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第3课时 硝酸 酸雨及防治
课程标准
核心素养
1.结合真实情境并通过实验探究,了解硝酸的主要性质,认识硝酸在工业和农业生产中的重要意义
2.结合真实情境,认识硫、氮的化合物对生态环境的影响,了解酸雨及防治
①宏观辨识与
微观探析
能从物质类别和元素化合价的角度,预测硝酸的性质及转化
②科学探究与
创新意识
能根据教材中给出的硝酸性质的探究问题,设计简单的实验方案,完成操作,观察现象,对实验现象作出解释
③科学态度与
社会责任
能主动关心与环境保护有关的酸雨等社会热点问题,形成与环境和谐共处、合理利用自然资源的观念
一、硝酸的性质
1.物理性质
2.化学性质
(1)酸性
在水中的电离方程式为 HNO3===H++NOeq \o\al(-,3) 。
(2)不稳定性
浓硝酸见光或受热会发生分解,化学方程式为 4HNO3(浓)eq \o(=====,\s\up17(△),\s\do15(或光照))4NO2↑+O2↑+2H2O 。
(3)强氧化性
写出下列有关反应的化学方程式:
a.与金属反应
稀硝酸与铜反应: 3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O 。
浓硝酸与铜反应: Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 。
b.与非金属反应
浓硝酸与红热的C(被氧化为CO2)的反应为
C+4HNO3(浓)eq \o(=====,\s\up17(△))CO2↑+4NO2↑+2H2O 。
3.硝酸的用途与工业制法
(1)用途
(2)工业制法
①工业流程
②写出有关化学方程式
N2→NH3: N2+3H2eq \o(,\s\up17(高温、高压),\s\do15(催化剂))2NH3 。
NH3→NO: 4NH3+5O2eq \o(=====,\s\up17(催化剂),\s\do15(△))4NO+6H2O 。
NO→NO2: 2NO+O2===2NO2 。
NO2→HNO3: 3NO2+H2O===2HNO3+NO 。
二、酸雨及防治
1.SO2与NO2的主要来源、危害和防治
(1)来源eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(①SO2:主要来自 煤和石油 和某些含硫, 的金属矿物的燃烧或冶炼,②NO2:主要来自汽车尾气))
(2)危害eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(①引起大气污染,直接危害人体健康,②溶于水形成 酸雨 ))
(3)防治eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(①调整能源结构,发展清洁能源,②研究煤的脱硫技术,改进燃烧技术,, 减少二氧化硫和氮氧化物的排放,③加强工厂废气的回收处理,④改进汽车尾气的处理技术,控制尾气排放))
2.酸雨
(1)概念:pH< 5.6 的降水。正常雨水由于溶解了CO2,其pH约为5.6。
(2)成因:主要是大气中的 SO2 与 NO2 溶于水形成的。
(3)危害
①直接损伤农作物、破坏森林和草原,使土壤、湖泊酸化。
②加速建筑物、桥梁、工业设备、运输工具和电缆的腐蚀。
硝酸的强氧化性
1.本质
HNO3中的+5价氮元素具有很强的得电子能力。
2.规律
(1)硝酸的浓度越大,反应温度越高,其氧化性越强。
(2)还原剂一般被氧化成最高价态。
3.具体表现
(1)硝酸与金属的反应
①除Au、Pt等少数金属外,硝酸几乎可以氧化所有的金属。
如3Ag+4HNO3(稀)===3AgNO3+NO↑+2H2O
②活泼金属与HNO3反应不生成H2,HNO3的浓度不同,还原产物不同。
③常温下浓硝酸能使Fe、Al钝化。
(2)硝酸与非金属的反应
①反应规律:非金属单质+浓硝酸―→最高价氧化物或其含氧酸+NO2↑+H2O
②反应举例:
C+4HNO3(浓)eq \o(=====,\s\up17(△))CO2↑+4NO2↑+2H2O
