模块一 氮气与氮的固定
1. 氮元素基础认知
氮元素位于元素周期表第二周期第ⅤA族，最外层有5个电子，既不易得到3个电子，也不易失去5个电子，通常通过共用电子对形成共价化合物。
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自然界存在：主要以 \ce{N2} 形式存在于大气中，约占空气总体积的78%；同时是蛋白质、核酸的核心组成元素，是农作物生长必需的营养元素。
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常见化合价： -3、0、+1、+2、+3、+4、+5 ，对应6种氧化物：
\ce{N2O}(+1，笑气)、\ce{NO}(+2)、\ce{N2O3}(+3，亚硝酸酸酐)、\ce{NO2}(+4)、\ce{N2O4}(+4)、\ce{N2O5}(+5，硝酸酸酐) 。
2. 氮气的结构与物理性质
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结构：分子式 \ce{N2} ，电子式 \ce{:N:::N:} ，结构式 \ce{N≡N} 。氮原子间通过三对共用电子对结合，键能高达 946\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}} ，化学键难断裂，分子结构极稳定。
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物理性质：常温常压下为无色、无味的气体，标准状况下密度 1.25\ \mathrm{g\cdot L^{-1}} （略小于空气，因此不能用排空气法收集），难溶于水（1体积水仅溶解约0.02体积 \ce{N2} ）。
3. 氮气的化学性质
\ce{N2} 常温下化学性质极不活泼，仅在高温、放电、催化剂等特殊条件下发生反应：
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与 \ce{O2} 反应（自然固氮、汽车尾气NO来源）
\ce{N2 + O2 \xlongequal{\text{放电或高温}} 2NO} -
与 \ce{H2} 反应（人工固氮、工业合成氨核心）
\ce{N2 + 3H2 \underset{\text{催化剂}}{\overset{\text{高温、高压}}{\rightleftharpoons}} 2NH3}\quad \Delta H<0 -
与活泼金属反应
\ce{3Mg + N2 \xlongequal{\text{点燃}} Mg3N2}产物水解： \ce{Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 v + 2NH3 ^} （证明 \ce{Mg3N2} 为离子化合物）
4. 氮气的制取与用途
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工业制取：核心为分离液态空气法；也可通过灼热铜粉、铁粉除去空气中的氧气，得到较纯净的氮气。
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实验室制取： \ce{NH4Cl + NaNO2 \xlongequal{\Delta} NaCl + N2 ^ + 2H2O}
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用途：焊接金属、填充灯泡的保护气；粮食、水果、农副产品的保鲜气；工业合成氨、硝酸、氮肥的核心原料。
5. 氮的固定
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概念：将大气中游离态的氮（ \ce{N2} ）转化为化合态含氮化合物的过程，本质是氮元素的化合价从0价变为正价或负价。
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固氮途径：
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自然固氮
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高能固氮：雷电作用下 \ce{N2→NO→NO2→HNO3→} 硝酸盐（氮肥），对应俗语“雷雨发庄稼”。
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生物固氮：豆科植物的根瘤菌可在常温常压下将空气中的 \ce{N2} 转化为氨态氮。
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人工固氮：工业合成氨、仿生固氮等，核心反应为 \ce{N2} 与 \ce{H2} 合成 \ce{NH3} 。
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【基础巩固题】
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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 \ce{NO}
C. 氮气分子中存在 \ce{N≡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
【答案与解析】
答案：B
解析：氮气与氧气的反应需要放电或高温的苛刻条件，不属于燃烧反应，氮气不具有可燃性，B错误；A、C、D均符合氮气的物理性质、结构特点与工业用途。
- 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。
【答案与解析】
化学方程式： \ce{3Mg + N2 \xlongequal{\text{点燃}} Mg3N2}
现象解释：产物氮化镁与水发生水解反应 \ce{Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 v + 2NH3 ^} ，可观察到生成白色难溶沉淀，同时产生有刺激性气味的气体，该气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。
模块二 氮的氧化物
1. 一氧化氮（ \ce{NO} ）
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物理性质：无色、无味、有毒的气体，密度略大于空气，难溶于水；毒性与 \ce{CO} 相似，可与血液中的血红蛋白结合，降低血红蛋白的输氧能力，导致人体缺氧中毒。
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化学性质： \ce{N} 为+2价，处于中间价态，既有氧化性又有还原性，以还原性为主
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与 \ce{O2} 反应（ \ce{NO} 的特征反应）： \ce{2NO + O2 = 2NO2} （无色气体迅速变为红棕色）
