化学专题-氮族元素

氮族元素
主讲：黄冈中学高级教师傅全安一、复习策略
(一)复习要点阐述
1、氮族元素性质变化规律
2、氮、磷及其化合物相互转化关系
(二)要点复习的策略及技巧
1、氮和磷
(1)氮气
a．物理性质：纯净的N
2
是一种无色无味的气体，难溶于水，在空气中约占总体积的78%。

b．结构：电子式为，结构式为N≡N，氮氮叁键键能：946kJ·mol－1，键能大，分子结构稳定，化学性质不活泼。

c．化学性质
练1、为什么在常温下N
2
不容易跟其它物质起反应而在高温下却能和许多物质起反应？
N≡N键很稳定，键能为945.8kJ·mol－1，比O=O键(键能为497kJ·mol－1)、H—H键(键能为436kJ·mol－1)键能
大，故N
2
在常温下化学性质不活泼。

在高温高压或放电等情况下N
2获得足够能量使N≡N断裂时氮原子很活泼故能和H
2
、O
2
等许多物质化合。

2NO＋O
2
=2NO2
NO
2＋H
2
O=HNO3＋HNO2①
3HNO
2
=HNO3＋2NO＋H2O②
①×3＋②：3NO
2＋H
2
O=2HNO3＋NO
在密闭容器中NO
2和N
2
O4存在下列平衡：2NO2N2O4
故置于密闭容器中NO
2即可理解为NO
2
和N
2
O4组成的混和物。

d．NO
x 和O
2
溶于水的计算
①NO和O
2
溶于水的计算
练2、在一定条件下将等体积的NO和O
2
组成的混和气体置于试管中并将试管倒立于水中充分反应后残余气体体积约为原总体积的()
练3、将盛有10mL由NO
2和O
2
组成的混和气体的大试管倒立于水中充分反应后残余1mL无色气体求原混和
气体可能有的体积组成。

解：
若残留1mL是O
2
，则：
4NO
2＋2H
2
O＋O2=4HNO3
4mL1mL
4x x
4x＋x＋1=10
x=1.8mL
V(NO
2
)=7.2mL
V(O
2
)=1.8mL
若残留1mL是NO，则由：
3NO
2＋H
2
O=2HNO3＋NO
3mL1mL
知有3mL NO
2没有转化为HNO
3
，则转化为HNO
3
的NO
2
和O
2
为10mL－3mL=7mL。

由:
4NO
2＋O
2
＋H
2
O=4HNO3
4y y 4y＋y=7 y=1.4mL
V(O
2
)=1.4mL
V(NO
2
)=4×1.4＋3=8.6mL
(2)磷
①磷的常见同素异形体：红磷、白磷、紫磷
白磷(P
4
)红磷
白磷：蜡状固体，剧毒，因着火点为40℃故保存在水中切割白磷必须在水中进行。

红磷：暗红色粉末，无毒。

②磷的化学性质
a．和O
2
反应：
b．和Cl
2反应：2P＋3Cl
2
=2PCl3；PCl3＋Cl2=PCl5 （白色烟雾）
c．红磷和白磷性质对比
(3)磷酸：无色透明的晶体，熔点42.35℃，具吸潮性，易溶于水，能和H
2
O以任意比混和。

(4)H
3
PO4的性质：
a．高沸点(213℃)
b．三元酸
NaOH＋H
3
PO4=NaH2PO4＋H2O
2NaOH＋H
PO4=NaHPO4＋2H2O
3
3NaOH＋H
PO4=Na3PO4＋3H2O
3
练4、1mol·L－1 H3PO4 1mL和0.2mol·L－1 KOH溶液13mL充分混和后反应化学方程式为：解：
PO4＋13KOH=3K3PO4＋2K2HPO4＋13H2O
5H
3
1m mol︰2.6m mol=5︰13
PO4的工业制法
c．H
3
H
PO4是非氧化性酸，是一种中等强度的三元酸。

3
(5)磷酸盐
(PO4)2＋2H2PO4(浓)=Ca(H2PO4)2＋2CaSO4
Ca
3
Ca
(PO4)2＋4H3PO4(浓)=3Ca(H2PO4)2
3
(PO4)3F]为原料制备：H3PO4和Ca(H2PO4)2。

