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考點22　硝酸的性質(zhì) 知識條目 加試要求 1.硝酸的性質(zhì)與用途 b 2.工業(yè)制取硝酸的設(shè)備和流程 b 一、硝酸的性質(zhì) 1．硝酸的物理性質(zhì) 純硝酸是無色，有刺激性氣味的液體，具有揮發(fā)性，工業(yè)硝酸常因溶有少量NO2而略帶黃色。工業(yè)硝酸的質(zhì)量分數(shù)約為69%。 2．硝酸的化學性質(zhì) (1)酸性——酸的通性：稀HNO3能使紫色的石蕊試液變紅。 (2)不穩(wěn)定性：硝酸不穩(wěn)定，見光或受熱易分解，其反應(yīng)方程式：4HNO32H2O＋4NO2↑＋O2↑。因此，濃硝酸應(yīng)盛放在棕色細口試劑瓶中，置于冷暗處，不能用橡膠塞。 (3)強氧化性 ①與金屬(除Pt、Au外)的反應(yīng)：Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)的化學方程式分別為3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O；Cu＋4HNO3(濃)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。鐵、鋁遇冷的濃HNO3能發(fā)生鈍化，故可用鐵、鋁的容器貯存或運輸冷的濃HNO3。 ②與非金屬的反應(yīng)：如與C和S的反應(yīng)，其反應(yīng)方程式分別為C＋4HNO3(濃)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O，S＋6HNO3(濃)H2SO4＋6NO2↑＋2H2O。 (4)其他性質(zhì) ①與某些有機物反應(yīng)：例如，苯的硝化反應(yīng)，蛋白質(zhì)的顯色反應(yīng)等。 ②王水：濃硝酸和濃鹽酸以1∶3的體積比混合配制成王水，它的氧化性比HNO3更強，能溶解金、鉑等金屬。 二、硝酸的強氧化性的特殊表現(xiàn) 1．硝酸與金屬反應(yīng) (1)金屬與硝酸反應(yīng)一般不生成H2。濃HNO3一般被還原為NO2，稀HNO3一般被還原為NO。 (2)銅與濃HNO3反應(yīng)，若Cu過量，開始時硝酸的還原產(chǎn)物為NO2，隨著反應(yīng)的進行，濃HNO3變稀，硝酸的還原產(chǎn)物為NO，最終能得到NO2和NO的混合氣體。解答有關(guān)計算問題時，可利用電子得失守恒的方法。 2．硝酸與變價金屬氧化物反應(yīng)：如FeO與稀HNO3反應(yīng)：3FeO＋10HNO3(稀)===3Fe(NO3)3＋NO↑＋5H2O，反應(yīng)中硝酸既表現(xiàn)了氧化性，又表現(xiàn)了酸性。而不能錯誤地認為：FeO＋2HNO3===Fe(NO3)2＋H2O。 3．離子共存判斷中的NO∶在極弱酸性、中性或弱堿性條件下，NO氧化性很弱或幾乎沒有氧化性，但溶液中有大量H＋存在時，NO表現(xiàn)出強氧化性，此時不能與Fe2＋、S2－、I－、SO、Br－等還原性離子共存。 三、硝酸的工業(yè)制法及用途 1．硝酸的工業(yè)制法 (1)NH3的催化氧化，在氧化爐(轉(zhuǎn)化器)中進行，化學反應(yīng)方程式為4NH3＋5O24NO＋6H2O。 (2)生成NO2：2NO＋O2===2NO2。 (3)水吸收NO2：在吸收塔中進行，反應(yīng)的化學方程式為3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。 2．硝酸的用途 硝酸是一種重要的化工原料，用于制備氮肥、染料、塑料、炸藥、硝酸鹽等。 【例1】　下述實驗中均有紅棕色氣體產(chǎn)生，對比分析所得的結(jié)論不正確的是(　　) A.由①中的紅棕色氣體，推斷產(chǎn)生的氣體一定是混合氣體 B．紅棕色氣體不能表明②中木炭與濃硝酸產(chǎn)生了反應(yīng) C．