考点23氮和磷
1.复习重点
1. 氮族元素性质的相似性和递变规律;
2. 氮气的分子结构及其化学性质;
3. 磷的两种同素异形体的有关性质。
2.难点聚焦
1.知识要点:
一. 氮族元素
1.氮族元素的原子结构与性质
(1)周期表中的位置:
第VA族(N、P、As、Sb、Bi)
(2)原子结构:
相同点:最外层电子数相同(5e-)
不同点:电子层数不同,原子半半径依次增大
(3)主要性质:
①相似性:a、最高价态为+5,负价为-3,能形成氢化物RH3,Sb、Bi无负价;最高价氧化对应水化物HRO3或H3RO4 呈酸性。
②递变性:(按原子序数增大顺序):a、原子半径由小到大;b、氢化物的稳定性由强到弱;c、最高价含氧酸的酸性由强到弱;d、非金属性由强到弱,且比同周期卤族元素、氧族元素弱,金属性渐强。
2.氮气的性质
(1)氮气的物理性质:无色无味,不溶于水比空气略轻的气体。
(2)氮气的化学性质:
分子中N≡N非常牢固,通常情况下不易与其他物质反应。
N2 与氢气反应生成NH3(高温高压铁触媒)
与氧气在放电条件下生成NO
与活泼金属反应 3Mg+N2 Mg3N2
(3)氮气的用途:
工业上合成氨制硝酸;用作保护气,用于:焊接金属、填充灯泡、保鲜食品;医学上用于冷冻麻醉;高科技中用液氮制造低温环境等。
3.磷的同素异形体:白磷和红磷
名称
白磷
红磷
分子结构
分子式P4、正四面体型、键角60°
分子晶体、结构复杂
颜色状态
白色或黄色固体
暗红色粉末或固体
溶解性
不溶于水,易溶于CS2
不溶于水,不溶于CS2
毒性
剧毒
无毒
着火点
保存方法
保存在水中
密封
相互转化
4.磷及其化合物的性质
(1)磷单质的化学性质和用途
4P+5O2 2P2O5
2P+3Cl2 2PCl3(l)
2P+3Cl2 2PCl5(s)
用途:制高纯度磷酸、红磷用于制农药、安全火柴、白磷制造燃烧弹和烟幕弹。
(2)磷的化合物
①P2O5:极易溶于水,是较好的干燥剂(吸湿性很强)能与水作用:
P2O5+H2O(冷)=2HPO3(剧毒)
P2O5+3H2O(热)=2H3PO4(无毒)
②H3PO4:无色晶体,与水任意比例互溶,有吸湿性,可作干燥剂,属非氧化性酸,沸点高。
化学性质:具有酸的通性,是三元中强酸,是一种高沸点酸。能与碱中和、与NaBr、NaI作用。
③磷酸盐:
溶解性:磷酸二氢盐均易溶于水,溶液呈酸性;磷酸盐和磷酸一氢盐除钾、钠、铵盐外不溶于水。
相互转化:
磷酸盐 磷酸一氢盐 磷酸二氢盐
2.原理、规律、疑难剖析:
1.氮族元素最外层电子都是5个,主要显+5、+3、-3价。本族元素形成的+3、-3价化合物中其原子已达到稳定结构,如NH3、PCl3、BiCl3、Mg3N2。
2.在氮族元素中氮和其它元素比较,有很大的特殊性,它的主要化合价有-3、+1、+2、+3、+4、+5等多种氮元素能以不同的价态与氧结合,可以形成多种氧化物:N2O、NO、N2O3、N2O4、NO2、N2O5。在这些氧化物中NO2和N2O4可以通过非氧化还原反应相互转化:2NO2 N2O4。
有关氮的氧化物知识应注意:
①NO是一种无色无味气体,能与人血液中的血红蛋白结合而使人中毒。接触空气后立即被氧化为NO2而变红棕色,收集NO气体必须用排水集气法。实验室中制NO气体是铜与硝酸反应:
3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
NO在神经信号传递、血压生理调控、血流量控制、免疫调节、抵抗感染等方面起到了重要作用,被称为“明星分子”或“信使分子”(2004年高考理综27小题)。
②NO2是一种红棕色、具有剌激性气味、有毒的气体。它与水反应,而易溶于水:
3NO2+2H2O=2HNO3+NO↑
在反应中NO2既是氧化剂又是还原剂。
在NO2中,因N的价态较高,它的氧化性较强,NO2能氧化SO2、KI等物质:
NO2+SO2=SO3+H2O
NO2+2KI=2KNO2+I2(NO2能使湿润的淀粉KI试纸为蓝)