工业上常以氟磷灰石[Ca
5
Ca
(PO4)3F＋5H2SO4(浓)=3H3PO4＋5CaSO4↓＋HF↑
5
(PO4)3F＋7H3PO4(浓)=5Ca(H2PO4)2＋HF↑
Ca
3
(6)磷的几种常见的含氧酸见下表
O5＋H2O(冷)=2HPO3(剧毒)
P
2
O5＋3H2O(热)=2H3PO4(无毒)
P
2
磷酸为无色透明晶体，是高沸点的酸。

工业制法为：
常见的磷肥有普钙和重钙：
1、磷的气态氢化物
P和H
2可直接化合生成PH
3
，但很困难，实验室可用Ca
3
P2和H2O反应来制备PH3：Ca3P2＋6H2O=3Ca(OH)2
＋2PH
3
↑。

2、氨、铵盐
(1)物理性质
NH
3
是无色有刺激性气味的气体，在标准状况下ρ=0.771g·L－1，比空气轻，易液化，液氨汽化时吸热使周围温度急剧下降，故常用作制冷剂。

(2)NH3的结构
电子式：
结构式：
分子空间构型为：三角锥形氮氢键间夹角为：107°18′。

(3)NH3的化学性质
①与H
2
O的反应——喷泉实验
a．NH
3
为什么会形成喷泉？
NH
3
极易溶于水导致烧瓶内外形成压强差而形成喷泉。

b．滴入酚酞试液的水溶液为什么显红色？
NH
3
的水溶液呈弱碱性：
复习可逆反应
NH
3
·H2O不稳定受热分解：
NH
3
·H2O分子中NH3与H2O通过氢键结合。

注意：
①不能将NH
3
·H2O写成NH4OH。

②在氨水中大部分NH
3与H
2
O结合生成NH3·H2O。

在NH3·H2O中仅有部分电离出
③氨水中溶质是NH
3而不是NH
3
·H2O。

②NH
3
与HCl反应
NH
3＋HCl=NH
4
Cl ；HNO3＋NH3=NH4NO3
反应实质：NH
3
中N上的孤对电子与H＋形成配位键。

③NH
3与O
2
的反应：
④与Cl
2
反应
8NH
3＋3Cl
2
=N2＋6NH4Cl
⑤与CuO反应
练5、在标准状况下1体积H
2
O吸收700体积NH3后所得溶液密度为0.9g·cm－3求所得氨水溶质质量分数和物质的量浓度。

(4)铵盐
①铵盐受热分解
②铵盐与碱反应：
NO3＋NaOH NaNO3＋NH3↑＋H2O
NH
4
(NH
)2SO4＋2NaOH=Na2SO4＋2NH3↑＋2H2O
4
HCO3＋2NaOH=Na2CO3＋NH3↑＋2H2O
NH
4
(5)铵根离子检验
试剂：NaOH浓溶液：
现象：加热生成有刺激性气味能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体。

Cl？
练6、怎样鉴定一白色晶体是不是NH
4
Cl是由铵根离子()和氯离子(Cl－)组成，因此，要根据和Cl－的特征反应鉴定。

NH
4
①取少量晶体放入试管里，加入NaOH浓溶液，加热，用湿润的红色石蕊试纸靠近管口(不能接触管口)，
生成则原白色晶体中含有。

若试纸变蓝表明有NH
3
②取少量晶体放入试管里，加入1～2毫升水溶解，滴入AgNO
溶液产生白色沉淀，再加入稀硝酸沉淀仍
3
不能溶解，证明含Cl－。

(6)NH
的实验室制法
3
(1)装置：固—固反应要加热。

(2)试剂：消石灰和NH
Cl
4
设问：能否用NaOH代替消石灰？
(3)反应：
思考：
(1)怎样检验氨是否已收集满？
(2)收集NH
3
的试管口放置棉花团的作用是什么？中学化学实验中哪些实验中用到棉花团？
答案：
①实验室用KMnO
4制O
2
；②浓H
2
SO4和Cu反应；③Na2O2和H2O的反应。

(3)NH
3
是否是大气污染物？
(4)实验室用什么试剂干燥NH
3
？
(5)如何用实验的方法证明某白色固体是铵盐？
(6)能否用加热浓氨水的方法快速制备NH
3
？
练7、制取氨气并完成喷泉实验(图中夹持装置均已略去)。