由③說明濃硝酸具有揮發(fā)性，生成的紅棕色氣體為還原產(chǎn)物 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(yīng) 【解析】　題中涉及實驗都在加熱條件下，濃硝酸不穩(wěn)定，加熱分解生成的二氧化氮氣體為紅棕色，且加熱條件下，濃硝酸可與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)。加熱條件下，濃硝酸分解生成二氧化氮和氧氣，則產(chǎn)生的氣體一定是混合氣體，故A正確；在加熱條件下，濃硝酸可分解生成二氧化氮，不一定與碳反應(yīng)生成，故B正確；硝酸中N元素的化合價為＋5價，生成二氧化氮的N元素化合價為＋4價，化合價降低，故生成的紅棕色氣體為還原產(chǎn)物，故C正確；木炭加熱至紅熱，可與空氣中O2反應(yīng)生成二氧化碳，不一定是與濃硝酸發(fā)生了反應(yīng)，D錯誤。 【答案】　D 【提煉】　本題主要考查濃硝酸的性質(zhì)，側(cè)重考查學生的分析能力和元素化合物知識的綜合理解與運用，注意把握物質(zhì)的性質(zhì)以及實驗的嚴密性和可行性的評價。 【例2】　足量銅與一定量濃硝酸反應(yīng)，得到硝酸銅溶液和NO2、N2O4、NO的混合氣體，這些氣體與1.68LO2(標準狀況)混合后通入水中，所有氣體完全被水吸收生成硝酸。若向所得硝酸銅溶液中加入5molL－1NaOH溶液至Cu2＋恰好完全沉淀，則消耗NaOH溶液的體積是(　　) A．60mLB．45mLC．30mLD．15mL 【解析】　O2為氧化劑，Cu為還原劑，HNO3相當于僅僅發(fā)生了復分解反應(yīng)，n(Cu)＝2n(O2)＝0.15mol，n(NaOH)＝2n(Cu)＝0.3mol，V(NaOH)＝＝0.06L＝60mL，故選A。 【答案】　A 【提煉】　本題要求學生根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電子守恒規(guī)律求算，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。 【例3】　某合金(僅含銅、鐵)中銅和鐵的物質(zhì)的量之和為ymol，其中Cu的物質(zhì)的量分數(shù)為a，將其全部投入50mLbmolL－1的硝酸溶液中，加熱使其充分反應(yīng)(假設(shè)NO是唯一的還原產(chǎn)物)。下列說法正確的是(　　) ①若金屬有剩余，在溶液中再滴入硫酸后，金屬又開始溶解 ②若金屬全部溶解，則溶液中一定含有Fe3＋ ③若金屬全部溶解，且產(chǎn)生336mL氣體(標準狀況)，則b＝0.3 ④當溶液中金屬離子只有Fe3＋、Cu2＋時，則a與b的關(guān)系為：b≥80y(1－a/3) A．①②B．③④C．②③D．①④ 【解析】　若再加入硫酸，其中的NO在酸性條件下能繼續(xù)氧化剩余的金屬，①對；若金屬全部溶解，因為不知HNO3是否過量，鐵可能是Fe2＋，也可能是Fe3＋，②錯；HNO3的量應(yīng)大于NO的量，即：0.05LbmolL－1＞0.336L/22.4 Lmol－1，得b＞0.3，③錯；當溶液中金屬只有Fe3＋、Cu2＋時，金屬全部溶解，據(jù)反應(yīng)3Cu＋8HNO3===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，F(xiàn)e＋4HNO3===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O，知n(HNO3)≥n(Cu)8/3＋4n(Fe)，即：0.05LbmolL－1≥ay8/3＋4y(1－a)，得b≥80y(1－a/3)，④對。 【答案】　D 【提煉】　本題主要考查Fe、Cu與稀硝酸的反應(yīng)，以及在反應(yīng)過程中可能存在的情況，要注意分析金屬過量或酸過量時溶液中可能存在的金屬陽離子，旨在提高學生分析問題的能力。 【例4】　SCR和NSR技術(shù)可有效降低柴油發(fā)動機在空氣過量條件下的NOx排放。 (1)SCR(選擇性催化還原)工作原理： ①尿素[CO(NH2)2]水溶液熱分解為NH3和CO2，該反應(yīng)的化學方程式為________________________________________________________________________。 ②反應(yīng)器中NH3還原NO2的化學方程式為________________________________________________________________________。 ③當燃油中含硫量較高時，尾氣中SO2在O2作用下會形成(NH4)2SO4，使催化劑中毒。用化學方程式表示(NH4)2SO4的形成：________________________________________________________________________。 ④尿素溶液濃度影響NO2的轉(zhuǎn)化，測定溶液中尿素(M＝60gmol－1)含量的方法如下：取ag尿素溶液，將所含氮完全轉(zhuǎn)化為NH3，所得NH3用過量的V1mLc1molL－1H2SO4溶液吸收完全，剩余的H2SO4用V2mLc2molL－1NaOH溶液恰好中和，則尿素溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)是________。 (2)NSR(NOx儲存還原)工作原理： NOx的儲存和還原在不同時段交替進行，如圖a所示。 ①通過BaO和Ba(NO3)2的相互轉(zhuǎn)化實驗NOx的儲存和還原。儲存NOx的物質(zhì)是________。 ②用H2模擬尾氣中還原性氣體研究了Ba(NO3)2的催化還原過程，該過程分兩步進行，圖b表示該過程相關(guān)物質(zhì)濃度隨時間的變化關(guān)系。第一步反應(yīng)消耗的H2與Ba(NO3)2的物質(zhì)的量之比是________。 ③還原過程中，有時會產(chǎn)生笑氣(N2O)。用同位素示蹤法研究發(fā)現(xiàn)笑氣的產(chǎn)生與NO有關(guān)。在有氧條件下15NO與NH3以一定比例反應(yīng)時，得到的笑氣幾乎都是15NNO。將該反應(yīng)的化學方程式補充完整：________15NNO＋H2O。 【解析】　(1)①尿素[CO(NH2)2]水溶液熱分解為NH3和CO2，反應(yīng)物為尿素和水，生成物為氨氣和二氧化碳，依原子守恒書寫化學方程式為CO(NH2)2＋H2O2NH3↑＋CO2↑。②NH3在催化劑作用下與NO2反應(yīng)生成氮氣和水，反應(yīng)的化學方程式為8NH3＋6NO27N2＋12H2O。③SO2在O2作用下與NH3、H2O反應(yīng)形成(NH4)2SO4，此反應(yīng)中SO2是還原劑，氧氣是氧化劑，反應(yīng)的化學方程式為2SO2＋O2＋4NH3＋2H2O===2(NH4)2SO4。④涉及的反應(yīng)為2NH3＋H2SO4===(NH4)2SO4,2NaOH＋H2SO4===Na2SO4＋H2O，反應(yīng)中n(H2SO4)＝V1c110－3mol，n(NaOH)＝V2c210－3mol，由方程式可知n(NaOH)＋n(NH3)＝2n(H2SO4)，則n(NH3)＝(2V1c110－3－V2c210－3) mol，則m[CO(NH2)2]＝0.5(2V1c110－3－V2c210－3) mol60g/mol＝(0.06V1c1－0.03V2c2)g，尿素溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)是[(0.06c1V1－0.03c2V2)/a]100%＝[(6c1V1－3c2V2)/a]%。 (2)①由圖示可知BaO和NOx反應(yīng)生成Ba(NO3)2，Ba(NO3)2再還原為N2，則儲存NOx的物質(zhì)為BaO。②第一步反應(yīng)中H2被氧化生成水，化合價由0價升高到＋1價，Ba(NO3)2中的N元素化合價由＋5價降低到－3價，生成氨氣，則1molBa(NO3)2生成氨氣轉(zhuǎn)移16mol電子，參加反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量為16/2mol＝8mol，則消耗的H2與Ba(NO3)2的物質(zhì)的量之比是8∶1。③在有氧條件下15NO與NH3以一定比例反應(yīng)時，得到的笑氣幾乎都是15NNO，由N元素守恒可知15NO與NH3應(yīng)為1∶1，可知反應(yīng)的化學方程式為415NO＋4NH3＋3O2415NNO＋6H2O。 