③ 隐含反应2NO2 N2O4的应用:
在实验测定NO2、N2O4的相对分子质量、比较相同条件下相同物质的量的气体体积大小,以及涉及到NO2气体的颜色深浅、压强、密度等方面时要考虑此反应。
3.磷酸与碱反应的规律:
=1∶1时生成NaH2PO4
=1∶2时生成Na2HPO4
=1∶3时生成Na3PO4
介于1∶1和1∶2之间,则生成
NaH2PO4和Na2HPO4的混合物
介于1∶2和1∶3之间,则生成Na2HPO4和Na3PO4的混合物。
3.例题精讲
有关NO、NO2、O2的混合气体和水反应的计算
基本反应 : 2NO+O2=2NO2------------------(1)
3NO2+H2O=2H2NO3+NO------(2)
1、NO(N2)、NO2混合气体与水反应
例1. 将20ml充满NO和NO2的混合气体的试管倒立于盛水的水槽中,充分反应后,剩余气体的体积变为10ml,求原混合气体中NO和NO2 各占多少毫升?
解析:NO不与水反应,NO2与水反应时每一体积的NO2会生成1/3体积的NO ,所以剩余的气体为未参加反应的NO 和生成的NO
解法一:设原混合气体中含NO2 xml ,
则含NO(20-x)ml
3NO2+H2O=2H2NO3+NO
3 1
x y
3/x=1/y解之得:y=x/3
由题意得:(20-x)+x/3=10 解得x=15ml
则原NO的体积 20-15=5ml
答:(略)
解法二: (差量法)设原混合气体中含NO2气体xml
3NO2+H2O=2H2NO3+NO △V
3 (3-1)
x (20-10)
3/x=(3-1)/(20-10) 解得 x=15ml
答:(略)
2、NO2和O2 的混合气体与水的反应
关系式:4NO2+O2+H2O=4HNO3
将(2)×2-(1)得到,目的:消去中间产物NO)
讨论如下:
NO2与O2的体积比
发生的化学反应
剩余气体
=4:1
4NO2+O2+H2O=4HNO3
无
<4:1
4NO2+O2+H2O=4HNO3
O2
>4:1
4NO2+O2+H2O=4HNO3
3NO2+H2O=2H2NO3+NO
NO
例2.将充满NO2和O2的混合气体的量筒倒置于水中,充分反应后,保持气体压强不变,水进入至量筒体积的一半处停止了,则原混合气体中NO2和O2的体积比是多少?
解析:NO2和O2的体积比不等于4:1,则需讨论NO2和O2分别过量时的两种情况
设混合气体的体积为1,混合气体中NO2的体积为x,则O2为(1- x)
(1)假定原混合气体中V(NO2):(O2)<4:1
4NO2+O2+H2O=4HNO3
4 1
x y
4/x=1/y 解得y=x/4
剩余的O2:(1-x)-x/4=1/2 解得x=2/5
V(NO2):V(O2)=2/5:(1-2/5)=2:3
(2) 假定原混合气体中V(NO2):V(O2)>4:1
4NO2+O2+H2O=4HNO3
4 1
y (1-x)
4/ y =1/(1-x) 解得:y=4(1-x)
暂时剩余NO2:1-[4(1-x)+(1-x)]=5x-4
由反应式:3NO2+H2O=2H2NO3+NO可知
最后剩余NO :(5x-4)/3
由(5x-4)/3=1/2得 x=11/10(不合题意,舍去)
小结: NO2和O2的混合气体与水反应时,当剩余气体的体积大于原混合气体体积的1/3时,只有一个条件:V(NO2):V(O2)>4:1(此结论由同学们自行证明)
3、NO与O2分别通入水中
关系式:4NO+3O2+H2O=4HNO3
讨论如下:
NO与O2的体积比
发生的化学反应
剩余气体
=4:3
4NO+3O2+H2O=4HNO3
无
<4:3
4NO+3O2+H2O=4HNO3
O2
>4:3
4NO+3O2+H2O=4HNO3
NO
例3.一定条件下,将等体积的NO和O2混合于一试管中,然后将试管倒立于盛有水的水槽中,充分反应后剩余气体的体积与原混合气体的体积之比是多少?