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与 \ce{O2} 、 \ce{H2O} 完全反应： \ce{4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3}
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制备：
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实验室制法： \ce{3Cu + 8HNO3(稀) = 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO ^}
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工业制法： \ce{4NH3 + 5O2 \xlongequal[\Delta]{\text{催化剂}} 4NO + 6H2O} （氨的催化氧化）
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检验与收集：
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检验：向无色气体中通入空气（或 \ce{O2} ），若气体迅速变为红棕色，证明含有 \ce{NO} 。
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收集：只能用排水法（密度与空气接近，且易与空气中的 \ce{O2} 反应，不能用排空气法）。
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2. 二氧化氮（ \ce{NO2} ）
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物理性质：红棕色、有刺激性气味、有毒的气体，密度比空气大，易液化，易溶于水。
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化学性质： \ce{N} 为+4价，处于中间价态，以氧化性为主，同时具有还原性
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与水反应： \ce{3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO} （ \ce{NO2} 既作氧化剂又作还原剂，氧化剂与还原剂物质的量之比为1:2）
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与 \ce{O2} 、 \ce{H2O} 完全反应： \ce{4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3}
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与碱反应（尾气处理）： \ce{2NaOH + 2NO2 = NaNO3 + NaNO2 + H2O}
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氧化性： \ce{NO2 + SO2 + H2O = H2SO4 + NO} （可使湿润的淀粉-KI试纸变蓝，氧化 \ce{I-} 生成 \ce{I2} ）
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可逆转化： \ce{2NO2(红棕色) \rightleftharpoons N2O4(无色)} （放热反应，因此涉及 \ce{NO2} 的分子数、密度计算时，需考虑该平衡）
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制备与收集：
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实验室制法： \ce{Cu + 4HNO3(浓) = Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}
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收集：只能用向上排空气法（与水反应，不能用排水法）。
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3. \ce{NO2} 与溴蒸气的鉴别
两者均为红棕色、有氧化性的气体，不能用淀粉-KI试纸、碱溶液鉴别，可通过以下方法区分：
| 鉴别方法 | \ce{NO2} | 溴蒸气 |
|---|---|---|
| 通入水中 | 得到无色溶液 | 得到橙色溶液 |
| 通入 \ce{AgNO3} 溶液 | 无明显现象 | 生成淡黄色 \ce{AgBr} 沉淀 |
| 通入 \ce{CCl4} 有机溶剂 | 无明显现象，溶液仍为无色 | 溶液变为橙红色 |
4. 氮氧化物溶于水的计算核心规律
核心反应方程式：
① \ce{3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO}
② \ce{4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3}
③ \ce{4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3}
| 气体组合 | 体积比例关系 | 剩余气体 | 剩余气体体积 |
|---|---|---|---|
| \ce{NO2 + H2O} | — | \ce{NO} | \frac{1}{3}V(\ce{NO2}) |
| \ce{NO2 + O2 + H2O} | \frac{V(\ce{NO2})}{V(\ce{O2})}=4:1 | 无 | 0 |
| \frac{V(\ce{NO2})}{V(\ce{O2})}<4:1 | \ce{O2} | V(\ce{O2})_{原}-\frac{1}{4}V(\ce{NO2}) | |
| \frac{V(\ce{NO2})}{V(\ce{O2})}>4:1 | \ce{NO} | \frac{1}{3}[V(\ce{NO2})-4V(\ce{O2})] | |
| \ce{NO + O2 + H2O} | \frac{V(\ce{NO})}{V(\ce{O2})}=4:3 | 无 | 0 |
| \frac{V(\ce{NO})}{V(\ce{O2})}>4:3 | \ce{NO} | V(\ce{NO})_{原}-\frac{4}{3}V(\ce{O2}) | |
| \frac{V(\ce{NO})}{V(\ce{O2})}<4:3 | \ce{O2} | V(\ce{O2})_{原}-\frac{3}{4}V(\ce{NO}) | |
| \ce{NO + NO2 + H2O} | — | \ce{NO} | V(\ce{NO})_{原}+\frac{1}{3}V(\ce{NO2}) |
【计算专项题】
