第六单元 非金属及其化合物（4.1）

2015-11-16 10:46:44   来源：   撰稿：董啸   摄影摄像：    ;  评论：0 点击：

第六单元    非金属及其化合物（4.1）

基础知识精析

一、氮族元素

1、包含元素：氮（N）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）

2、周期表中位置：ⅤA族，第二～六周期

3、原子结构的特征：最外层均为5个电子，电子层数依次增多，原子半径依次增大，得电子能力逐渐减弱，失电子能力逐渐增强。

4、物理性质：密度逐渐增大，熔点先升后降。

5、化学性质：

（1）相似性：

①化合价：+5，-3

②最高价氧化物：R₂O₅、HRO₃、H₃RO₄；氢化物：RH₃

（2）递变性：氮族元素的非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强；氢化物的稳定性逐渐减弱，最高阶含氧酸的酸性逐渐减弱。

二、氮的单质及氧化物

1．氮气：

（1）分子结构：N≡N

（2）物理性质：

① 无色、无味气体；密度比空气略小，－195.8℃(沸点)变成无色液体，－209.86℃(熔点)变成雪花状固体。

② 溶解性：难溶于水。1∶0.024 (Cl₂：1∶2.0； 20℃时，O₂：0.03 )

(3) 氮气的化学性质：

通常情况下，氮气化学性质很不活泼。氮原子有很高的化学活泼性，但氮气结构稳定，化学性质稳定。 因为氮分子中叁键键能很大。甚至在高达3000℃时，还不能觉察到它的解离作用。因此，氮分子是已知双原子单质分子中最稳定的。 特殊条件下，氮气可以发生以下化学反应：

①与氢气的反应(工业制氨)：

   

    ② 与氧气反应：    N₂ ＋O₂ 2NO

    ③ 跟某些金属反应：

    高温下，氮气能跟Mg、Ca、Sr、Ba(ⅡA族)及Al等反应生成金属氮化物。

3Mg＋N₂  Mg₃N₂ (淡黄色)

    镁在空气中燃烧，除生成MgO外，也生成少量Mg₃N₂。

3Ca＋N₂  Ca₃N₂     3Al＋N₂  Al₃N₂  

    注意：金属氮化物是离子化合物，但不是盐。因为金属氮化物与水反应会生成氢氧化物和氨气，而不是碱和酸。如：Mg₃N₂ ＋6H₂O == 3Mg(OH)₂＋2NH₃

    小结：氮气是常温稳定，高温活泼。跟氢、金属(具有还原性)反应时显－3价，作氧化剂；跟氧气(具有氧化性)反应时显＋2价，作还原剂。

 

  (4) 氮气的制法：

    ①工业制法：液化空气：先液化，后蒸发，为的是除去Ar。燃氧法：水煤气。

② 实验室制法：

A、实验室可用加热饱和NH₄Cl溶液和固体NaNO₂混合物制备。

NH₄Cl＋NaNO₂ ＝ NaCl＋NH₄NO₂     NH₄NO₂  N₂↑＋2H₂O

   B、2NH₃＋3CuO  N₂↑＋3H₃O＋3Cu，因此，要除去氨气中混有的氧气用加热的铜粉就不好。

(5) 氮气的用途：

① 合成氨的原料；氮是庄稼的“三大要素”，氮的固定有天然固氮和人工固氮。

② 化工原料；

③ 作保护气，充填灯泡，(N₂或N₂＋Ar) 保存粮食、水果。(利用惰性)

（6）氮的固定：

①定义：将游离态的氮转化为化合态的氮的过程叫做氮的固定。

②分类：天然固氮和人工固氮。

2．氮的氧化物：

氧化物种类：N₂O( g ) 无色、NO( g ) 无色、N₂O₃( g ) 暗蓝色亚硝酐、NO₂( g ) 红棕色、N₂O₄( g ) 无色、N₂O₅ ( s ) 白色硝酐。