(1)写出实验室制取氨气的化学方程式：______________________________。

(2)收集氨气应使用__________法，要得到干燥的氨气可选用__________做干燥剂。

(3)用图1置进行喷泉实验，上部烧瓶已装满干燥氨气，引发水上喷的操作是__________。

该实验的原理是____________________。

(4)如果只提供如图2的装置，请说明引发喷泉的方法。

解析：
(1)实验室加热NH
4
Cl和Ca(OH)2的固体混合物制取NH3。

(2)NH3极易溶于水，不能用排水法收集。

(3)喷泉产生的原因是：圆底烧瓶内外存在着压强差，大气压将烧杯中的水压入圆底烧瓶。

答案：
(1)2NH
4
Cl＋Ca(OH)22NH3↑＋CaCl2＋2H2O
(2)向下排空气法。

碱石灰。

(3)打开止水夹挤出胶头滴管中的水；氨气极易溶解于水，致使烧瓶内气体压强迅速减小。

(4)打开夹子，用手(或热毛巾等)将烧瓶捂热，NH
3受热膨胀，赶出玻璃导管的空气，NH
3
与H
2
O接触即发
生喷泉。

(7)氮的其它几种氢化物
2Na＋2NH
3
(l)=2NaNH2＋H2↑
联氨俗名肼熔点20℃，在室温下为无色液体。

羟氨：NH
2
OH
叠氮酸：HN
3
结构式：H—N=N≡N
3、硝酸
分子式：HNO
3
结构简式：HO—NO
2
结构式：
HNO
3是无色，易挥发，有刺激性气味的液体。

ρ=1.5027g·cm－3，沸点83℃，实验室常用浓HNO
3
溶质质量
分数为w(HNO
3
)=69%，98%以上的浓HNO3叫发烟HNO3。

(1)硝酸的特性
HNO
3
是一元强酸，除具有酸的通性外还具有如下特性：
①不稳定性
练8、实验室久置的浓HNO
3常呈黄色。

这是因为：生成的NO
2
溶于浓
HNO3所至。

因此实验室保存浓HNO3的方法是：将浓HNO3盛放在棕色试剂瓶中并贮放在黑暗处且温度低的地方。

②氧化性
硝酸不论浓、稀都是氧化性的酸，硝酸与金属或非金属反应规律总结如下：
a．金属与硝酸反应主要不生成氢气，因为H＋得电子的能力不及硝酸中＋5价氮元素得电子的能力强。

b．较不活泼的金属和硝酸反应，如果是浓硝酸，则还原产物一般是NO
2，如果是稀HNO
3
，则还原产物一
般是NO，金属则被氧化成相应的硝酸盐。

如：
Cu＋4HNO
3
(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O
3Cu＋8HNO
3
(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
c．常温下，Fe、Al在浓硝酸中钝化，因此常温下可用铝槽车或铁槽车装运浓硝酸。

d．非金属单质和浓硝酸反应，非金属被氧化成最高价氧化物或最高价氧化物对应的水化物。

如：
C＋4HNO
3
(浓)2H2O＋4NO2↑＋CO2↑
S＋2HNO
3
(浓)=H2SO4＋2NO↑
3P＋5HNO
3
(浓)＋2H2O=3H3PO4＋5NO↑
练9、实验室制备NO
2的试剂是：Cu和浓HNO
3
，所用装置类型：液—固反应要加热；反应的化学方程式为：
Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，为保护环境尾气可用NaOH溶液吸收反应的化学方程式：2NO2＋2NaOH=NaNO3＋NaNO2＋H2O，用Na2CO3溶液吸收反应的化学方程式为：2NO2＋Na2CO3=NaNO2＋NaNO3＋CO2↑。

练10、实验室用Cu和稀HNO
3
反应制备NO，NO比空气重，收集NO的方法是：排水集气法。

实验室制备NO的尾气可用Na2CO3溶液来吸收反应化学方程式：NO＋NO2＋Na2CO3=2NaNO2＋CO2。

(8)硝酸的工业制法
练11、340t液氨在理论上可制多少吨质量分数为50%的HNO
3
？需标准状况下氧气多少升？
解：
由4NH
3＋5O
2
=4NO＋6H2O
2NO＋O
2
=2NO2
3NO
2＋H
2
O=2HNO3＋NO
得关系式：NH
3——HNO
3
17t63t
340t0.5x
17t︰340t=63t︰0.5x
x=2520t
由：4NO＋2H
2
O＋3O2=4HNO3
4NH
3＋5O
2
=4NO＋6H2O
得关系式：NH
3＋2O
2
=HNO
3
＋H
2
O
17t2×22.4×106L
340t y
170t︰340t=2×22.4×106L︰y
y=8.96×108L
(9)亚硝酸盐的性质及用途
1、HNO
2
HNO
2
中＋3价氮既有氧化性，又有还原性，以氧化性为主。