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将盛有 12\ \mathrm{mL}\ \ce{NO2} 和 \ce{O2} 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 \ce{NO2} 和 \ce{O2} 的体积。
【答案与解析】
剩余无色气体有两种可能：过量的 \ce{O2} ，或过量 \ce{NO2} 与水反应生成的 \ce{NO} ，分情况讨论：
① 若剩余气体为 \ce{O2} ：
参与反应 \ce{4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3} 的气体总体积为 12\ \mathrm{mL}-2\ \mathrm{mL}=10\ \mathrm{mL} ，其中 V(\ce{NO2}):V(\ce{O2})=4:1 。
因此参与反应的 V(\ce{NO2})=10\ \mathrm{mL}×\frac{4}{5}=8\ \mathrm{mL} ， V(\ce{O2})=10\ \mathrm{mL}×\frac{1}{5}=2\ \mathrm{mL} 。
原混合气体中： V(\ce{NO2})=8\ \mathrm{mL} ， V(\ce{O2})=2\ \mathrm{mL}+2\ \mathrm{mL}=4\ \mathrm{mL} 。
② 若剩余气体为 \ce{NO} ：
由 \ce{3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO} 可知，生成 2\ \mathrm{mL}\ \ce{NO} 需要过量的 V(\ce{NO2})=6\ \mathrm{mL} 。
参与反应 \ce{4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3} 的气体总体积为 12\ \mathrm{mL}-6\ \mathrm{mL}=6\ \mathrm{mL} ，其中 V(\ce{NO2}):V(\ce{O2})=4:1 。
因此参与反应的 V(\ce{NO2})=6\ \mathrm{mL}×\frac{4}{5}=4.8\ \mathrm{mL} ， V(\ce{O2})=6\ \mathrm{mL}×\frac{1}{5}=1.2\ \mathrm{mL} 。
原混合气体中： V(\ce{NO2})=4.8\ \mathrm{mL}+6\ \mathrm{mL}=10.8\ \mathrm{mL} ， V(\ce{O2})=1.2\ \mathrm{mL} 。
综上，原混合气体组成为： 8\ \mathrm{mL}\ \ce{NO2} 和 4\ \mathrm{mL}\ \ce{O2} ，或 10.8\ \mathrm{mL}\ \ce{NO2} 和 1.2\ \mathrm{mL}\ \ce{O2} 。
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标准状况下，将 44.8\ \mathrm{L}\ \ce{NO} 与 33.6\ \mathrm{L}\ \ce{O2} 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）。
【答案与解析】
标准状况下， n(\ce{NO})=\frac{44.8\ \mathrm{L}}{22.4\ \mathrm{L\cdot mol^{-1}}}=2\ \mathrm{mol} ， n(\ce{O2})=\frac{33.6\ \mathrm{L}}{22.4\ \mathrm{L\cdot mol^{-1}}}=1.5\ \mathrm{mol} 。
根据反应 \ce{4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3} ， \ce{NO} 与 \ce{O2} 完全反应的物质的量之比为 4:3 。
2\ \mathrm{mol}\ \ce{NO} 完全反应需要 n(\ce{O2})=2\ \mathrm{mol}×\frac{3}{4}=1.5\ \mathrm{mol} ，恰好与通入的 \ce{O2} 完全反应，无气体剩余。
最终剩余气体体积为 0\ \mathrm{L} 。
模块三 氨与铵盐
1. 氨（ \ce{NH3} ）的结构与物理性质
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结构：分子式 \ce{NH3} ，结构式（略），电子式（略），空间构型为三角锥形，是极性分子。
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物理性质：
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无色、有强烈刺激性气味的气体，密度比空气小。
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氨分子间可形成氢键，因此熔沸点较高，极易液化（液化时放热，液氨汽化时吸收大量热，常用作制冷剂）。
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极易溶于水：常温常压下，1体积水可溶解约700体积 \ce{NH3} ，是喷泉实验的核心原理。
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2. 氨的化学性质
（1）与水反应（水溶液呈碱性）
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氨水是混合物， \ce{NH3·H2O} 是一元弱碱，是中学阶段唯一的碱性气体。
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计算氨水浓度时，溶质按 \ce{NH3} 计算，而非 \ce{NH3·H2O} 。
（2）与酸反应（生成铵盐）
$$\ce{NH3 + HCl = NH4Cl}$$ （产生白烟，可用于检验 \ce{NH3} 或 \ce{HCl} 气体）
$$\ce{2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4}$$ （无白烟，硫酸为不挥发性酸）
$$\ce{NH3 + CO2 + H2O = NH4HCO3}$$ （碳铵的生成反应）
（3）氧化反应
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催化氧化（工业制硝酸的核心步骤）：
\ce{4NH3 + 5O2 \xlongequal[\Delta]{\text{催化剂}} 4NO + 6H2O} -
纯氧中燃烧： \ce{4NH3 + 3O2 \xlongequal{\text{点燃}} 2N2 + 6H2O}
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与氯气反应：
\ce{2NH3(少量) + 3Cl2 = N2 + 6HCl}$$\ce{8NH3(过量) + 3Cl2 = N2 + 6NH4Cl}$$ （产生白烟，可检验氯气管道泄漏）