(1) 一氧化氮：NO

   ①物理性质：无色气体；难溶于水；比空气重（r = 1.34 g / L）。

②化学性质： 不成盐氧化物；易氧化：2NO＋O₂ ＝ 2NO₂ 。

   ③实验室制法：3Cu＋8HNO₃(稀) ＝ 3Cu(NO₃)₂＋2NO↑＋4H₂O

   (2) 二氧化氮：NO₂

① 物理性质：红棕色、有剌激性气味气体，有毒；比空气重。

② 化学性质：

易溶于水，3NO₂＋H₂O ＝ 2HNO₃＋NO↑。所以，NO₂不是HNO₃的酸酐，HNO₃的酸酐是N₂O₅。NO₂冷却，颜色变浅，生成N₂O₄。

2NO₂ （棕色） N₂O₄（无色）

N₂O₄  2NO₂  2NO＋O₂

无色          棕色                无色

     NO₂有很强的氧化能力，S、P、C等物质都可以在NO₂中燃烧。

    NO和NO₂的混合物可看作亚硝酐N₂O₃，

    NO＋NO₂ ＝ N₂O₃    DH＝- 41.8 kJ

NO＋NO₂ ＋H₂O ＝ 2HNO₂(亚硝酸不稳定，仅存在于水溶液中，弱酸，比醋酸略强，氧化性强于还原性。)

注意：NO₂ 和N₂O₄的相互转化反应是高考的热点内容，特别是有关化学平衡和气体相对分子质量的问题。

③二氧化氮的制法：

工业制法：2NO＋O₂ ＝ 2NO₂

    实验室制法：Cu＋4HNO₃(浓) ＝ Cu(NO₃)₂＋2NO₂↑＋2H₂O

深度思考

1．根据氮在元素周期表中的位置可知氮元素是一种活泼的非金属，为什么氮气很稳定？

答案：氮气的性质不仅与原子结构有关，还与氮分子的构成有关；氮气分子中的N≡N键，键能很大，分子结构稳定，故氮气很稳定。

2．俗话说“雷雨发庄稼”，这说明雷雨中含有能被植物吸收利用的化合态的氮，请同学们写出三个有关的化学方程式：

①_______________________________________________________；

②_______________________________________________________；

③_______________________________________________________。

答案：①N₂＋O₂2NO；②2NO＋O₂=2NO₂；③3NO₂＋H₂O=2HNO₃＋NO

3．如何鉴别NO₂与溴蒸气？

答案　由于NO₂和Br₂在性质上有不少相似性：①均具有氧化性；②溶于水均有酸生成；③均可与碱反应；④均为红棕色等。所以不能用淀粉­KI试纸、pH试纸、NaOH溶液来鉴别，但二者性质又有差别，可以用下列方法鉴别：①AgNO₃溶液；②CCl₄溶液；③用水洗法。

题组一　NO、NO₂的性质及对环境的影响

1．下列说法正确的是                                                                                      (　　)

A．CO、NO、NO₂都是大气污染气体，在空气中都能稳定存在

B．NO可用于某些疾病的治疗

C．NO₂通入FeSO₄溶液中始终无明显现象

D．汽车尾气的主要污染成分包括NO、CO和N₂

答案　B

解析　NO易被氧化为NO₂，N₂不是污染物，NO₂通入溶液中生成HNO₃，能把

Fe^2＋氧化成Fe^3＋，溶液由浅绿色变成棕黄色。

2．汽车排放的尾气中含有NO₂，NO₂是城市大气污染的主要污染物之一，在日光照射下，NO₂发生一系列光化学烟雾的循环反应，从而不断产生O₃，加重空气污染。反应过程为①2NO₂―→2NO＋2O，②2NO＋O₂―→2NO₂，③O＋O₂―→O₃。下列对该反应过程及产物叙述正确的是    (　　)

A．NO₂起催化剂作用                       B．NO起催化剂作用

C．NO₂只起氧化剂作用                   D．O₃与O₂为同分异构体

答案　A

解析　反应过程①＋②得O₂―→2O，③O＋O₂―→O₃，NO₂起催化剂作用，反应过程中NO₂作氧化剂，A项正确，B、C项错误；O₃与O₂的相对分子质量不相同，不是同分异构体，属同素异形体，D项错误。

3．N₂O俗称“笑气”，曾用作可吸入性麻醉剂。以下反应能产生N₂O：3CO＋2NO₂3CO₂＋N₂O。下列关于N₂O的说法正确的是                                              (　　)

A．上述反应中每生成1 mol N₂O，消耗1.5 mol CO

B．等物质的量的N₂O和CO₂含有相等的电子数

C．N₂O只具有氧化性，无还原性

D．N₂O会迅速与人体血红蛋白结合，使人中毒

答案　B

解析　由方程式知，生成1 mol N₂O时消耗3 mol CO，A错误；1 mol N₂O与1 mol CO₂都含有22 mol电子，B正确；N₂O中氮元素为＋1价，是氮元素的中间价态，所以N₂O既具有氧化性又具有还原性，C错误。