NaCl和NaNO
2
都是两种外观相似的白色晶体，怎样鉴别？
二、典例剖析
例1、将30mL NO
2和O
2
的混合气体通入倒置于水槽装满水的量筒中，充分反应后，量筒内剩余5mL气体，则
原混合气的组成是() A．NO2：20mL；O2：10mL
B．NO2：27mL；O2：3mL C．NO2：15mL；O2：15mL D．NO2：25mL；O2：5mL 提示：
若剩余5mL气体是O
2，则完全反应的NO
2
和O
2
的总体积为(30－5)mL=25mL，
4NO
2＋O
2
＋2H
2
O=4HNO3，
4x x
4x+x=25x=5mL 则体积组成为
V(NO
2
)=20mLV(O2)=5mL+5mL=10mL
若剩余5mL气体为NO，由3NO
2＋H
2
O=2HNO3＋NO知与没有转化为HNO3的NO2有15mL，则完全反应
的NO
2和O
2
的总体积为(30－15)mL=15mL，所以
4NO
2
＋O2＋2H2O=4HNO3
4y y
4y+y=15y=3mL体积组成为：V(NO
2
)=12mL+15mL=27mL
V(O
2
)=3mL
答案：AB
例2、把CO
2和NO的混合气体V mL缓慢地通过足量的Na
2
O2固体，体积缩小到，则混合气体中CO2
和NO的体积比不可能是()
A．3︰4B．3︰2 C．2︰1D．5︰4
又因为2NO＋O
2
=2NO2知NO→NO2反应前后气体体积不变，故只有符合v(CO2)︰v(NO)≥1均不合题意。

答案：A
例3、在100mL由HNO
3和H
2
SO4组成的混和液中已知c(HNO3)=0.4mol·L－1，c(H2SO4)=0.1mol·L－1，向该溶液中
加入1.92gCu粉加热，待充分反应后所得溶液中Cu2＋物质的量浓度是() A．0.15mol·L－1B．0.225mol·L－1
C．0.35mol·L－1D．0.45mol·L－1
解析：
在酸性溶液中可氧化Cu，
n(H＋)=0.4mol·L－1×0.1L＋0.1mol·L－1×0.1L×2=0.06mol，。

由：3Cu＋8H＋＋=3Cu2＋＋2NO↑＋4H
2
O
38 2
0.03mol0.06mol0.04mol
知Cu和过量，以n(H＋)=0.04mol为计算标准。

答案：B
例4、把3mL NO
2气体依次通过下列3个分别装有足量的①饱和NaHCO
3
溶液；②浓H
2
SO4，③Na2O2固体的装
置后，用排水法把残留气体收集到集气瓶中，集气瓶内的气体应是(气体体积均在相同条件下测定)() A．1mL NO B．2mL NO2和0.5mL O2
C．2mL O2D．0.25mL O2
在相同状况下气体体积之比等于其物质的量之比。

3NO
2＋H
2
O=2HNO3＋NO
1mol2mol1mol
NaHCO
3＋HNO
3
=NaNO
3
＋CO
2
↑＋H
2
O 2mol2mol
Na
2
O2＋CO2＋NO=Na2CO3＋NO2 1mol1mol1mol
2Na
2
O2＋2CO2=2Na2CO3＋O2
1mol0.5mol
4NO
2＋O
2
＋2H
2
O=4HNO3
4mol1mol
1mol0.25mol
v(O
2
)=0.5mL－0.25mL=0.25mL
答案：D
例5、为了防治环境污染并对尾气进行综合利用，某硫酸厂用氨水吸收尾气中的SO
2
，再向吸收液中加入浓硫
酸，以回收SO
2并得到副产品化肥(NH
4
)2SO4和NH4HSO4。

为测定上述(NH
4
)2SO4和NH4HSO4固体混合物的组成，现称取该样品四份，分别加入相同浓度的NaOH溶
液各40.00mL，加热至120℃左右，使氨气全部逸出[(NH
4
)2SO4和NH4HSO4的分解温度均高于200℃]，测得有关实验数据如下(标准状况)：
(1)尾气综合利用过程中有关反应的化学方程式为______________________________；
(2)由Ⅰ组数据直接推测：标准状况下3.7g样品进行同样实验时，生成氨气的体积为__________L；
(3)试计算该混合物中(NH
4
)2SO4和NH4HSO4的物质的量之比__________；
(4)欲计算该NaOH溶液的物质的量浓度应选择第__________组数据，由此求得NaOH溶液的物质的量浓度为____________________。

