可观察到锥形瓶中有棕色气体生成②,这是因为氨被氧化为一氧化氮,后者再遇氧气生成二氧化氮。
同时,还可观察到铂丝继续保持红热,这是因为氨分子跟氧分子在铂丝表面上进行的这个反应是放热的。
上述反应叫做氨的催化氧化(或叫接触氧化),它是工业上制硝酸的基础。
4.氨的实验室制法
在实验室里常用给铵盐和碱加热的方法来制取氨。
〔实验7-4〕给试管里的氯化铵和消石灰的混和物加热,用倒立的干燥的试管收集氨(图7-6)。
把润湿的红色石蕊试纸放在试管口,观察试纸颜色的变化,可以试验氨是否已经充满试管。
实验室中要制取干燥的氨,通常使制得的氨通过碱石灰①,以吸收其中的水蒸气。
5.氨的用途
氨是一种重要的化工产品。
它不仅是氮肥工业的基础,同时又是制造硝酸、铵盐、纯碱等的重要原料。
氨在有机合成工业(如合成纤维、塑料、染料等)里也是一种常用的原料。
氨又是一种常用的致冷剂。
〔讨论〕
(1)液氨与氨水有什么不同?
在氨水里有哪些分子和离子?
(2)氨和铵有什么不同?
二、铵盐
的化合物。
铵盐都是晶体,能溶解于水。
铵盐的化学性质如下:
1.铵盐受热分解
〔实验7-5〕给试管里的氯化铵晶体加热,观察发生的现象(图7-7)。
受热时,氯化铵分解生成氨和氯化氢,冷却时,它们又重新结合生成氯化铵。
NH3+HCl=NH4Cl
碳酸氢铵受热时,分解生成氨、水和二氧化碳。
铵盐受热容易分解,分解时,一般放出氨。
2.铵盐跟碱的反应
铵盐能跟碱起反应放出氨气。
例如:
这个性质是一切铵盐的通性。
实验室里就利用这样的反应来制取氨,同时也可以利用这个性质来检验铵离子的存在。
铵盐在工农业生产上有着重要的用途。
大量的铵盐用作氮肥。
硝酸铵还用来制炸药。
氯化铵常用作印染和制干电池的原料,它也用在金属的焊接上,以除去金属表面上的氧化物薄层。
(1)氨水呈弱碱性是由于[]
A.常温下溶于水中的氨很少
B.氨分子很难电离
C.氨溶于水中,大部分与水结合成一水合氨,一水合氨只有很小部分电离
D.氨是共价化合物,分子组成中不含离子
(2)下列气体中,不能用浓硫酸来干燥的是[]
A.H2SB.NH3
C.H2D.HCl
(3)下列不属于铵盐所共有的性质是[]
A.都是晶体
B.都能溶于水
C.常温时易分解
D.都能跟碱反应放出氨气
(4)下列气体的制取中,与氨气的实验室制取装置相同的是[]
A.Cl2B.CO2
C.H2D.O2
(5)能将NH4Cl、(NH4)2SO4、NaCl、Na2SO44种溶液一一区分开的试剂是[]
A.NaOH溶液B.AgNO3溶液
C.BaCl2溶液D.Ba(OH)2溶液
2.有一种白色晶体,它跟NaOH共热时,放出一种无色气体,这种气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝;
此白色晶体跟浓H2SO4共热时,也能放出一种无色气体,这种气体能使湿润的蓝色石蕊试纸变红。
如果这两种气体相遇时,会发生白烟。
原来的白色晶体是什么物质?
3.碘受热变成蒸气,碘蒸气遇冷变成碘;
氯化铵受热分解生成的气体遇冷仍变成氯化铵,这两种现象本质上是否相同?
4.制备1升含氨10%的氨水(密度是0.96克/厘米3),需要用多少体积的氨气(标准状况下)?
5.350体积(标准状况下)的氨溶解在1体积的水里,这种氨水的百分比浓度是多少?
摩尔浓度是多少?
(这种氨水的密度是0.924克/厘米3)
6.用氢氧化钙和氯化铵各10克,在标准状况下可以制得多少升的氨气?
如果把这些氨配成500毫升的氨水,这种溶液的摩尔浓度是多少?