（4）与盐溶液反应（生成难溶性氢氧化物）
$$\ce{Fe^{3+} + 3NH3·H2O = Fe(OH)3 v + 3NH4+}$$ （生成红褐色沉淀）
$$\ce{Al^{3+} + 3NH3·H2O = Al(OH)3 v + 3NH4+}$$ （生成白色沉淀，过量氨水不溶解，可用于制备 \ce{Al(OH)3} ）
3. 氨水、液氨、一水合氨的对比
| 物质 | 化学式 | 物质类别 | 核心成分 |
|---|---|---|---|
| 氨水 | — | 混合物 | \ce{NH3} 、 \ce{NH3·H2O} 、 \ce{H2O} 、 \ce{NH4+} 、 \ce{OH-} 、少量 \ce{H+} |
| 液氨 | \ce{NH3} | 纯净物、非电解质 | \ce{NH3} |
| 一水合氨 | \ce{NH3·H2O} | 纯净物、弱电解质 | \ce{NH3·H2O} |
4. 氨气的实验室制取
（1）经典固固加热法
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反应原理： \ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 \xlongequal{\Delta} CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}
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发生装置：固固加热型（与高锰酸钾制氧气装置相同），试管口略向下倾斜，防止冷凝水倒流炸裂试管。
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收集方法：向下排空气法（极易溶于水，不能用排水法），试管口放一团疏松的棉花，防止氨气与空气对流，提高收集纯度。
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干燥方法：用**碱石灰（ \ce{CaO + NaOH} ）**干燥，不能用浓硫酸、 \ce{P2O5} 等酸性干燥剂，也不能用无水 \ce{CaCl2} （与 \ce{NH3} 形成络合物）。
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检验方法：
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湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，试纸变蓝；
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蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近试管口，产生白烟。
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尾气处理：用倒扣的漏斗（防倒吸）通入稀硫酸中吸收。
（2）简易制氨法
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加热浓氨水： \ce{NH3·H2O \xlongequal{\Delta} NH3 ^ + H2O}
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浓氨水+固体 \ce{NaOH/CaO} ：利用固体溶解放热、增大 \ce{OH-} 浓度，促进 \ce{NH3·H2O} 分解和 \ce{NH3} 逸出。
5. 铵盐
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概念：由铵根离子（ \ce{NH4+} ）和酸根离子构成的化合物，均为离子化合物。
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物理性质：绝大多数是易溶于水的无色晶体。
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化学性质：
1. 受热易分解： $$\ce{NH4Cl \xlongequal{\Delta} NH3 ^ + HCl ^}$$ （遇冷重新化合为 $\ce{NH4Cl}$ ，现象类似“升华”） $$\ce{(NH4)2CO3 \xlongequal{\Delta} 2NH3 ^ + CO2 ^ + H2O}$$ $$\ce{NH4HCO3 \xlongequal{\Delta} NH3 ^ + CO2 ^ + H2O}$$ 注意：并非所有铵盐分解都生成 $\ce{NH3}$ ，如 $\ce{NH4NO3}$ 受热分解可能生成 $\ce{N2O}$ 、 $\ce{N2}$ 等，受热易爆。-
与碱反应（ \ce{NH4+} 的核心性质）：
固体加热： \ce{NH4+ + OH- \xlongequal{\Delta} NH3 ^ + H2O}
稀溶液不加热： \ce{NH4+ + OH- = NH3·H2O}
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水解反应： \ce{NH4+ + H2O \rightleftharpoons NH3·H2O + H+} ，铵盐溶液呈弱酸性。
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（3） \ce{NH4+} 的检验
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固体样品：加 \ce{NaOH} 固体研磨，闻到刺激性氨味；或与碱混合加热，用湿润的红色石蕊试纸检验，试纸变蓝。
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溶液样品：取少量溶液于试管中，加入浓 \ce{NaOH} 溶液，微热，将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口，试纸变蓝，证明溶液中含 \ce{NH4+} 。
【实验专项题】
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实验室制取氨气时，下列操作错误的是（ ）
A. 用氯化铵和氢氧化钙固体混合加热
B. 用向下排空气法收集氨气
C. 用浓硫酸干燥氨气
D. 用湿润的红色石蕊试纸检验氨气是否收集满
【答案与解析】
答案：C
解析：浓硫酸为酸性干燥剂，会与碱性气体 \ce{NH3} 反应生成硫酸铵，不能用于干燥氨气，C错误；A为实验室制氨气的经典反应，B符合氨气的密度特点，D为氨气的特征检验方法，均正确。
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设计实验鉴别 \ce{NH4Cl} 、 \ce{KCl} 、 \ce{(NH4)2SO4} 三种白色固体，写出操作步骤、现象和结论。
【答案与解析】
操作步骤：