(3)硝酸与还原性化合物的反应
硝酸的强氧化性还表现在可以氧化具有还原性的化合物或离子,如HI、HBr、SO2、Fe2+、FeO、Br-、I-、S2-、SOeq \o\al(2-,3)等均能被HNO3氧化。
4.关于硝酸与金属反应的计算
(1)电子守恒法
硝酸与金属反应属于氧化还原反应,氮原子得到的电子总数等于金属原子失去的电子总数。
(2)原子守恒法
硝酸与金属反应时,反应前HNO3中的NOeq \o\al(-,3)一部分仍以NOeq \o\al(-,3)的形式存在,一部分转化为还原产物,这两部分中N的物质的量之和与反应消耗的HNO3中N的物质的量相等。
(3)利用离子方程式计算
硝酸与硫酸混合液跟金属的反应,当金属足量时,不能用HNO3与金属反应的化学方程式计算,应用离子方程式计算,因为生成的硝酸盐中的NOeq \o\al(-,3)与硫酸电离出的H+仍能继续与金属反应,如:3Cu+8H++2NOeq \o\al(-,3)===3Cu2++2NO↑+4H2O。
[温馨提示]
(1)硝酸与金属反应时,一般既表现强氧化性,又表现酸性,参加反应的硝酸部分被还原,还有一部分仍以NOeq \o\al(-,3)形式存在。
(2)浓硝酸与金属反应的过程中,浓度逐渐减小,还原产物有可能是NO2和NO的混合物。
(3)在应用硝酸的氧化性分析离子是否共存时,要注意溶液中H+和NOeq \o\al(-,3)的组合,它们相当于HNO3,能够氧化具有强还原性的离子,而单纯的NOeq \o\al(-,3)不能氧化这些离子。
[典例示范]
[典例1] 9.7 g Cu和Zn的合金与足量的稀硝酸反应,还原产物只有NO气体,其体积在标准状况下为2.24 L。将溶液稀释为1 L,测得溶液的c(H+)=0.1 mol·L-1,此时溶液中NOeq \o\al(-,3)的浓度为( )
A.0.3 mol·L-1
B.0.4 mol·L-1
C.0.2 mol·L-1
D.0.6 mol·L-1
解析:B [n(NO)=0.1 mol,转移电子的物质的量为0.1 mol×3=0.3 mol,n(Cu+Zn)=0.3 mol÷2=0.15 mol,n[Cu(NO3)2]+n[Zn(NO3)2]=0.15 mol,其中所含n(NOeq \o\al(-,3))=0.3 mol,溶液的c(HNO3)=c(H+)=0.1 mol·L-1,其中含n(NOeq \o\al(-,3))=0.1 mol,溶液中NOeq \o\al(-,3)的总浓度为0.4 mol·L-1。]
[方法技巧]
解决金属与硝酸反应常用的守恒方法
硝酸与金属的反应属于氧化还原反应,也属于离子反应,因此遵从以下守恒关系:①电子守恒:氮原子得到的电子数等于金属原子失去的电子数;②原子守恒:硝酸既显氧化性,又显酸性,因此被还原的NOeq \o\al(-,3)与生成盐的NOeq \o\al(-,3)之和为反应消耗的HNO3;③当Cu与混酸(H2SO4、HNO3)反应,转移电子数或生成NO的量的计算要依据n(Cu)、n(H+)总、n(NOeq \o\al(-,3))的量进行讨论计算。具体关系为3Cu~8H+~2NOeq \o\al(-,3)。方法是依据不足的一种物质进行计算。
[学以致用]
1.100 mL 2 mol·L-1的稀硝酸与1.92 g铜充分反应后:
(1)产生的气体是 ________ ,在标准状况下的体积为 ________ L,反应过程中转移的电子数为 ______ mol。
(2)若溶液的体积不变,则反应后溶液中的H+物质的量浓度为 ________ mol·L-1,NOeq \o\al(-,3)物质的量浓度为 ________ mol·L-1。
解析:(1)首先分析Cu和稀HNO3谁过量:n(HNO3)=0.1 L×2 mol/L=0.2 mol。n(Cu)=eq \f(1.92 g,64 g·mol-1)=0.03 mol,故铜不足,则产生n(NO)=eq \f(2×0.03 mol,3)=0.02 mol,即标准状况下V(NO)=0.02 mol×22.4 L·mol-1=0.448 L。转移的电子数n(e-)=n(Cu)×2=0.03 mol×2=0.06 mol。