解析: 因为混合气体中NO和O2的体积比<4:3,则剩余气体为O2
设混合气体中NO 的体积为x,则O2的体积也为x
4NO+3O2+H2O=4HNO3
4 3
x y
4/ x =3 / y 解得:y=3x/4
剩余的O2为x-3x/4=x/4
它与原混合气体的体积比为x/4:2x=1:8
4、NO2、NO、O2的混合气体与水反应
关系式: V(O2)= V(NO2)/4+ 3V(NO)/4
特例,当V(NO): V(NO2)::V(O2)=1:1:1时,混合气体全部与水反应,无气体剩余。
例4.常温下盛有10mlNO2和10mlNO组成的混合气体的大试管倒立于水中,当缓缓通入O2一段时间后,试管内残留2ml气体,则通入O2体积可能为多少毫升
解析:残留2ml气体可能是NO也有可能是O2,应予以讨论
(1)若残留气体是NO ,则转化为HNO3的NO为10ml-2ml=8ml
则:4NO2+O2+H2O=4HNO3
4 1
10ml y
4 /10ml =1/ y 解得:y=2.5ml
4NO+3O2+H2O=4HNO3
4 3
8ml x
4/8ml =3/ x 解得:x=6ml
共耗氧气V(O2)=2.5ml+6ml=8.5ml
(2)若残留气体2ml是O2,则:
4NO+3O2+H2O=4HNO3
4 3
10ml z
4/10ml =3/ z 解和z=7.5ml
故通入 V(O2)=2.5+7.5+2=12ml
答:(略)
例5.(2001春季北京、内蒙、安徽高考)关于非金属N、O、Cl、P的叙述,正确的是( )
A.在通常情况下其单质均为气体
B. 其单质均由双原子分子组成
C. 都属于主族元素
D.每种元素公生成一种氢化物
解析:N、O、Cl通常情况下单质为气体,且为双原子分子,而P不是,白磷为P4分子,其中N的氢化物有NH3、N2H4等,O的氧化物有H2O、H2O2,所以A、B、D选项均不正确。正确答案为C。
例6.氮气与其他单质化合一般需要高温,有时还需高压等条件,但金属锂在常温、常压下就能与氮气化合生成氮化锂,这是因为( )
①此反应可能是吸热反应
②此反应可能是放热反应
③此反应可能是氮分子不必先分解成为原子④此反应前可能氮分子先分解成为原子
A.①② B.②④ C.②③ D.①④
解析:氮分子中存在N≡N,键能很大,非常
牢固,通常情况下很难断裂N≡N键成为氮原子与其他物质反应,如果氮分子能与这种物质容易反应,只可能是氮分子不必先分解为氮原子这种情况;另外化学反应中放热反应一般比较容易发生。综上所述正确选项应为C选项。
例7.(2002年南京市模拟题)工业废气的氮
氧化物(如NO、NO2等,用通式NOx表示)是主要的大气污染物之一。为了保护环境,工业上常通入氨气与之发生如下反应:
NOx+NH3 N2+H2O
有关此反应,下列说法中错误的是( )
A.N2既是氧化产物又是还原产物
B. 当x=1时,每生成2.5mol N2,被氧化的
气体有3mol
C.当x=2时,有1mol气体被还原,转移电子4mol
D.反应通式配平表示为:
6 NOx +4x NH3 = (3+2x)N2+6x H2O
解析:分析平配平方程式得到A、D选项均正确,将x=1代入6 NOx +4x NH3 = (3+2x)N2+6x H2O中得到6NO+4NH3=5 N2+6H2O 分析可知:每生成5mol,被氧化的气体有4mol(被氧化的气体为NH3),则每生成2.5mol N2,被氧化的气体只有2mol。同理可推得C选项正确。所以,答案应为选项B。
例8.(1994?全国?17)已知磷酸分子
( )中的三个氢原子都可以跟重
水分子(D2O)中的D原子发生氢交换。又知次磷酸(H3PO2)也可以跟D2O进行氢交换,但次磷酸钠(NaH2PO2)却不能再跟D2O发生氢交换。由此可推断H3PO2的分子结构是( )
A.