【答案】　(1)①CO(NH2)2＋H2O2NH3↑＋CO2↑?、?NH3＋6NO27N2＋12H2O ③2SO2＋O2＋4NH3＋2H2O===2(NH4)2SO4　④[(6c1V1－3c2V2)/a]% (2)①BaO?、?∶1　③415NO＋4NH3＋3O2　4　6 【提煉】　本題主要以氮氧化物為載體考查元素化合物知識以及化學方程式的相關(guān)計算，側(cè)重于學生的分析能力和計算能力的考查，題目難度中等，注意把握題給信息，結(jié)合質(zhì)量守恒定律計算該題。 【例5】　已知硝酸銅溶液呈藍色。但在銅與濃硝酸、稀硝酸反應(yīng)的實驗中，同學們發(fā)現(xiàn)除了生成的氣體顏色不相同外，最終溶液的顏色也不相同：前者呈綠色，而后者呈藍色。甲、乙同學為此進行了實驗探究。 甲：在Ⅰ、Ⅱ兩支試管中分別加入等體積的濃HNO3和稀HNO3，再向兩支試管中分別投入等質(zhì)量的銅片，充分反應(yīng)后銅均無剩余。結(jié)果：Ⅰ中溶液呈綠色，Ⅱ中溶液呈藍色。 乙：分別?、裰械木G色溶液于兩支試管Ⅲ、Ⅳ中，對試管Ⅲ進行多次振蕩、靜置，最終溶液顏色由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏{色；向試管Ⅳ中緩緩加水并不停振蕩，觀察到溶液由綠色變?yōu)樯钏{色，最后變?yōu)榈{色。 請回答下列問題： (1)分別寫出Cu與濃HNO3、稀HNO3反應(yīng)的化學方程式：________________________________________________________________________、 ________________________________________________________________________。 (2)甲的實驗________(“能”或“不能”)說明溶液呈現(xiàn)不同的顏色與其物質(zhì)的量濃度無關(guān)，這是因為充分反應(yīng)后，Ⅰ、Ⅱ兩試管中Cu(NO3)2溶液的物質(zhì)的量濃度________(填“相等”或“不相等”)。 (3)請你根據(jù)乙的實驗，推測Cu與濃HNO3反應(yīng)后溶液呈綠色的原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)請設(shè)計一個方案，驗證你所得到的上述結(jié)論：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 【解析】　在甲的實驗中，所得溶液的物質(zhì)的量濃度相等但顏色不同，這足以說明兩試管中的Cu(NO3)2溶液呈現(xiàn)不同的顏色與其物質(zhì)的量濃度無關(guān)。 既然溶液呈現(xiàn)不同的顏色與其物質(zhì)的量濃度無關(guān)，那么溶液顏色不同的原因就要從其他方面分析了。不難看出，除了Cu(NO3)2，不同的只有兩反應(yīng)的氣體產(chǎn)物。NO2可溶于濃硝酸且使溶液呈黃色，根據(jù)物理學原理——黃色與藍色的混合色為綠色，乙的實驗也驗證了這個結(jié)論。而NO不溶于硝酸，所得的溶液毫無疑問應(yīng)該是藍色的。 【答案】　(1)Cu＋4HNO3(濃)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O　3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O (2)能　相等 (3)反應(yīng)產(chǎn)生的紅棕色NO2部分溶解于濃硝酸中，與藍色的硝酸銅溶液混合而使溶液呈綠色 (4)方案一：取Cu與濃HNO3反應(yīng)后的綠色溶液，向其中通入足量的空氣(或氧氣)，溶液顏色由綠色逐漸變?yōu)樗{綠色，最終變?yōu)樗{色 方案二：取Cu與濃HNO3反應(yīng)后的綠色溶液，加熱，溶液顏色由綠色逐漸變?yōu)樗{綠色，最終變?yōu)樗{色(可任選其中一個作答) 【提煉】　本題主要探究銅與濃、稀硝酸反應(yīng)后溶液顏色不同的原因，考查學生分析問題和解決問題的能力。