解析：
从离子反应角度分析混和物(NH
4
)2SO4 NH4HSO4和NaOH反应，当样品和碱液混和后OH－首先和H＋反应待H＋耗尽后才和反应放出NH3。

据此可知Ⅰ组数据表明NaOH过量样品完全反应，Ⅱ组数据表明样品增大1
倍而NH
3
体积并没有增大1倍，表明NaOH耗尽样品过量。

Ⅲ组数据表明NaOH中和完样品中H+后，又和部
分反应放出NH
3
故可选择Ⅲ组数据计算c(NaOH)。

答案：
(1)2NH
3＋SO
2
＋H
2
O=(NH4)2SO3；(NH4)2SO3＋H2SO4=(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O
(NH
4
)2SO4＋SO2＋H2O=NH4HSO4
(2)Ⅰ组NaOH过量，故有：7.4g︰1.68L=3.7g︰x；x=0.84L
(3)Ⅰ组数据表明NaOH过量，(NH
4
)2SO4、NH4HSO4样品完全反应，设(NH4)2SO4为xmol，NH4HSO4为y mol，则
例6、将一种氮的无色气态氧化物A置于密闭可变容器中加热，测得密闭可变容器内压强逐渐减小，当温度上
升至473K时绝大部分气体A转化为气体B此时测得密闭容器中气体的密度约为原来的，温度继续上升1至873K时B气绝大部分分解一种单质气体C和另一种氮的气态氧化物D，此时测得密闭容器中气体的密度约为473K时密闭容器内气体压强的，当降低温度时密闭容器中气体密度逐渐增大，最后仍然得到A气(上述一系列转化均保持密闭容器中压强为1.05×105帕)试解答下列问题：
(1)写出下列物质的分子式：
A：____________________B：____________________
C：____________________D：____________________
(2)用化学方程式表示下列转化过程并填写空白。

____________________若维持密闭容器体积内温度为473K缩小容器体积观察到的现象是：________________________________________。

解析：
由473K时绝大部分A转化为气体B此时测得密闭容器中气体密度约为原来的可知A转化为B气体增
大至原体积的2倍即可写出：当温度上升至873K时，NO
2
(即B)分解成一种气体单质(O2)
和气体D(氮的氧化物)可写出：可知C为O
2
，D为NO。

答案：
(1)A：N
2
O4B：NO2C：O2D：NO
例7、已知：；4NO＋3O
2＋2H
2
O=4HNO3。

设空气中氧气的体积分数为0.20，氮气体积分数为0.80，请完成下列填空及计算：
(1)a mol NO完全转化为HNO
3
需要氧气__________mol。

(2)为使NH
3
恰好完全氧化为一氧化氮，氨—空气混合物中氨的体积分数为__________(保留2位小数)。

(3)20.0moL的NH
3用空气氧化，产生混合物的组成为：NO 18.0mol、O
2
12.0mol、N2150.0mol和一定量
的硝酸，以及其他成分。

(高温下NO和O
2不反应)计算氨转化为NO和HNO
3
的转化率。

(4)20.0moL的NH
3和一定量空气充分反应后，再转化为HNO
3。

①在下图中画出HNO
3
的物质的量n(A)和空气的物质的量n(B)关系的理论曲线。

②写出当125≤n(B)≤200时，n(A)和n(B)的关系式____________________。

(3)利用4n(O
2
)=n(N2)列方程。

设生成HNO3的物质的量为x mol，则制备x mol HNO3消耗n(O2)。

由下式求出：
4NO＋2H
2
O＋3O2=4HNO3①
4HN
3＋5O
2
=4NO＋6H2O②
①式＋②式得：
NH
3＋2O
2
=HNO3＋H2O 2x x
(4)①设20.0mol NH
3
恰好转化为NO时，耗；n(空)=25.0mol÷0.2=125mol，此时无HNO3生成，故有点P(125，0)。

设20.0mol NH
3完全转化为HNO
3
，则耗O
2
为：
需n(空气)=40mol÷0.2=200mol
此时20mol NH
3恰好完全转化为20mol HNO
3
可写出点Q(200，20)，可在坐标图上描出图象(见答案中图象)。

②当125＜n(B)＜200时，NO部分转化为HNO
3
4NH
3＋5O
2
=4NO ＋6H
2
O
45 4
20.0mol n(O
2
)n(NO)
n(NO)=20.0mol n(空气)=25.0mol÷0.2=125mol，剩余空气[n(B)－125.0]mol。

答案：
(1)0.75a mol(2)0.14(3)97.5%
(4)①见图。