高中化學必修1：3.3.3 硝酸　人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響

高中化學必修課程PAGEPAGE1第3課時硝酸人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響[核心素養(yǎng)發(fā)展目標]1.能從物質(zhì)類別、氮元素的價態(tài)的角度預測分析硝酸的性質(zhì)，促進證據(jù)推理和模型認知化學核心素養(yǎng)的發(fā)展。2.了解硝酸對人類發(fā)展的貢獻，了解人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響，增強節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的意識。一、硝酸的性質(zhì)1.實驗探究硝酸的性質(zhì)實驗操作實驗現(xiàn)象實驗結(jié)論瓶口有白霧產(chǎn)生，可聞到強烈的刺激性氣味濃硝酸具有揮發(fā)性，有刺激性氣味兩支試管中都有氣體產(chǎn)生，銅片逐漸溶解，A試管中反應劇烈，產(chǎn)生紅棕色氣體，溶液呈綠色；B試管中反應緩慢，產(chǎn)生無色氣體，且氣體在試管上部變?yōu)闇\紅棕色，溶液呈藍色濃硝酸和稀硝酸都能與銅發(fā)生反應，前者生成NO2，后者生成NOA試管中無明顯現(xiàn)象，B試管中產(chǎn)生無色氣體，且氣體在試管上部變?yōu)闇\紅棕色，溶液呈淺黃色鐵在濃硝酸中鈍化；鐵與稀硝酸反應生成NO和Fe(NO3)3。2.硝酸的物理性質(zhì)純硝酸為無色、有刺激性氣味的液體，沸點低，易揮發(fā)，在空氣中呈“白霧”狀，質(zhì)量分數(shù)為95%以上的濃硝酸稱為“發(fā)煙硝酸”。3.硝酸的化學特性(1)硝酸的強氧化性濃硝酸中的＋5價氮元素具有很強的得電子能力。濃硝酸和稀硝酸都具有很強的氧化性，且濃度越大氧化性越強，還原劑一般被其氧化為最高價態(tài)。請寫出下列反應的化學方程式：①銅與濃硝酸：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O。②銅與稀硝酸：3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。③鐵與稀硝酸(HNO3過量)：Fe＋4HNO3(稀)=Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O。④碳與濃硝酸共熱：C＋4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。⑤硫與濃硝酸共熱：S＋6HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))H2SO4＋6NO2↑＋2H2O。(1)硝酸與金屬反應不能生成氫氣。硝酸濃度不同，其還原產(chǎn)物不同，一般情況下，濃硝酸被還原為NO2，稀硝酸被還原為NO。(2)硝酸能與大多數(shù)金屬(金、鉑等除外)反應，將金屬氧化為高價態(tài)金屬的硝酸鹽。但在常溫下，濃硝酸能使鐵、鋁鈍化。(3)熱的濃硝酸可將非金屬單質(zhì)(碳、硫、磷等)氧化為最高價氧化物或最高價含氧酸。(4)硝酸的強氧化性還表現(xiàn)在可以氧化具有還原性的化合物或離子，如SO2、FeO、Fe2＋、Br－、I－、S2－、SOeq\o\al(2－,3)等均能被硝酸氧化。(2)硝酸的不穩(wěn)定性①見光或受熱易分解，其化學方程式為4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(光照或受熱))4NO2↑＋O2↑＋2H2O。②長期存放的濃硝酸呈黃色是因為其分解生成的NO2溶于硝酸中；實驗室常將濃硝酸保存在棕色試劑瓶中，并放在陰涼處。(1)如何除去濃硝酸中的“黃色”？