[测试] 高中化学「氮及其化合物」知识合集

水漫金山
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高中化学「氮及其化合物」知识合集

一、氮气与氮的固定

1. 氮元素的存在

  • 自然界中：主要以双原子分子 N_2 形式存在于大气中，约占空气总体积的 78\%；同时也是构成蛋白质和核酸的必需元素，是农作物生长的营养元素。
  • 氮的化合价：-3、0、+1、+2、+3、+4、+5，对应氧化物：N_2O、NO、N_2O_3、NO_2、N_2O_4、$N_2O_5$（其中 N_2O_3 和 N_2O_5 是酸性氧化物，对应酸为 HNO_2 和 $HNO_3$）。

2. 氮气的结构与物理性质

  • 结构：分子式 N_2，电子式 :N\!\!:\!\!:N:，结构式 N \equiv N，三对共用电子对，键能大（$946\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$），结构稳定，难断裂。
  • 物理性质：无色、无味气体，标准状况下密度 $1.25\ \mathrm{g \cdot L^{-1}}$（比空气略小），难溶于水（常温常压下，1 体积水溶解约 0.02 体积 $N_2$）。

3. 氮气的化学性质

N_2 分子中 N \equiv N 键稳定，常温下不活泼，反应需一定条件：

  1. 与 O_2 反应（自然固氮）

    N_2 + O_2 \xrightarrow{\text{放电或高温}} 2NO

  2. 与 H_2 反应（人工固氮，工业合成氨）

    N_2 + 3H_2 \xrightarrow[\text{催化剂}]{\text{高温、高压}} 2NH_3 \quad \Delta H < 0

  3. 与活泼金属 Mg 反应

    3Mg + N_2 \xrightarrow{\text{点燃}} Mg_3N_2

    产物与水反应：Mg_3N_2 + 6H_2O = 3Mg(OH)_2 + 2NH_3 \uparrow

4. 氮气的制取与用途

  • 工业制取：分离液态空气法；或在空气中加少量氨，用 Pt 作催化剂除氧，或通过灼热金属除氧。
  • 实验室制取：NH_4Cl + NaNO_2 \xrightarrow{\Delta} NaCl + N_2 \uparrow + 2H_2O
  • 用途：填充灯泡、焊接金属保护气；保存粮食水果；制取氨、硝酸、氮肥等。

5. 氮的固定

  • 概念：将大气中游离态氮转化为化合态氮的过程。
  • 途径：
    1. 自然固氮：
      • 雷电作用：N_2 \rightarrow NO \rightarrow NO_2 \rightarrow HNO_3 \rightarrow 硝酸盐（氮肥）
      • 生物固氮：豆科植物根瘤菌将 N_2 转化为含氮化合物
    2. 人工固氮：工业合成氨（$N_2 + 3H_2 \rightarrow NH_3$）

【基础题】

  1. 下列关于氮气性质的说法错误的是（ ）
    A. 氮气是一种无色无味的气体
    B. 氮气可在氧气中燃烧生成 NO
    C. 氮气分子中存在 N \equiv N 键，化学性质稳定
    D. 工业上利用分离液态空气法制取氮气
  2. 写出镁条在氮气中燃烧的化学方程式，并解释产物与水反应的现象。

二、氮的氧化物

1. 一氧化氮（$NO$）

  • 物理性质：无色、无味气体，密度略大于空气，难溶于水，有毒（与血红蛋白结合，降低输氧能力）。
  • 化学性质：
    1. 与 O_2 反应：2NO + O_2 = 2NO_2
    2. 与 O_2、H_2O 反应：4NO + 3O_2 + 2H_2O = 4HNO_3
  • 制备：
    • 实验室：3Cu + 8HNO_3(\text{稀}) = 3Cu(NO_3)_2 + 4H_2O + 2NO \uparrow
    • 工业：4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow[\Delta]{\text{催化剂}} 4NO + 6H_2O
  • 检验：向无色气体中通入 O_2，若气体变为红棕色，则含 NO。
  • 收集：只能用排水法（密度与空气接近，且易与 O_2 反应）。

2. 二氧化氮（$NO_2$）

  • 物理性质：红棕色、有刺激性气味气体，密度比空气大，易液化，有毒，易溶于水。
  • 化学性质：
    1. 与水反应：$3NO_2 + H_2O = 2HNO_3 + NO$（$NO_2$ 既作氧化剂又作还原剂）
    2. 与 O_2、H_2O 反应：4NO_2 + O_2 + 2H_2O = 4HNO_3
    3. 与碱反应：2NaOH + 2NO_2 = NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O
    4. 与 SO_2 反应：$NO_2 + SO_2 + H_2O = H_2SO_4 + NO$（体现氧化性）
    5. 平衡转化：$2NO_2(\text{红棕色}) \rightleftharpoons N_2O_4(\text{无色})$（放热）
  • 制备：实验室用浓硝酸与 Cu 反应：Cu + 4HNO_3(\text{浓}) = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O
  • 收集：向上排空气法（与水反应，不能排水法）。
  • 与溴蒸气的鉴别：
鉴别方法 NO_2 溴蒸气
通入 AgNO_3 溶液 无明显现象 生成淡黄色 AgBr 沉淀
通入 CCl_4 无现象 溶液呈橙红色
加水 得无色溶液 得橙色溶液