题组二　有关氮的氧化物计算类试题

4．如图所示，试管中盛装的是红棕色气体(可能是混合物)，当倒扣在盛有水的水槽中时，试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中水柱继续上升，经过多次重复后，试管内完全被水充满，原来试管中盛装的气体是                                (　　)

A．可能是N₂与NO₂的混合气体

B．只能是O₂与NO₂的混合气体

C．可能是NO与NO₂的混合气体

D．只能是NO₂一种气体

答案：C

解析：解答本题要注意以下两点：(1)明确氮气不溶于水，且常温下不与其他物质发生化学反应；(2)NO₂可与水反应生成不溶于水的NO，NO₂和NO与氧气按适当的比例被水完全吸收。

5．将容积为50 mL的量筒充满二氧化氮和氧气的混合气体，将量筒倒置在盛满水的水槽里，一段时间后，量筒里剩余气体体积为5 mL。则原混合气体中NO₂和O₂体积比可能是__________或________。

答案：18∶7　43∶7

解析：NO或NO₂与O₂混合气体与水的反应计算关系式可由下列化学方程式推导出来。

4NO₂＋O₂＋2H₂O===4HNO₃                          4NO＋3O₂＋2H₂O===4HNO₃                         

设剩余的5 mL气体为O₂，则参加反应③的NO₂和O₂的总体积为50 mL－5 mL＝45 mL

则原混合气体里，NO₂的体积为45 mL×4/5＝36 mL

O₂的体积为50 mL－36 mL＝14 mL

即NO₂与O₂的体积比为36∶14＝18∶7。

设剩余的5 mL气体为NO，由②式得过量的NO₂体积为15 mL，则发生反应③的NO₂和O₂的总体积为50 mL－15 mL＝35 mL

则原混合气体里，O₂的体积为35 mL×1/5＝7 mL，NO₂的体积为50 mL－7 mL＝43 mL

即NO₂与O₂的体积比为43∶7。

三、氨和铵盐

1．氨：NH₃

（1）氨分子的结构：N－H键是极性键；NH₃呈三角锥形，键角：107°18¢，键长：1.02×10^－10 m。

          

（2）氨气的物理性质

无色、剌激性气味的气体；密度比空气小；易液化，故可作制冷剂；易溶于水。氨水是混合物；氨水浓度越大，密度越小。

注意：a. 易液化的气体有：CO₂、Cl₂、SO₂、NH₃。

b. 装液态气体的钢瓶颜色：Cl₂   绿色；O₂   蓝色；NH₃   黄色；N₂   黑色；CO₂   黑色。

 （3）氨气的化学性质

① 跟水反应：

NH₃＋H₂O  NH₃·H₂O  ＋OH^－

NH₃·H₂O  NH₃↑＋H₂O

故实验室也可以用浓氨水加热制氨气。

注意：① 氨易溶于水，② 氨水呈弱碱性，③ 氨水中，有H₂O、NH₃、NH₃·H₂O、、OH^－、(H⁺)，主要成分是NH₃·H₂O，故氨水应写为NH₃·H₂O，而不能写成NH₃或NH₄OH；但氨水中溶质为NH₃，而非NH₃·H₂O，正如CuSO₄·5H₂O溶于水后溶质为CuSO₄一样。

   ② 跟酸反应

NH₃＋HCl＝NH₄Cl；NH₃＋HNO₃＝NH₄NO₃；2NH₃＋H₂SO₄＝(NH₄)₂SO₄

注意：浓氨水与浓盐酸或浓硝酸靠近会冒烟。

NH₃＋CO₂＋H₂O===NH₄HCO₃或2NH₃＋CO₂＋H₂O===(NH₄)₂CO₃

    ③ 跟氧气反应(催化氧化)：

       4NH₃＋5O₂催化剂△4NO＋6H₂O

氨的催化氧化实验的现象是：催化剂发红，锥形瓶内气体颜色变红，石蕊试液变红。

实验结论： 生成NO₂，若是白烟，则生成NH₄NO₃；放热。

氨气在空气中不能燃烧，在纯氧中燃烧为黄色火焰，生成N₂。

4NH₃＋3O₂ (纯)  N₂＋6H₂O

  ④与盐溶液反应

与FeCl₃溶液反应：Fe^3＋＋3NH₃·H₂O===Fe(OH)₃↓＋3NH

与AlCl₃溶液反应：Al^3＋＋3NH₃·H₂O===Al(OH)₃↓＋3NH

  (3) 氨气的实验室制法：

   ①制取：

a.铵盐与强碱反应：碱一般用Ca(OH)₂，不用NaOH，因为后者易潮解成本高。

Ca(OH)₂＋2NH₄Cl  CaCl₂＋2H₂O＋2NH₃↑(不能写离子方程式)