(2)因为反应消耗n(H+)=0.08 mol,余n(H+)=0.2 mol-0.08 mol=0.12 mol,即反应后c(H+)=eq \f(0.12 mol,0.1 L)=1.2 mol/L。反应消耗n(NOeq \o\al(-,3))=n(NO)=0.02 mol;余n(NOeq \o\al(-,3))=0.2 mol-0.02 mol=0.18 mol,即反应后c(NOeq \o\al(-,3))=eq \f(0.18 mol,0.1 L)=1.8 mol/L。
答案:(1)NO 0.448 0.06
(2)1.2 1.8
环境保护与绿色化学
1.SO2和NO2的回收利用
二氧化硫和二氧化氮都是有用的化工原料,但当它们分散在大气中时,就形成了难以处理的污染物。因此,工业废气排放到大气中以前,必须回收处理,防止NO2和SO2等污染大气,并充分利用原料。
(1)SO2的回收利用
废气中的SO2可以用氨水吸收,化学反应原理为:
SO2+2NH3·H2O===(NH4)2SO3+H2O
或SO2+NH3+H2O===NH4HSO3
然后向所得溶液中加入浓硫酸,将它们转化为(NH4)2SO4,并可得到浓度较高的SO2,可用于生产H2SO4。
(NH4)2SO3+H2SO4(浓)===(NH4)2SO4+SO2↑+H2O
2NH4HSO3+H2SO4(浓)===(NH4)2SO4+2SO2↑+2H2O
重新收集的SO2有很多重要用途,如:可用于生产H2SO4。SO2转化为H2SO4的化学反应原理:
2SO2+O2eq \o(,\s\up17(催化剂))2SO3 SO3+H2O===H2SO4
(2)NO2、NO的回收利用
废气中的NO2、NO可以用碱溶液吸收,生产可利用的盐。例如:
2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O
NO+NO2+2NaOH===2NaNO2+H2O
2.常见的污染现象及危害
(1)酸雨——形成原因主要是由SO2和氮氧化物造成的;能使土壤酸化,腐蚀建筑物等。
(2)光化学烟雾——主要是由氮氧化物、碳氢化合物造成的;危害人体健康,影响植物生长。
(3)臭氧空洞——主要是氮氧化物、氟氯代烃等的排放引起的;使地球上的生物受太阳紫外线的伤害加剧。
(4)温室效应——主要是由于大气中CO2含量的不断增加造成的;会使全球气候变暖。
(5)白色污染——形成原因是塑料的大量使用,随意丢弃,会破坏土壤结构和生态环境。
(6)赤潮和水华——形成原因是含磷洗衣粉的大量使用及其废水的任意排放;会使藻类过度繁殖,鱼类死亡,水质恶化,若发生在淡水中称为“水华”,发生在海水中称为“赤潮”。
(7)水俣病——含汞的工业废水引起的水体污染,可使鱼类中毒,人食用中毒后的鱼会造成人体汞中毒。
[典例示范]
[典例2] 我国农业生产因遭受酸雨而造成的损失每年高达15亿元。为了有效控制酸雨,目前国务院已批准了《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》等法规。某实验小组采集硫酸型酸雨样品,随着时间的推移,多次测定该样品的pH,得到了表中数据:
时间(h)
0
8
16
24
32
40
48
pH
5.0
4.8
4.5
4.3
4.2
4.0
4.0
(1)酸雨样品放置时pH变化的主要原因是(用化学方程式表示)__ _____________________________________________________。
(2)如果将刚取样的上述酸雨和自来水混合,pH将 ________ (填“增大”“减小”或“不变”),原因是(用化学方程式表示) ________________ 。
(3)你认为减少酸雨产生可采取的措施是 ________ 。
①少用煤作燃料 ②把工厂烟囱造高 ③燃料脱硫 ④在已酸化的土壤中加石灰 ⑤开发新能源
A.①②③
B.②③④⑤
C.①③⑤
D.①③④⑤
[思路点拨]
[解析] (1)酸雨放置时pH变小,其原因是雨水中的H2SO3被空气中的O2氧化所致。
(2)雨水和自来水混合,应考虑H2SO3与自来水的Cl2发生氧化还原反应而生成硫酸和盐酸,使酸性增强。