① 分别取少量三种白色固体于三支试管中，各加入适量蒸馏水溶解，配成溶液。
② 向三支试管中分别加入浓 \ce{NaOH} 溶液，微热，将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口。
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试纸无明显变化的，原固体为 \ce{KCl} ；
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试纸变蓝的，原固体为 \ce{NH4Cl} 或 \ce{(NH4)2SO4} 。
③ 另取剩余两种固体的溶液，分别加入少量 \ce{BaCl2} 溶液。
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产生白色沉淀的，原固体为 \ce{(NH4)2SO4} ；
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无明显现象的，原固体为 \ce{NH4Cl} 。
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模块四 硝酸与硝酸盐
1. 硝酸（ \ce{HNO3} ）的物理性质
纯硝酸为无色、易挥发、有刺激性气味的液体，能与水以任意比例互溶。
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浓硝酸质量分数约为69%，质量分数98%以上的硝酸称为发烟硝酸。
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浓硝酸常呈微黄色，是因为硝酸分解生成的 \ce{NO2} 溶解在其中。
2. 硝酸的化学性质
（1）酸的通性
硝酸是一元强酸，具有酸的通性：与碱性氧化物、碱、弱酸盐反应，如 \ce{ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O} 、 \ce{Mg(OH)2 + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + 2H2O} 。
思考：硝酸和其他强酸有什么区别？
注意：硝酸与金属反应不生成 \ce{H2} ，因为 \ce{NO3-} 的氧化性强于 \ce{H+} 。
（2）不稳定性
- 硝酸越浓，越容易分解；光照、加热会加速分解。
- 保存方法：密封保存在**棕色试剂瓶**中，置于阴凉、避光处，不能用橡胶塞（硝酸强氧化性腐蚀橡胶），用玻璃塞。
（3）强氧化性
\ce{N} 为+5价，是氮元素的最高价态，因此硝酸具有强氧化性，浓度越大，氧化性越强。
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与金属反应：
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与铜反应：
\ce{Cu + 4HNO3(浓) = Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}\ce{3Cu + 8HNO3(稀) = 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O} -
钝化：常温下，浓硝酸可使 \ce{Fe} 、 \ce{Al} 表面生成致密的氧化膜，发生钝化（化学变化），因此可用铁制或铝制容器盛装浓硝酸。
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与活泼金属反应：硝酸浓度不同，还原产物不同，浓硝酸一般生成 \ce{NO2} ，稀硝酸生成 \ce{NO} ，极稀硝酸可生成 \ce{N2O} 、 \ce{NH4NO3} 等。
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与非金属反应：
\ce{C + 4HNO3(浓) \xlongequal{\Delta} 2H2O + 4NO2 ^ + CO2 ^}\ce{S + 6HNO3(浓) \xlongequal{\Delta} H2SO4 + 6NO2 ^ + 2H2O} -
与还原性剂反应：可氧化 \ce{Fe^{2+}} 、 \ce{I-} 、 \ce{SO3^{2-}} 、 \ce{S^{2-}} 、 \ce{H2S} 等，如：
\ce{3H2S + 2HNO3(稀) = 3S v + 2NO ^ + 4H2O}
发生氧化还原反应时，反应物或反应条件不同，还原产物也不同。
并且：通常硝酸浓度越稀还原产物氮元素化合价越低
还有：硝酸与金属反应时：一部分做氧化剂，还有一部分没有被还原生成硝酸盐 所以硝酸表现氧化性和酸性
- 能使紫色石蕊溶液先变红后褪色
（4）王水
浓硝酸与浓盐酸按体积比1:3混合得到王水，氧化性极强，可溶解 \ce{Au} 、 \ce{Pt} 等不活泼金属。
3. 硝酸的制备
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工业制法（氨氧化法）：
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氨的催化氧化： \ce{4NH3 + 5O2 \xlongequal[\Delta]{\text{催化剂}} 4NO + 6H2O}
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NO的氧化： \ce{2NO + O2 = 2NO2}
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\ce{NO2} 的吸收： \ce{3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO}
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实验室制法：利用高沸点酸制低沸点酸， \ce{NaNO3 + H2SO4(浓) \xlongequal{\Delta} NaHSO4 + HNO3 ^}
和金属反应一般规律：
1. 一般没有氢气产出
原因（不需要背会）：氧化性太强会先把金属氧化成金属氧化物自身变成二氧化氮或者一氧化氮然后再反应成盐
2. 反应过程中硝酸可能会变稀 所以有极大可能会同时生成二氧化氮和一氧化氮混合气体
3. 活泼金属与硝酸反应会将稀硝酸（注意稀）还原为一氧化氮等物质
4. 还有钝化记得看题
4. 硝酸盐
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物理性质：绝大多数易溶于水的无色晶体。
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化学性质：
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受热易分解，分解规律与金属活动性有关：