提示濃硝酸顯黃色的原因是其分解生成的NO2溶于硝酸中，若在濃硝酸中通入足量的氧氣，發(fā)生反應4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，使NO2轉(zhuǎn)化為硝酸，即可除去濃硝酸中的“黃色”。(2)足量的銅與濃硝酸反應，濃硝酸能否完全被還原？其還原產(chǎn)物可能是什么？提示濃硝酸不可能完全被還原，因生成的硝酸銅溶液中仍有NOeq\o\al(－,3)；在反應過程中，硝酸的濃度逐漸減小，還原產(chǎn)物可能是NO2和NO的混合物。(3)鐵與稀硝酸反應的產(chǎn)物與二者用量有何關(guān)系？請用離子方程式說明。提示①硝酸過量：Fe＋4H＋＋NOeq\o\al(－,3)=Fe3＋＋NO↑＋2H2O②鐵過量：3Fe＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O二、人類活動對氮循環(huán)和環(huán)境的影響1.人類活動對自然界氮循環(huán)的影響(1)人類的固氮活動使活化氮的量大大增加。(2)汽車數(shù)量的迅速增加，由汽車排放到大氣中的氮氧化物逐漸增加。2.人類活動對環(huán)境的影響(1)大氣污染物——氮氧化物①大氣中的氮氧化物主要來源于化石燃料的燃燒和植物體的焚燒，以及農(nóng)田土壤和動物排泄物中含氮化合物的轉(zhuǎn)化。②汽車尾氣中的碳氫化合物和氮氧化物被排放到大氣中后，在強烈的陽光紫外線照射下發(fā)生反應，形成有毒的光化學煙霧。③氮氧化物與水反應生成硝酸和亞硝酸形成酸雨。(2)水體富營養(yǎng)化當進入水體的氮的含量增大時，會造成水體的富營養(yǎng)化，導致藻類“瘋長”并迅速地覆蓋在水面上。水體中的氮主要來源于工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)田灌溉以及水產(chǎn)養(yǎng)殖所投入的餌料和肥料等。(1)如何減少人類活動對氮循環(huán)的影響？提示減少使用化石燃料；加大對工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水的處理。(2)如何減少氮氧化物對環(huán)境的影響？提示①控制進入大氣、陸地和海洋的有害物質(zhì)的數(shù)量，如減少化石燃料的使用等。②增強生態(tài)系統(tǒng)對有害物質(zhì)的吸收能力，如保護森林、植樹造林等。相關(guān)鏈接幾種常見的污染環(huán)境的“罪魁禍首”(1)酸雨：與SO2及NOx有關(guān)。(2)溫室效應：與CO2等有關(guān)。(3)光化學煙霧：與NOx及碳氫化合物有關(guān)。(4)臭氧層破壞：與NOx及氟氯烴有關(guān)。(5)赤潮、水華：與含氮、磷的大量污水有關(guān)。三、氮及其化合物間的相互轉(zhuǎn)化1.氮及其化合物知識結(jié)構(gòu)圖2.氮及其化合物的重要性質(zhì)與轉(zhuǎn)化寫出下列反應的化學方程式：(1)自然界中產(chǎn)生硝酸①N2＋O2eq\o(=,\s\up7(放電))2NO(自然固氮)；②2NO＋O2=2NO2；③3NO2＋H2O=2HNO3＋NO。(2)工業(yè)上制備硝酸①N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2NH3(人工固氮)；②4NH3＋5O2eq\o(=,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))4NO＋6H2O；③2NO＋O2=2NO2；④3NO2＋H2O=2HNO3＋NO。(3)硝酸在反應中只表現(xiàn)酸性2HNO3＋Na2CO3=2NaNO3＋CO2↑＋H2O(其他合理也可)。(4)濃硝酸在反應中只表現(xiàn)氧化性C＋4HNO3(濃)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。(5)稀硝酸在反應中既表現(xiàn)氧化性，又表現(xiàn)酸性3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。