实验中注意：①反应物混合均匀，②管底比管口稍高，③向下排空气法，瓶口塞棉花防空气中水蒸汽的进入。

b.浓氨水加热法：NH₃·H₂ONH₃↑＋H₂O

②检验氨气：润湿的红色石蕊试纸；浓盐酸。

③干燥氨气：用碱石灰，不能用浓硫酸、CaCl₂(因为生成CaCl₂·8NH₃)

④收集：向上排空气法

   （4）氨气的用途：① 致冷剂，② 化工产品。

2．铵盐：

(1)物理性质：晶体，能溶于水。

（2）化学性质：

①铵盐受热分解

NH₄Cl  NH₃↑＋HCl↑       

NH₃＋HCl ＝ NH₄Cl

NH₄HCO₃ NH₃↑＋H₂O↑＋CO₂↑   

铵盐受热时，一般放出氨气。但硫酸铵、磷酸铵稳定，硝酸铵分解情况复杂。

②铵盐跟碱反应

(NH₄)₂SO₄＋2NaOH Na₂SO₄＋H₂O↑＋2NH₃↑

（3）铵盐的用途：

① 作氮肥，② 硝铵炸药，③ NH₄Cl用于印染、干电池、金属焊接。

（4）检验：

未知液呈碱性湿润的红色石蕊试纸变蓝色，则证明含NH。

＋OH^－  NH₃↑＋H₂O↑

题组一　氨及铵盐的性质

1、判断下列说法是否正确，不正确的说明理由。

①氨气溶于水能导电，所以氨气是电解质。

②实验室用浓氨水与NaOH固体制取氨气。

③氨和酸反应生成铵盐，与挥发性酸相遇时能形成白烟。

④某晶体与NaOH共热放出一种使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体，该晶体中含有NH。

⑤氨水中含氮微粒中最多的微粒是NH。

⑥把NH₃通入稀HNO₃中，当溶液的pH等于7时，溶液中NH₃和HNO₃等物质的量反应。

⑦液氨作为清洁能源的反应原理是4NH₃＋5O₂催化剂△4NO＋6H₂O。

⑧氨水中物质的量浓度最大的粒子是NH₃·H₂O(除水)。

⑨在1 mol·L^－1氨水中，NH₃·H₂O、NH、NH₃的物质的量浓度之和为1 mol·L^－1。

答案　②③④⑧⑨正确。①不正确，NH₃本身不导电，溶于水，与水发生反应NH₃＋H₂O=NH₃·H₂O=NH＋OH^－而导电，故NH₃不是电解质；⑤不正确，氨水中存在大量的NH₃·H₂O和少量的NH；⑥不正确，NH₃和HNO₃等物质的量反应时，得到NH₄NO₃溶液，NH水解使溶液显酸性，pH<7；⑦不正确，产生的NO是污染气体。

2．下列反应中说明NH₃既有还原性，又有碱性的是      (　　)

A．4NH₃＋5O₂催化剂△4NO＋6H₂O

B．NH₃＋HNO₃===NH₄NO₃

C．8NH₃＋3Cl₂===N₂＋6NH₄Cl

D．2NH₃＋3CuO3Cu＋N₂＋3H₂O

答案：C

解析　在A、D两项中，参加反应的NH₃全部被氧化，NH₃只体现还原性；B项反应为非氧化还原反应，NH₃只体现碱性；C项中参加反应的8 mol NH₃有2 mol被氧化，NH₃既体现碱性又体现还原性。

3．氯化铵和氯化钠可用下列哪一种方法分离     (　　)