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活泼金属（ \ce{K} 、 \ce{Na} 等）： \ce{2NaNO3 \xlongequal{\Delta} 2NaNO2 + O2 ^} （生成亚硝酸盐和氧气）
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较活泼金属（ \ce{Mg} ~ \ce{Cu} ）： \ce{2Cu(NO3)2 \xlongequal{\Delta} 2CuO + 4NO2 ^ + O2 ^} （生成金属氧化物、二氧化氮和氧气）
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不活泼金属（ \ce{Hg} 、 \ce{Ag} 等）： \ce{2AgNO3 \xlongequal{\Delta} 2Ag + 2NO2 ^ + O2 ^} （生成金属单质、二氧化氮和氧气）
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酸性条件下的强氧化性：
中性、碱性条件下， \ce{NO3-} 几乎无氧化性；酸性条件下（ \ce{NO3- + H+} ），相当于稀硝酸，具有强氧化性，不能与 \ce{Fe^{2+}} 、 \ce{I-} 、 \ce{SO3^{2-}} 、 \ce{S^{2-}} 等还原性离子大量共存。
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5. 亚硝酸与亚硝酸钠
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亚硝酸（ \ce{HNO2} ）：一元弱酸，不稳定，仅存在于冷的稀溶液中，微热分解： \ce{2HNO2 = NO ^ + NO2 ^ + H2O} ； \ce{N} 为+3价，既有氧化性又有还原性。
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亚硝酸钠（ \ce{NaNO2} ）：白色可溶性晶体，熔点271℃，常用作食品防腐剂、发色剂（需严格控制用量）；具有氧化性和还原性：
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氧化性： \ce{2NO2- + 2I- + 4H+ = 2NO ^ + I2 + 2H2O} （可使淀粉-KI试纸变蓝）
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还原性： \ce{Cr2O7^{2-} + 3NO2- + 8H+ = 3NO3- + 2Cr^{3+} + 4H2O} （橙色溶液变为绿色）
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【氧化还原专项题】
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下列关于硝酸的说法正确的是（ ）
A. 稀硝酸与 \ce{Fe} 反应生成 \ce{H2}
B. 浓硝酸保存在无色试剂瓶中
C. 常温下， \ce{Al} 可溶于浓硝酸
D. 硝酸与 \ce{Cu} 反应时，既体现氧化性又体现酸性
【答案与解析】
答案：D
解析：硝酸与金属反应时， \ce{NO3-} 优先得电子，不会生成 \ce{H2} ，A错误；浓硝酸见光易分解，应保存在棕色试剂瓶中，B错误；常温下 \ce{Al} 遇浓硝酸发生钝化，不会溶解，C错误；硝酸与 \ce{Cu} 反应时，部分 \ce{N} 元素化合价降低生成氮氧化物，体现氧化性；部分 \ce{N} 元素化合价不变生成硝酸铜，体现酸性，D正确。
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写出 \ce{FeSO4} 溶液中加入稀硫酸和 \ce{KNO3} 溶液的离子方程式，并描述实验现象。
【答案与解析】
离子方程式： \ce{3Fe^{2+} + NO3- + 4H+ = 3Fe^{3+} + NO ^ + 2H2O}
实验现象：溶液由浅绿色（ \ce{Fe^{2+}} 的颜色）逐渐变为黄色（ \ce{Fe^{3+}} 的颜色），同时产生无色气泡，该气泡遇空气迅速变为红棕色。
模块五 氮氧化物对环境的污染与治理
1. 氮氧化物（ \ce{NO_{x}} ）的来源
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自然来源：雷电作用、微生物的固氮作用。
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人为来源：化石燃料的燃烧、金属矿物的冶炼、汽车尾气的排放、工业硝酸生产的废气。
2. 氮氧化物的危害
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硝酸型酸雨： \ce{NO_{x}} 排入大气后，与水反应生成 \ce{HNO3} 和 \ce{HNO2} ，随雨雪降落到地面，形成酸雨（pH<5.6）。
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光化学烟雾： \ce{NO_{x}} 在紫外线作用下，与碳氢化合物发生一系列反应，生成有毒的烟雾，危害人体健康，污染大气。
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破坏臭氧层： \ce{NO2} 可催化平流层中臭氧的分解，导致臭氧层变薄，地面紫外线辐射增强。
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人体中毒： \ce{NO} 、 \ce{NO2} 均可与血红蛋白结合，导致人体缺氧中毒，引发呼吸系统疾病。
3. 氮氧化物的治理方法
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源头控制：推广使用清洁能源，减少化石燃料的燃烧；优化工业生产工艺，减少 \ce{NO_{x}} 的排放。
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尾气处理：
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汽车尾气催化转化法： \ce{2CO + 2NO \xlongequal{\text{催化剂}} 2CO2 + N2}
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氨还原法（工业常用SCR技术）：
\ce{6NO + 4NH3 \xlongequal[\Delta]{\text{催化剂}} 5N2 + 6H2O}\ce{6NO2 + 8NH3 \xlongequal[\Delta]{\text{催化剂}} 7N2 + 12H2O} -
碱液吸收法（工业废气处理）：
\ce{2NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 + H2O}\ce{NO + NO2 + 2NaOH = 2NaNO2 + H2O}