C.
解析:题中所给磷酸分子的结构式是给的一个信息:含氧酸中只有与O原子直接结合的H原子才可能电离出H+,即题中所说的与D2O中的D原子发生氢交换。把信息迁移到H3PO2中,由于NaH2PO2不能与D2O进行氢交换,所以H3PO2只是一元酸,因而其结构式中只有一个―OH,再应用O原子只能有两个共价键的基础知识,就不难推出正确选项为B。
4.实战演练
1.(2001年全国高考题)有一种磷的结构式是 有关它的下列
叙述中不正确的是?
A.它完全燃烧时的产物是P2O5
B.它不溶于水?
C.它在常温下呈固态?
D.它与白磷互为同分异构体
2.下列反应起了氮的固定作用的是?
A.N2与H2在一定条件下反应生成NH3?
B.NH3经催化氧化生成NO?
C.NO与O2反应生成NO2?
D.由NH3制碳铵和尿素
3.关于氮族元素的性质,下列推断错误的是?
A.最高价氧化物为R2O5,其水化物化学式为HRO3或H3RO4?
B.非金属性:磷>砷,气态氢化物的还原性:PH3>AsH3?
C.最高价含氧酸的酸性:硒酸>砷酸>锗酸?
D.所形成的氢化物中BiH3最不稳定?
4.下列比较中正确的是?
A.硝酸酸性比磷酸强?
B.PH3的稳定性大于NH3?
C.PH3的还原性大于NH3?
D.氮气的化学性质比磷活泼
5.新电灯泡的玻璃柱上涂有一点暗红色物质,以除去灯泡内残留的氧,该物质是?
A.Cu2O B.Fe2O3?
C.红磷 D.铜粉
6.红磷和白磷在一定条件下可以相互转化,这一变化属于?
A.物理变化 B.化学变化?
C.氧化还原反应 D.分解反应
7.在两密闭容器中分别盛有
A.5∶4 B.4∶5?
C.4∶3 D.3∶5
8.将(NH4)2CO3加热全部气化后,将气体先通过Na2O2,固体质量增加x g,再通过浓H2SO4,溶液质量增加y g;若先通过浓H2SO4,溶液增重z g,再通过Na2O2,固体质量增加w g,则x、y、z、w的质量大小排列顺序正确的是
A.x>y>z>w B.w>z>y>x
C.y=z>x=w D.z>y>x>w
9.在一定温度和压强下,将一支容积为15 mL的试管充满NO2后,倒置于一个盛水的水槽中,当试管内液面上升至一定高度不再变化时,在相同条件下再通入O2,若要使试管内的液面仍保持在原高度,则通入O2的体积为
A.3.75 mL B.7.5 mL?
C.8.75 mL D.10.5 mL?
10.在下列反应中,氨作氧化剂的是?
A.8NH3+3Br2===6NH4Br+N2?
B.2NH3+H2S===(NH4)2S?
C.2NH3+2Na===2NaNH2+H2?
D.NH3+NaH===NaNH2+H2?
11.下列关于磷及其化合物的叙述不正确的是?
A.红磷用于制造安全火柴、农药和燃烧弹?
B.磷酸二氢盐都易溶于水?
C.磷酸是三元酸,比硝酸的酸性强?
D.P2O5溶于热水生成磷酸,溶于冷水生成偏磷酸
12.下列制氮气的方法中,不合理的是?
A.分离液态空气?
B.加热使NH3分解?
C.将空气通过足量灼热的铜网?
D.将空气通过加热的镁粉
13.把等质量的镁分别放在下列气体中完全燃烧:①纯O2中,②空气中,③CO2中,
④Cl2中,⑤N2中,得到固体物质的质量分别为:m1、m2、m3、m4、m5,其由大到小的关系正确的是
A.①②③⑤④ B.④③①②⑤?
C.④③②①⑤ D.④①③②⑤?
14.关于磷的下列叙述中,正确的是?
①红磷没有毒性而白磷剧毒
②白磷在空气中加热到
⑥白磷为非金属单质,其晶体为正四面体型的原子晶体?
A.①②③ B.②③④?
C.①③④ D.③⑤⑥?
15.为了测知红磷在氯气中燃烧的产物,可以根据它的质量增加来确定。现有红磷
A.只有PCl3 B.只有PCl5?