第四节硝酸的工业制法
硝酸是一种重要的化工产品,它是制造炸药、染料、塑料、硝酸盐和许多其它化工产品的重要原料。
现代生产硝酸最重要的方法是氨的催化氧化法,这个方法的生产过程大致可分为两个阶段:
(1)氨氧化生成一氧化氮;
(2)一氧化氮氧化生成二氧化氮,二氧化氮被水(或稀硝酸)吸收而生成硝酸。
1.氨的氧化
将氨和净化后的空气以一定比混和,进入氧化炉(图7-8)。
氧化炉的中部有多层水平的铂铑合金网作为催化剂,在800℃的高温下,氨跟氧气在网上进行反应生成一氧化氮和水蒸气,同时放出大量的热。
2.硝酸的生成
一氧化氮经过冷却,再被空气中的氧氧化成二氧化氮。
2NO+O2=2NO2+113.1千焦
最后,在吸收塔内二氧化氮被水吸收,就得到了硝酸。
3NO2+H2O=2HNO3+NO+136.0千焦
从这一反应看,只有2/3的二氧化氮转化为硝酸,而1/3的二氧比氮转化为一氧化氮。
因此,常在吸收反应进行过程中补充一些空气,使生成的一氧化氮再氧化为二氧化氮,二氧化氮溶于水又生成硝酸和一氧化氮。
经过这样多次的氧化和吸收,二氧化氮可以比较完全地被水吸收,能够尽可能多地转化为硝酸。
从吸收塔出来的尾气中尚含有少量未被吸收的一氧化氮和二氧化氮,如果不加处理就排放到空气中,会造成污染,严重危害人体健康及农作物生长。
为消灭氮的氧化物对大气的污染,变废为宝,将尾气通入碱液吸收塔,用碱液吸收,可制得重要的化工原料亚硝酸钠:
NO+NO2+2NaOH=2NaNO2+H2O
用上述方法制得的硝酸的浓度一般为50%左右,如果要制取更浓的硝酸,可用硝酸镁(或浓硫酸)作为吸水剂,将稀硝酸蒸馏浓缩,就可以得到96%以上的浓硝酸。
1.简述氨氧化制取硝酸的化学反应原理,并写出有关反应的化学方程式。
2.雷雨时,雨水里可含有微量的硝酸。
人们曾模拟自然界的这一过程,用电弧法生产硝酸。
当空气通过电极之间的电弧时,极高的温度,导致氮气氧化为一氧化氮。
但即使在3000℃的高温,也只能生成5%(按体积计)的NO。
由于耗电多,产率低,这个方法已逐渐被其它方法代替。
试写出用电弧法生产硝酸的有关的化学方程式。
3.氨氧化制硝酸时,如果由氨制成一氧化氮的产率是96%,由一氧化氮制成硝酸的产率是92%。
10吨氨可以制备多少吨50%的硝酸?
4.制备6摩/升HNO3溶液250毫升,需用65.3%的浓硝酸(密度是1.4克/厘米3)多少毫升?
第五节硝酸硝酸盐
一、硝酸
1.硝酸的物理性质
纯硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体,密度为1.5027克/厘米3,沸点83℃,凝固点-42℃。
它能以任意比溶解于水。
常用的浓硝酸的浓度大约是69%。
浓度为98%以上的浓硝酸在空气里由于硝酸的挥发而产生“发烟”现象,通常叫做发烟硝酸。
这是因为硝酸里放出的硝酸蒸气遇到空气里的水蒸气生成了极微小的硝酸液滴的缘故。
2.硝酸的化学性质
硝酸是一种强酸。
它除了具有酸的通性以外,还有它本身的特性。
(1)硝酸的不稳定性
硝酸很不稳定,容易分解。
纯净的硝酸或浓硝酸在常温下见光就会分解,受热时分解得更快。
硝酸越浓,就越容易分解。
分解放出的二氧化氮溶于硝酸而使硝酸呈黄色。
为了防止硝酸分解,必须把它盛在棕色瓶里,贮放在黑暗而且温度低的地方。
(2)硝酸的氧化性
硝酸是一种很强的氧化剂,不论稀硝酸还是浓硝酸都有氧化性,几乎能跟所有的金属(除金、铂等少数金属外)或非金属发生氧化-还原反应。
〔实验7-6〕在放有铜片的两个试管里,分别加入少量浓硝酸和稀硝酸,观察现象。
浓硝酸和稀硝酸都能跟铜起反应。
前者反应激烈,有红棕色的气体产生;
后者反应较缓慢,有无色气体产生,在试管口变红棕色。
以上反应的化学方程式分别是:
Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑2H2O
3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
从上述两个反应可以看出:
硝酸跟金属发生反应时,主要是正五价的氮得到电子,被还原成较低价的氮的化合物,并不象盐酸跟较活泼金属反应那样放出氢气。
除金、铂等少数几种金属外,硝酸几乎可以使所有的金属氧化而生成硝酸盐。
值得注意的是,有些金属如铝、铁等常温下在浓硝酸中会发生钝化现象。
这是因为浓硝酸将它们的表面氧化成一层薄而致密的氧化物薄膜,因而阻止了进一步反应的缘故。
所以,可以用铝槽车装盛浓硝酸。
浓硝酸和浓盐酸的混和物(物质的量之比1∶3)叫做王水,它的氧化能力更强,能使一些不溶于硝酸的金属,如金、铂等溶解。
硝酸还能使许多非金属(如碳、硫、磷)及某些有机物(如松节油、锯末等)氧化。
4HNO3+C=2H2O+4NO2↑+CO2↑
3.硝酸的实验室制法
硝酸有挥发性,所以,在实验室里可以把硝酸盐跟浓硫酸共同加热来制取它。
二、硝酸盐
多数硝酸盐是无色晶体,极易溶于水。
硝酸盐性质不稳定,加热易分解放出氧气,所以,在高温时硝酸盐是强氧化剂。
〔实验7-7〕给试管里的硝酸钾加热到熔融,把带有火星的细木条伸进试管口检验放出的气体,同时观察放出气体的颜色和试管中剩余物的颜色。
分别用硝酸铜、硝酸银晶体代替硝酸钾,做上面的实验。
从实验可知,各种硝酸盐加热后都会分解,一般地说,在金属活动性顺序表里镁以前的比较活泼金属的硝酸盐,加热时放出氧气并生成亚硝酸盐。
在金属活动性顺序表里位于镁和铜之间的金属的硝酸盐,在加热时,生成金属氧化物、二氧化氮和氧气。
活动性很小的金属的硝酸盐,即在金属活动性顺序表里铜以后的金属的硝酸盐,在加热时生成金属单质、二氧化氮和氧气。
由于硝酸盐是氧化剂,所以,用硝酸钾和易燃的硫粉、炭粉可配制成黑色火药。
(1)将分别盛有浓盐酸、浓硫酸、浓硝酸的烧杯露置于空气中,其中,质量增加的是____,原因是________;
质量减少的是____,原因是____。
(2)下面的事实各说明了硝酸的什么特性?