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【环保专项题】
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下列措施不能减少氮氧化物排放的是（ ）
A. 推广使用清洁能源
B. 汽车安装尾气催化转化装置
C. 工业废气直接排放
D. 用碱液吸收工业尾气中的 \ce{NO_{x}}
【答案与解析】
答案：C
解析：工业废气直接排放会导致其中的 \ce{NO_{x}} 直接进入大气，加剧污染，无法减少排放，C符合题意；A、B、D均为减少 \ce{NO_{x}} 排放或去除 \ce{NO_{x}} 的有效措施。
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写出用氨气还原 \ce{NO2} 治理污染的化学方程式，并用双线桥法标出电子转移的方向和数目。
【答案与解析】
化学方程式： \ce{6NO2 + 8NH3 \xlongequal[\Delta]{\text{催化剂}} 7N2 + 12H2O}
双线桥标注：
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从 \ce{NH3} 中的 \ce{N} 指向 \ce{N2} 中的 \ce{N} ，桥上标注“失去 8×3e^{-} ，化合价升高，被氧化”
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从 \ce{NO2} 中的 \ce{N} 指向 \ce{N2} 中的 \ce{N} ，桥上标注“得到 6×4e^{-} ，化合价降低，被还原”
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模块六 重难点专项突破
重难点1 喷泉实验原理与应用
1. 喷泉形成的核心原理
容器内外产生较大的压强差，在外界大气压的作用下，烧杯中的液体迅速通过尖嘴导管喷入烧瓶，形成喷泉。
2. 压强差的产生方式
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负压型（最常见）：容器内的气体极易溶于水，或与溶液快速反应，导致容器内压强迅速降低，外界大气压将液体压入烧瓶。
常见组合： \ce{NH3} 、 \ce{HCl} 与水； \ce{CO2} 、 \ce{SO2} 、 \ce{Cl2} 与 \ce{NaOH} 溶液； \ce{NO2 + O2} （4:1）与水。
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正压型：容器内的液体受热或发生反应生成大量气体，导致容器内压强增大，将液体压出形成喷泉（如喷雾器、火山喷发）。
3. 喷泉实验成功的关键
① 装置气密性良好；② 烧瓶必须干燥；③ 烧瓶内的气体要充满；④ 滴管内的水要足量。
【喷泉实验探究题】
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下列气体与溶液的组合，能形成喷泉实验的是（ ）
A. \ce{CO2} 与饱和 \ce{NaHCO3} 溶液
B. \ce{NH3} 与水
C. \ce{NO} 与水
D. \ce{Cl2} 与饱和食盐水
【答案与解析】
答案：B
解析： \ce{NH3} 极易溶于水，可使烧瓶内压强迅速降低，形成喷泉，B正确； \ce{CO2} 在饱和 \ce{NaHCO3} 溶液中溶解度极小， \ce{NO} 难溶于水， \ce{Cl2} 在饱和食盐水中溶解度极小，均无法形成明显的压强差，不能形成喷泉，A、C、D错误。
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若用标准装置做喷泉实验，烧瓶内充满 \ce{NO2} 和 \ce{O2} 的混合气体（体积比4:1），滴管和烧杯中均为水，打开止水夹后，能否形成喷泉？若能，最终烧瓶内溶液的物质的量浓度为多少（标准状况下）？
【答案与解析】
能形成喷泉。
解析：混合气体中 V(\ce{NO2}):V(\ce{O2})=4:1 ，恰好发生反应 \ce{4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3} ，气体完全被吸收，烧瓶内压强骤降，可形成喷泉，最终液体充满整个烧瓶。
设烧瓶体积为 V\ \mathrm{L} ，标准状况下，混合气体总物质的量 n(总)=\frac{V}{22.4}\ \mathrm{mol} ，其中 n(\ce{NO2})=\frac{V}{22.4}×\frac{4}{5}\ \mathrm{mol} ，根据反应，生成 n(\ce{HNO3})=n(\ce{NO2})=\frac{4V}{5×22.4}\ \mathrm{mol} 。
溶液体积等于烧瓶体积 V\ \mathrm{L} ，因此 c(\ce{HNO3})=\frac{n}{V}=\frac{\frac{4V}{5×22.4}}{V}=\frac{1}{28}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}≈0.0357\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}} 。
重难点2 制备硝酸铜的最佳方案分析
| 方案序号 | 反应原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 1 | \ce{Cu + 4HNO3(浓) = Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O} | 反应速率快 | 生成有毒 \ce{NO2} ，污染环境；硝酸利用率低（仅50%） |
| 2 | \ce{3Cu + 8HNO3(稀) = 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O} | 反应速率较快 | 生成有毒 \ce{NO} ，污染环境；硝酸利用率低（仅75%） |
| 3 | \ce{2Cu + O2 \xlongequal{\Delta} 2CuO} ； \ce{CuO + 2HNO3(稀) = Cu(NO3)2 + H2O} | 无有毒气体生成，环保；硝酸利用率100%，原料成本低 | 需两步反应，操作稍繁琐 |
| 4 | \ce{Cu + 2AgNO3 = Cu(NO3)2 + 2Ag} | 反应简单，无污染物 | \ce{AgNO3} 价格昂贵，成本极高，不适合大量制备 |
最佳方案：方案3，符合绿色化学理念，原料利用率高，无环境污染。
【制备方案题】
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从环保和原料利用率角度分析，实验室制取 \ce{Cu(NO3)2} 的最佳方案是（ ）
A. \ce{Cu} 与浓硝酸反应
B. \ce{Cu} 与稀硝酸反应
C. \ce{Cu} 先氧化为 \ce{CuO} ，再与稀硝酸反应
D. \ce{Cu} 与 \ce{AgNO3} 溶液反应
【答案与解析】
答案：C