A．加入氢氧化钠                      B．加入AgNO₃溶液

C．加热法                           D．加入一种合适的酸

答案　C

解析　分离可根据物理性质用物理方法进行分离，比如根据各组分的溶解性不同，用过滤的方法分离；根据各组分的沸点不同，用蒸馏的方法分离；根据各组分在同一溶剂中的溶解度不同，用结晶的方法分离。也可根据各组分的化学性质不同，加入某些试剂，采取一定的化学方法进行分离。根据以上分析，题目所给NaCl和NH₄Cl只能用化学方法分离，又因为两种物质中都含Cl^－，所以加AgNO₃或加酸都起不到分离的作用，加入NaOH，只能鉴别NH₄Cl和NaCl，而达不到分离的目的。利用铵盐的不稳定性及NH₃的化学性质，可以选用加热法。

题组二　氨气及铵盐的性质实验

4．已知气体的摩尔质量越小，扩散速度越快。如图所示为气体扩散速率的实验，两种气体扩散相遇时形成白色烟环。下列关于物质甲、乙的判断正确的是 (　　)

A．甲是浓氨水，乙是浓硫酸

B．甲是浓盐酸，乙是浓氨水

C．甲是浓氨水，乙是浓盐酸

D．甲是浓硝酸，乙是浓氨水

答案　C

解析　A项中浓H₂SO₄不是挥发性酸，不会产生白色烟环；B、C、D三项中由于NH₃的摩尔质量小，扩散速度快，所以离白色烟环远的甲为浓氨水，故C正确。

5．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与浓盐酸反应产生了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	干燥红色石蕊试纸不变色，湿润红色石蕊试纸变蓝	NH3是一种可溶性碱

答案　A

解析　NH₃能与HCl发生化合反应，生成NH₄Cl白色固体，NH₃也能与H₂SO₄发生化合反应，生成(NH₄)₂SO₄；NH₃与氯化物溶液反应生成氢氧化物沉淀，该氯化物可以是氯化铝、氯化镁等；NH₃溶于水生成NH₃·H₂O，NH₃·H₂O是一种可溶性碱，NH₃是氢化物。

6．右图的装置中，干燥烧瓶内盛有某种气体，烧杯和滴管内盛放某种溶液。挤压滴管的胶头，下列与实验事实不相符的是      (　　)

A．CO₂(NaHCO₃溶液)/无色喷泉

B．NH₃(H₂O中含酚酞)/红色喷泉

C．H₂S(CuSO₄溶液)/黑色喷泉

D．HCl(AgNO₃溶液)/白色喷泉

答案　A

解析　CO₂在NaHCO₃溶液中的溶解度很小，因此不能形成喷泉；NH₃极易溶于水生成NH₃·H₂O，NH₃·H₂O发生电离生成OH^－，遇酚酞使之显红色；H₂S和CuSO₄反应生成CuS黑色沉淀；HCl极易溶于水，且和AgNO₃发生反应生成白色沉淀；因此A不正确。

7．某研究性学习小组同学设计如下图所示装置探究氨气的还原性。

(1)氨催化氧化的化学方程式为_________________________。

(2)若实验时通入氨气的速率过快，在烧瓶中会出现白烟，该物质的化学式为__________。

(3)该小组同学以氨气和二氧化碳为原料制备碳酸氢铵。甲同学先将二氧化碳通入水中，充分溶解后，再通入氨气；乙同学先将氨气通入水中，充分溶解后，再通入二氧化碳。请选择合适的方案并说明原因。

答案：(1)4NH₃＋5O₂催化剂△4NO＋6H₂O　(2)NH₄NO₃

(3)乙同学方案正确；CO₂在水中溶解度小，先通CO₂再通NH₃生成的NH₄HCO₃的量少，而且易生成(NH₄)₂CO₃，先通NH₃至饱和再通CO₂至过量，保证产物量大，且全部是NH₄HCO₃溶液。

题组三　氨气的实验室制法

8．下图所示是实验室制取氨气的装置和选用的试剂，其中错误的是______。

答案　(1)(3)

解析　实验室制取氨气的方法有：①铵盐与碱加热制取氨，常用固体NH₄Cl与Ca(OH)₂反应，试管口向下倾斜；②在浓氨水中加CaO，放热促进氨水分解为氨气；③加热浓氨水，加快氨水分解为氨气。

(1)错在直接加热氯化铵(NH₄Cl分解生成的NH₃和HCl在试管口又冷凝成NH₄Cl)；(3)错在试管口向上倾斜。

〖教后记〗