C. PCl3和PCl5 D.无法确定
二、非选择题(共55分)?
16.(8分)第ⅤA族某元素的单质
17.(9分)雷雨时,从天空落下的雨水中常含有少量硝酸,其原因是(用化学方程式表示):
①
②
③
18.(8分)实验室合成氨装置如下图。试回答:?
装置甲的作用是:?
①
②
从乙处导出的气体是 ,检验产物的简单化学方法是 。
19.(10分)如右所示A、B、C、D、E变化关系网,均省去了反应所需条件,?
(1)如果A为气体单质,则:A ,B ,C ,D ,E 。
(2)如果A为固体单质,则:?
A ,B ,C ,D ,E 。(均填分子式)
20.(11分)实验室常用饱和NaNO2与NH4Cl溶液反应制取纯净氮气,反应式为:NH4Cl+NaNO2NaCl+N2↑+2H2O,ΔH<0,实验装置如下图所示,试回答:?
(1)装置中A部分的分液漏斗与蒸馏烧瓶之间连接的导管所起的作用是 (填写编号)。
a.防止NaNO2饱和溶液蒸发?
b.保证实验装置不漏气?
c.使NaNO2饱和溶液容易滴下?
(2)B部分的作用是 。
a.冷凝 b.冷却氮气 c.缓冲氮气流?
(3)加热前必须进行的一个操作步骤是 ;加热片刻后,即应移去酒精灯以防反应物冲出,其原因是 。
(4)收集N2前,必须进行的操作步骤是(用文字说明) 。收集N2最适宜的方法是(填写编号) 。
a.用排气法收集在集气瓶中?
b.用排水法收集在集气瓶中?
c.直接收集在球胆或塑料袋中
21.(9分)实验室用稀硝酸与铜反应来制备NO气体,如果采用(Ⅰ)装置(烧瓶内加入稀硝酸和铜片,必要时可加热)。实验效果不十分理想,因为从观察到的现象不能有力证明反应产物是NO;有人设计了(Ⅱ)装置(橡皮塞下端连有铜丝圈),用来做该实验可以达到满意的效果。
(1)用Ⅰ装置做实验时,用排水法收集到的气体的颜色为 色;实验过程中由于观察到 现象,而不能有力证明反应产物是NO。?
(2)用Ⅱ装置做实验时,将有关操作补充完全:?
①将分液漏斗的活塞打开,从U形管的B侧管口注入稀硝酸,一直注到 为止。
②关闭活塞,用酒精灯在U形管的A侧加热,当 时,立即撤去酒精灯。
(3)回答下列问题:?
①反应在什么情况下可以自动停止?可在何处观察到无色的NO气体??
②如果再将分液漏斗的活塞慢慢打开,可立即观察到哪些明显现象?
一、1.D?
2.解析:氮的固定是把单质氮转变成化合物的氮的过程。?
答案:A?
3.B 4.AC?
5.解析:反应消耗灯泡内少许氧气。?
答案:C?
6.B?
7.解析:依反应方程式进行过量与适量的判断后计算。?
答案:B?
8.D 9.C 10.CD 11.C 12.BD?
13.解析:用差量法求解比较方便,但注意2Mg+CO2===2MgO+C,固体物质是两部分。
答案:B?
14.C 15.C?
17.①N2+O22NO
②2NO+O2===2NO2?
③3NO2+H2O===2HNO3+NO↑?
18.①干燥气体 ②使两种气体充分混合,并通过观察气泡以调节氢气、氮气流速 NH3及N2和H2的混合物 用湿润的红色石蕊试纸检验气体,试纸变蓝(或其他合理方法)?
19.(1)N2 NO2 NO NH3 HNO3?
(2)S SO3 SO2 H2S H2SO4?
20.(1)c (2)a (3)检查装置的气密性 本反应为放热反应 (4)将系统内空气排尽 c?
21.(1)无 烧瓶内有红棕色气体?
(2)①单孔塞下沿与液面间不留有空隙(无气泡存在) ②铜丝上有气泡产生?
(3)①当产生的NO气体将稀HNO3排入U型管B侧管内使铜丝网与稀HNO3脱离后反应会立即停止;在U型管A侧管中可观察到无色的NO气体。②U型管的B侧管中的稀HNO3又回到A侧管内,分液漏斗中有红棕色气体出现。