3. 氮氧化物溶于水的计算

核心反应：
① 3NO_2 + H_2O = 2HNO_3 + NO
② 4NO_2 + O_2 + 2H_2O = 4HNO_3
③ 4NO + 3O_2 + 2H_2O = 4HNO_3

气体组成 体积比 剩余气体 剩余气体体积
NO_2 单独 — NO \frac{1}{3}V_{NO_2}
NO_2 与 O_2 混合 V_{NO_2} : V_{O_2} > 4:1 NO 计算得
V_{NO_2} : V_{O_2} = 4:1 无 0
V_{NO_2} : V_{O_2} < 4:1 O_2 计算得
NO 与 O_2 混合 V_{NO} : V_{O_2} > 4:3 NO 计算得
V_{NO} : V_{O_2} = 4:3 无 0
V_{NO} : V_{O_2} < 4:3 O_2 计算得

【计算题】

  1. 将盛有 12\ \mathrm{mL} NO_2 和 O_2 混合气体的量筒倒立于水槽中，充分反应后，剩余 2\ \mathrm{mL} 无色气体，求原混合气体中 NO_2 和 O_2 的体积。
  2. 标准状况下，将 44.8\ \mathrm{L} NO 与 33.6\ \mathrm{L} O_2 混合后，通入足量水中，求最终剩余气体的体积（假设反应完全）。

三、氨与铵盐

1. 氨（$NH_3$）

  • 结构：分子式 NH_3，结构式
    H-\underset{\overset{\vert}{H}}{\overset{\vert}{N}}-H
    电子式 H:\underset{\cdot \cdot}{\overset{\cdot \cdot}{N}}:H。
  • 物理性质：无色、有刺激性气味气体，密度比空气小；易液化（液化放热、汽化吸热，可作制冷剂）；极易溶于水（常温常压下，1 体积水溶解约 700 体积 $NH_3$）。
  • 化学性质：
    1. 与水反应（喷泉实验原理）：
      NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-
      NH_3 \cdot H_2O \xrightarrow{\Delta} NH_3 \uparrow + H_2O
    2. 与酸反应（生成铵盐）：
      $$NH_3 + HCl = NH_4Cl$$（产生白烟，可检验 $NH_3$）
      2NH_3 + H_2SO_4 = (NH_4)_2SO_4
      NH_3 + CO_2 + H_2O = NH_4HCO_3
    3. 催化氧化（工业制硝酸基础）：
      4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow[\Delta]{\text{催化剂}} 4NO + 6H_2O
      纯氧中燃烧：4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2N_2 + 6H_2O
    4. 与 Cl_2 反应：
      2NH_3(\text{少量}) + 3Cl_2 = N_2 + 6HCl
      8NH_3(\text{过量}) + 3Cl_2 = N_2 + 6NH_4Cl
    5. 与盐溶液反应：
      Fe^{3+} + 3NH_3 \cdot H_2O = Fe(OH)_3 \downarrow + 3NH_4^+
      $$Al^{3+} + 3NH_3 \cdot H_2O = Al(OH)_3 \downarrow + 3NH_4^+$$（过量氨水沉淀不溶解）
  • 实验室制取：
    1. 加热 NH_4Cl 与 Ca(OH)_2：
      2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \xrightarrow{\Delta} CaCl_2 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O
      • 装置：固固加热型，试管口略向下倾斜
      • 收集：向下排空气法（密度比空气小，极易溶于水）
      • 干燥：碱石灰（不能用 P_2O_5、浓 H_2SO_4、无水 $CaCl_2$）
      • 检验：湿润红色石蕊试纸变蓝；蘸浓盐酸的玻璃棒靠近瓶口产生白烟
      • 尾气处理：倒扣漏斗防倒吸
    2. 加热浓氨水：NH_3 \cdot H_2O \xrightarrow{\Delta} NH_3 \uparrow + H_2O
    3. 浓氨水 + NaOH 固体 / CaO 固体（利用溶解放热、OH^- 浓度增大促进 NH_3 逸出）
  • 用途：生产尿素、纯碱、铵态氮肥、硝酸；有机合成中生产合成纤维、塑料、染料等。

2. 氨水

  • 成分：3 种分子（$NH_3$、NH_3 \cdot H_2O、$H_2O$），3 种离子（$NH_4^+$、OH^-、$H^+$）
  • 性质：弱碱性，不稳定，易挥发。