解析：A、B方案均生成有毒氮氧化物，污染环境，且硝酸利用率低；D方案原料成本极高，不适合制备；C方案无有毒气体生成，硝酸完全转化为硝酸铜，利用率100%，符合环保和经济要求，为最佳方案。
模块七 核心方程式速查（默写专用）
一、氮气与氮的固定相关
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\ce{N2 + O2 ->[放电或高温] 2NO}
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\ce{N2 + 3H2 <=>[高温、高压][催化剂] 2NH3}
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\ce{3Mg + N2 ->[点燃] Mg3N2}
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\ce{Mg3N2 + 6H2O -> 3Mg(OH)2 v + 2NH3 ^}
二、氮的氧化物相关
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\ce{2NO + O2 -> 2NO2}
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\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}
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\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}
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\ce{4NO + 3O2 + 2H2O -> 4HNO3}
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\ce{2NO2 + 2NaOH -> NaNO3 + NaNO2 + H2O}
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\ce{NO + NO2 + 2NaOH -> 2NaNO2 + H2O}
三、氨与铵盐相关
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\ce{NH3 + H2O \rightleftharpoons NH3·H2O \rightleftharpoons NH4+ + OH-}
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\ce{NH3·H2O ->[\Delta] NH3 ^ + H2O}
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\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}
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\ce{2NH3 + H2SO4 -> (NH4)2SO4}
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\ce{4NH3 + 5O2 ->[\Delta][催化剂] 4NO + 6H2O}
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\ce{4NH3 + 3O2 ->[点燃] 2N2 + 6H2O}
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\ce{8NH3(过量) + 3Cl2 -> N2 + 6NH4Cl}
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\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 ->[\Delta] CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}
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\ce{NH4Cl ->[\Delta] NH3 ^ + HCl ^}
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\ce{NH4HCO3 ->[\Delta] NH3 ^ + CO2 ^ + H2O}
四、硝酸与硝酸盐相关
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\ce{4HNO3 ->[\Delta 或光照] 2H2O + 4NO2 ^ + O2 ^}
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\ce{Cu + 4HNO3(浓) -> Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}
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\ce{3Cu + 8HNO3(稀) -> 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}
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\ce{C + 4HNO3(浓) ->[\Delta] 2H2O + 4NO2 ^ + CO2 ^}
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\ce{S + 6HNO3(浓) ->[\Delta] H2SO4 + 6NO2 ^ + 2H2O}
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\ce{2Cu(NO3)2 ->[\Delta] 2CuO + 4NO2 ^ + O2 ^}
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\ce{2AgNO3 ->[\Delta] 2Ag + 2NO2 ^ + O2 ^}
五、氮氧化物污染治理相关
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\ce{2CO + 2NO ->[催化剂] 2CO2 + N2}
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\ce{6NO + 4NH3 ->[\Delta][催化剂] 5N2 + 6H2O}
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\ce{6NO2 + 8NH3 ->[\Delta][催化剂] 7N2 + 12H2O}