(6)氯化銨與消石灰混合加熱2NH4Cl＋Ca(OH)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。認識無機物的主要角度1.下列對于硝酸的認識，不正確的是()A.濃硝酸在見光或受熱時會發(fā)生分解B.金屬與硝酸反應不產(chǎn)生氫氣C.可用鐵和鋁制品盛裝冷的濃硝酸D.銅與硝酸的反應屬于置換反應[答案]D[解析]濃硝酸在見光或受熱時會發(fā)生分解反應生成氧氣、二氧化氮和水，A項正確；硝酸是氧化性酸，金屬與硝酸反應不產(chǎn)生氫氣，B項正確；常溫下鐵和鋁在濃硝酸中鈍化，因此可用鐵和鋁制品盛裝冷的濃硝酸，C項正確；銅與硝酸反應生成硝酸銅、氮的氧化物和水，不屬于置換反應，D項錯誤。2.(2019·廣州高一檢測)下列反應中硝酸既表現(xiàn)出氧化性又表現(xiàn)出酸性的是()A.氧化鋁和硝酸 B.少量氧化鐵和硝酸C.硫化氫和硝酸 D.銅和濃硝酸[答案]D[解析]HNO3中N元素價態(tài)降低，表現(xiàn)HNO3的氧化性。反應中生成鹽，表現(xiàn)出HNO3的酸性。Al2O3與HNO3反應生成Al(NO3)3和水，F(xiàn)e2O3與HNO3反應生成Fe(NO3)3和水，都只表現(xiàn)HNO3的酸性。Cu與濃HNO3反應：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，既表現(xiàn)出氧化性又表現(xiàn)出酸性。3.化學反應中，有時“一種物質(zhì)過量，另一種物質(zhì)仍不能完全反應”。下列反應中不存在此類情況的是()A.鐵片與過量濃硝酸(常溫)B.銅粉與過量濃硝酸(常溫)C.濃鹽酸與過量二氧化錳(共熱)D.濃硫酸與過量銅片(共熱)[答案]B[解析]A項，常溫下鐵片在濃硝酸作用下鈍化，不能完全反應；B項，硝酸過量時，銅粉完全反應，符合題意；C項，加熱時二氧化錳與濃鹽酸反應，隨著反應的進行濃鹽酸逐漸變稀，稀鹽酸與二氧化錳不反應；D項，隨著反應的進行，濃硫酸逐漸變稀，濃硫酸變稀后，不與銅反應。4.將Cu、Zn混合物投入稀硝酸中，充分反應后，鋅有剩余，則反應后的混合物中肯定不存在的是()①Cu②Cu(NO3)2③HNO3④Zn(NO3)2A.①②B.②③C.①③D.②④[答案]B[解析]若Zn有剩余，則說明反應后的溶液中不存在HNO3、Cu(NO3)2，因為鋅與二者發(fā)生反應：3Zn＋8HNO3(稀)=3Zn(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，Cu(NO3)2＋Zn=Zn(NO3)2＋Cu，B項正確。5.向100mL12mol·L－1的濃硝酸中加入足量的銅片，充分反應后，被還原的硝酸的物質(zhì)的量為()A.0.3molB.0.6molC.小于0.6molD.介于0.3mol和0.6mol之間[答案]D[解析]因為Cu是足量的，隨著反應的進行，濃硝酸會逐漸變稀，所以本題涉及的反應有兩個：Cu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O①3Cu＋8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O②采用極限分析法：若只發(fā)生反應①，則被還原的HNO3物質(zhì)的量為eq\f(1,2)×1.2mol＝0.6mol；若只發(fā)生反應②，則被還原的HNO3的物質(zhì)的量為eq\f(1,4)×1.2mol＝0.3mol。6.氮及其化合物的變化關(guān)系如下所示。則下列說法不正確的是()A.路線①②③是工業(yè)生產(chǎn)硝酸的主要途徑B.路線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷電固氮生成硝酸的主要途徑C.上述所有反應都是氧化還原反應D.氮氣可在足量的氧氣中通過一步反應生成NO2[答案]D[解析]氮氣和氧氣在放電條件下反應生成NO，NO與O2反應生成NO