2.硝酸和硫酸、盐酸的性质有什么相同点和不同点?
怎样用实验方法来鉴别这三种酸?
3.依次写出下列变化的化学方程式,并注明反应发生的条件。
N2→NH3→NO→NO2→HNO3→NH4NO3
4.把铜片放到下列各种酸里各有什么现象发生?
能起反应的写出化学方程式,不能起反应的说明理由。
(1)稀盐酸,
(2)浓硫酸,(3)稀硫酸,(4)浓硝酸,(5)稀硝酸。
5.3.5摩/升的稀硝酸溶液50毫升与足量的铜起反应,生成多少克硝酸铜?
计算生成的一氧化氮在标准状况下的体积。
6.写出下列4种硝酸盐受热分解的化学方程式:
NaNO3、Ca(NO3)2、Fe(NO3)3、Hg(NO3)2。
7.62%的硝酸溶液(密度为1.38克/厘米3)的摩尔浓度是多少?
若将这种浓硝酸100毫升稀释至500毫升,它的摩尔浓度是多少?
8.给硝酸钠晶体跟浓硫酸和铜共热,将会发生什么现象?
用这种方法可以鉴定硝酸盐吗?
对于很稀的硝酸盐溶液用这种方法鉴定行不行?
第六节氧化-还原反应方程式的配平
在初中化学里,我们学过一些氧化-还原反应,这些氧化-还原反应的化学方程式比较简单,反应物和生成物的系数是较小的整数,不难通过观察来配平。
但是,在高中化学里已经学到的或以后将会学到的较复杂的氧化-还原反应,如硝酸跟金属或非金属的反应等,就不容易用观察的方法来配平它们的化学方程式。
那么,这些复杂的化学方程式怎样配平呢?
我们知道,氧化-还原反应的本质是参加反应的原子间的电子转移(包括电子得失和电子对的偏移),原子间的电子转移可以用元素的化合价的升降来表示。
因此,氧化-还原反应的化学方程式可以通过分析电子转移或化合价升降来配平。
在这里,我们学习用化合价升降的方法来配平化学方程式。
〔例题1〕配平铜跟稀硝酸反应的化学方程式。
〔解〕1.先写出反应物和生成物的分子式,并列出发生氧化和还原的元素的正负化合价。
2.列出元素的化合价的变化。
3.使化合价的升高和降低的总数相等。
4.用观察的方法配平其它物质的系数。
在上述反应里,有6个
子结合成水。
配平后,把单线改成等号。
3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
〔例题2〕配平碳跟硝酸起反应的化学方程式。
〔解〕1.写出反应物和生成物的分子式,列出发生氧化-还原反应的元素的正负化合价。
2.列出元素的化合价变化。
4.配平其它物质的系数,把单线改成等号。
C+4HNO3=4NO2↑+CO2↑+2H2O
1.配平下列氧化-还原反应的化学方程式,并指出哪种元素被氧化了,哪种元素被还原了。
(1)SO2+O2——SO3
(2)P+Cl2——PCl3
(3)NaBr+Cl2——NaCl+Br2
(4)Fe+FeCl3——FeCl2
(5)KClO3——KCl+O2
2.配平下列氧化-还原反应的化学方程式。
(1)Cu+H2SO4(浓)——CuSO4+SO2+H2O
(2)MnO2+HCl(浓)——MnCl2+Cl2+H2O
(3)NH3+O2——NO+H2O
(4)NO2+H2O——HNO3+NO
(5)Mg+HNO3(稀)——Mg(NO3)2+NH4NO3+H2O
3.配平过氧化钠跟二氧化碳的反应。
Na2O2+CO2——Na2CO3+O2
(提示:
过氧化
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