(3)减少酸雨的形成必须减少SO2的排放,将煤转化为清洁能源(如煤的气化和液化),燃料脱硫、固硫,开发不含硫的新能源(如氢能、核能等),都是有效措施。
[答案] (1)SO2+H2OH2SO3
2H2SO3+O2===2H2SO4
(2)减小 H2SO3+Cl2+H2O===2HCl+H2SO4
(3)C
[知识迁移] 绿色化学
(1)绿色化学的含义
绿色化学又称“环境无害化学”“环境友好化学”“清洁化学”,绿色化学是在近十年才产生和发展起来的一个学科,是一个“新化学婴儿”。绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段,因而过程和终端均为零排放或零污染。
(2)绿色化学的核心内容
绿色化学的核心内容之一是“原子经济性”,即充分利用反应物中的各个原子,因此既能充分利用资源,又能防止污染。原子利用率越高,反应产生的废弃物越少,对环境造成的污染也减小。
绿色化学的核心内容之二是其内涵主要体现在五个“R”上;第一是Reduction——“减量”,即减少“三废”的排放;第二是Reuse——“重复使用”,如重复使用化学工业过程中的催化剂、载体等,可以降低成本,减少废弃物;第三是Recycling——“回收”,
可以有效实现“省资源、少污染、减成本”的要求;第四是Regeneration——“再生”,即变废为宝,是节省资源、能源、减少污染的有效途径;第五是Rejection——“拒用”,指对一些无法替代,无法回收、有毒副作用及污染作用明显的原料、不可再生和重复使用的原料,拒绝在化学过程中使用,这是杜绝污染最根本的方法。
[学以致用]
2.(1)如图对三种不同类型汽车(以序号①、②、③表示)的废气排放情况进行了比较。废气中的有害成分主要是碳氢化合物、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2),这三种汽车分别是以汽油为燃料的汽车、以天然气(主要成分是甲烷)为燃料的汽车和电动汽车。请判断其中序号为①的是 ____________ 汽车,序号为③的是 ____________ 汽车。
(2)一氧化氮是大气污染物之一。目前,有一种治理方法是在400 ℃左右、有催化剂存在的情况下,用氨气把一氧化氮还原为无毒气体。请写出该反应的化学方程式:
___________________________________________________。
解析:(1)以汽油为燃料的汽车排放的废气最多,电动汽车排放的最少。
(2)根据氧化还原反应的原理进行分析,用NH3将NO还原成无毒气体,该气体只能是N2,剩下的氢、氧元素只能结合成水。
答案:(1)电动 以汽油为燃料的
(2)6NO+4NH3eq \o(=====,\s\up17(催化剂),\s\do15(400 ℃))5N2+6H2O
1.下列反应中,硝酸只表现氧化性的是( )
A.Zn+HNO3(稀)―→
B.Mg(OH)2+HNO3(稀)―→
C.C+HNO3(浓)―→
D.Cu+HNO3(浓)―→
解析:C [硝酸中N得到电子,元素化合价降低,生成气体,则表现硝酸的氧化性,有硝酸盐生成,则表现硝酸的酸性,据此解答。A项,锌与稀硝酸反应生成NO和硝酸锌和水,表现了硝酸的氧化性和酸性;B项,Mg(OH)2与硝酸反应生成硝酸镁和水,只体现了硝酸的酸性;C项,C与浓硝酸反应生成CO2、NO2和水,只体现了硝酸的氧化性;D项,铜与浓硝酸反应生成硝酸铜、NO2和水,硝酸既表现氧化性又表现酸性。]
2.下列有关酸雨的说法不正确的是( )
A.空气中的SO2溶于水,最终形成酸雨
B.NO2或SO2都会导致酸雨的形成
C.pH<7的雨水不都是酸雨
D.工业废水任意排放是造成酸雨的主要原因
解析:D [酸雨形成的主要原因是大气中NO2和SO2的大量排放,而不是工业废水任意排放。]
3.下列关于浓硝酸的说法不正确的是( )
A.光照易分解
B.露置于空气中溶液浓度降低
C.能与碳反应说明其具有强氧化性
D.常温下铜在浓硝酸中发生钝化
