氮是一种重要的非金属元素,它的单质及其化合物具有重要的性质和用途,这一部分也是高考常考的知识点之一.在教学中发现,学生在学习过程中存在这样或那样的问题,笔者暂且按氮的价态由低到高的顺序,列举并澄清学生中存在的一些问题,以引起学生的注意,提高学习成绩.

一、氮的简单氢化物氨及铵盐

氨(NH3)是中学化学中唯一系统学习的碱性气体,它极易溶于水,水溶液称之为氨水,氨水的浓度越大,它的密度越小,而且小于水的密度,计算氨水的浓度时,溶质按NH3进行计算,而非NH3·H2O.实验室制取氨时,常用固体氯化铵与氢氧化钙混合加热制取,不在水溶液中进行,因为氨极易溶于水.干燥氨时用碱石灰,不能用浓硫酸,也不能用CaCl2、P2O5、CuSO4等干燥剂.氨的检验常用到的方法有两种,简单记为:氨蓝或白烟,具体做法:用湿润的红色石蕊试纸靠近气体,试纸变蓝;或用洁净干燥的玻璃棒蘸取浓盐酸,靠近气体,有大量的白烟.尾气处理一般在收集氨的试管口塞一团蘸有水或稀硫酸的棉花.氮还有一种较为常见的氢化物,称为联氨或肼,化学式为N2H4,肼是一种无色的液体,可作为喷气式发动机的推进剂、火箭燃料等.肼为二元弱碱,碱性比氨的弱,在水溶液中的电离与氨相似,分两步进行:

N2H4、N2H5+、N2H62+均为18e-粒子.铵盐都是离子化合物,受热易分解,分解反应并非都是非氧化还原反应,也存在氧化还原反应.若形成铵盐的酸是挥发性的酸,则固体铵盐受热分解时,生成的氨与酸一起挥发到试管口又重新结合成铵盐,管口又出现白色固体,如NH4Cl,并且加热时试管口稍微向上倾斜.若组成铵盐的酸是难挥发性的酸,则固体铵盐受热分解时,生成氨和难挥发性的酸,如(NH4)2SO4.若组成铵盐的酸是具有强氧化性的酸,受热分解时,则发生氧化还原反应,如NH4NO3,但是,反应的温度不同,形成的氮的化合物不同.各种铵盐只有在固态时才能较好地受热分解,所以,铵盐要密封保存,并存放在温度低的地方.

二、氮气(N2)

氮元素在自然界既有游离态又有化合态,把游离态的氮转变为化合态的氮的过程叫做氮的固定,氮的固定有自然固氮和人工固氮,但都发生的是化学变化,而且发生的是氧化还原反应.氮元素的非金属性很强,但N2的化学性质不活泼,一般来说,与其他物质很难反应,这是因为N2中的2个N原子形成键能很大的氮氮三键的缘故.但在特殊的条件下,N2也能与其他物质反应,如,在放电或高温条件下,N2与O2反应生成NO,而非NO2,Mg在N2中也能燃烧生成Mg3N2等.

三、氮的氧化物

氮元素的正价态有+1、+2、+3、+4、+5价,它的氧化物有:N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5,注意+4氮的氧化物有两种,而且存在平衡,所以,没有纯净的NO2或N2O4,在标准状况下1 mol NO2气体体积小于22.4 L,摩尔质量大于46 g/mol,而N2O4的摩尔质量小于92 g/mol,NO2为红棕色气体,其余为无色气体;在这些氧化物中只有N2O3、N2O5是酸性氧化物,对应的含氧酸分别是HNO2、HNO3,所以硝酸的酸酐是N2O5,而非NO2;NO与O2不能共存,收集NO不能用排空气法,只能用排水法收集,氮的氧化物都有毒,都必须进行尾气处理.常用到的尾气处理方法有:NaOH溶液吸收法,转化为盐:

氨吸收法,转化为无毒的氮气:

汽车尾气转化法:

四、氮的含氧酸

氮的含氧酸有亚硝酸和硝酸两种,分子式分别为:HNO2、HNO3,亚硝酸是一种弱酸,不稳定,仅存在于冷的稀溶液中,微热甚至常温也会分解,产生红棕色的NO2.硝酸是一种氧化性的强酸,不管是浓硝酸还是稀硝酸都具有氧化性,而且硝酸的浓度越大其氧化性越强.硝酸不稳定,见光受热易分解,所以,硝酸要保存在棕色试剂瓶中,并置于阴凉处,瓶塞用玻璃塞,不能用橡胶塞.硝酸与金属反应时一般不产生H2,浓硝酸与金属反应时,还原产物为NO2,稀硝酸为NO,很稀的硝酸还原产物也可能为N2O、N2、NH4NO3等,硝酸的浓度越小,其还原产物中氮的价态越低,金属与硝酸反应中,体现了硝酸的酸性和氧化性,硝酸可以把除金、铂以外的所有金属氧化,溶解金、铂须用王水.注意:铜与浓硝酸反应,若铜过量,反应开始时硝酸的还原产物为NO2,随着反应的进行,浓硝酸被稀释成为稀硝酸,硝酸的还原产物为NO,最终得到NO2和NO的混合物气体;铁与稀硝酸反应时,首先硝酸把铁氧化为Fe3+,当铁过量时铁把Fe3+还原成Fe2+,所以,生成物中可能既有Fe3+又有Fe2+.在常温下,浓硝酸可以使铁、铝表面钝化,所以,可以用铁或铝容器来盛装浓硝酸.硝酸与金属反应发生的是氧化还原反应,在进行相关计算时,往往利用得失电子数相等列出等量关系,进行计算,方便、简单.

实例1在标准状况下,将1.92 g的铜粉投入一定量浓硝酸中,随着反应的进行,生成气体的颜色逐渐变浅,当铜粉完全反应后,共收集到NO2和NO的混合气体1.12 L,则混合气体中NO的体积为______L.

解析1.92 g铜粉的物质的量为0.03 mol,混合气体的总的物质的量为0.05 mol,设NO的物质的量为xmol,则NO2的物质的量为(0.05-x)mol,根据得失电子数相等,列出关系式:3x+(0.05-x)×1=0.03×2,解得x=0.05,V(NO)=0.05 mol×22.4 L/mol=0.112 L.金属与硫酸、硝酸的混合酸反应时,可以看成金属首先与硝酸反应,生成硝酸盐,硝酸盐提供硝酸根离子,在硫酸提供的氢离子条件下,能继续与金属反应,此类计算题目,应用离子方程式来进行计算,先判断过量问题,然后根据完全反应的物质来进行计算.

实例2在100 mL的混合酸中,硝酸、硫酸的物质的量浓度分别为0.3 mol/L、0.15 mol/L,向该溶液中加入2.56 g铜粉,加热充分反应,所得溶液中铜离子的物质的量浓度是____mol/L.

解析2.56 g铜粉的物质的量为0.04 mol,硝酸的物质的量为0.03 mol,硝酸根离子的物质的量为0.03 mol,硫酸为0.015 mol,则氢离子的物质的量为0.03 mol+0.015 mol×2=0.06 mol.发生反应的离子方程式为

经计算判断氢离子反应完,铜离子、硝酸根离子均过量,用氢离子算得的铜离子的物质的量为0.0225 mol,铜离子的物质的量浓度为0.225 mol/L.特别注意:NO3-只有在酸性条件下具有强氧化性,在酸性条件下,不能与Fe2+、I-、S2-、SO32-等还原性较强的离子共存.

氮及其化合物知识点多、琐碎、广泛,所设计的试题往往灵活、巧妙,但不管试题怎样变化,万变不离其宗,平时加强基础知识的巩固落实,加强知识的辨识,加强学习能力的训练,真正做到“心中有粮,遇事不慌”,下笔才如有神.