解析:D [浓硝酸具有挥发性,见光分解和受热分解的不稳定性,还具有强的氧化性等。A.光照易分解是其不稳定性的表现,故A正确;B.露置于空气中因其挥发导致溶质减少,溶液浓度降低,故B正确;C.浓硝酸的强氧化性能氧化几乎所有的金属和绝大多数非金属,所以能与碳反应,故C正确;D.常温下铜可在浓、稀硝酸中发生反应,而铁、铝在浓硝酸中才能发生钝化,所以D错误。]
4.你认为减少酸雨的产生可采取的措施是( )
①少用煤作燃料 ②把工厂的烟囱造高 ③燃料脱硫 ④在已酸化的土壤中加石灰 ⑤开发新能源
A.①②③
B.②③④⑤
C.①③⑤
D.①③④⑤
解析:C [①用煤作燃料,煤中的硫燃烧生成二氧化硫,所以少用煤作燃料可减缓酸雨的产生,故正确;②工厂烟囱造高一些不能减少二氧化硫、氮氧化物的产生,所以不能减少酸雨的产生,故错误;③将矿石燃料脱硫、⑤开发新能源都能减少二氧化硫、氮氧化物的排放,所以能减少酸雨的形成。故正确;④在已酸化的土壤中加石灰,可以改良土壤。但不能减缓酸雨污染,故错误;故选C。]
5.(1)酸雨是指pH< ________ 的降水。大量燃烧含硫煤产生的气体随雨水降落到地面,随时间变长雨水酸性会逐渐增强,试用化学方程式解释其原因
______________________________________________________
________________________________________________。
在煤中加入适量石灰石,可以大大减少煤燃烧时SO2的排放,同时得到硫酸钙,发生反应的化学方程式_____________________。
(2)某兴趣小组同学汲取热电厂附近的雨水进行实验。雨水样品在空气中放置2小时后,通过测定发现雨水样品的酸性会增强,你认为会形成溶液酸性这一变化的原因是(用离子方程式表示)
_________________________________________________。
(3)正常雨水的溶液也是偏酸性,这是因为_________________________________________________
______________________________________________________。
(4)该兴趣小组同学为测定空气中二氧化硫的体积分数,做了如下实验:取标准状况下的空气1.000 L(内含氮气、氧气、二氧化硫、二氧化碳等),慢慢通过足量氯水(反应的化学方程式为SO2+Cl2+H2O===2HCl+H2SO4),在所得溶液中加入过量的氯化钡溶液,产生白色沉淀,将沉淀洗涤、干燥,称得其质量为0.233 g。计算该空气样品中二氧化硫的体积分数 ________ 。
解析:(1)酸雨是指pH<5.6的降水。雨水中的亚硫酸被氧化为强酸硫酸,所以雨水酸性会逐渐增强,反应的化学方程式为2H2SO3+O2===2H2SO4。在煤中加入适量石灰石,可以大大减少煤燃烧时SO2的排放,同时得到硫酸钙,发生反应的化学方程式为2CaCO3+2SO2+O2eq \o(=====,\s\up17(△))2CaSO4+2CO2。
(2)亚硫酸和空气中的氧气反应生成硫酸,故离子方程式为2H2SO3+O2===4H++2SOeq \o\al(2-,4)。
(3)空气中存在CO2溶于水生成碳酸使雨水显酸性,正常雨水的pH值约等于5.6。
(4)利用关系式:SO2~SOeq \o\al(2-,4)~BaSO4
0.001 mol eq \f(0.233 g,233 g/mol)=1×10-3 mol
n(SO2)=n(BaSO4)=1×10-3 mol
1 L空气中SO2的体积为22.4 L/mol×0.00l mol=0.022 4 L,SO2的体积分数为eq \f(0.022 4 L,1 L)×100%=2.24%。
答案:(1)5.6 2H2SO3+O2===2H2SO4
2CaCO3+2SO2+O2eq \o(=====,\s\up17(△))2CaSO4+2CO2
(2)2H2SO3+O2===4H++2SOeq \o\al(2-,4)
(3)大气中的CO2溶于雨水
(4)2.24%
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