内容正文:
第24讲
氮及其化合物的转化关系
1.能从物质类别、氮的化合价变化理解氮及其化合物的转化关系。
2.能从含氮物质的性质和转化的视角解释生产、生活中的相关现象。
复
习
目
标
1.在氮及其化合物的“价—类”二维图中填充N2、NH3、NH3·H2O、NH4Cl、NO、NO2、N2O4、HNO3、Cu(NO3)2。
HNO3
Cu(NO3)2
NO2
N2O4
NO
N2
NH3·
H2O
NH3
NH4Cl
知识网络
构建
2.完成图中序号对应的化学方程式(合理即可)。
①_____________________;
②____________________________;
③_________________________;
④__________________________________________;
⑤_________________________________________;
⑥___________________;
3NO2+H2O===2HNO3+NO
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
NH3+HCl===NH4Cl
知识网络
构建
⑦__________________________________________;
⑧______________________________;
⑨________________________;
⑩_________________________。
CuO+2HNO3===Cu(NO3)2+H2O
N2+3H2 2NH3
8NH3+3Cl2===6NH4Cl+N2
知识网络
构建
3.常见无机物A、B、C、D存在如图转化关系:
(1)若A是一种碱性气体,常用作制冷剂,B是汽车尾
气之一,遇空气会变色,则反应①的化学方程式为
____________________________。
知识网络
构建
(2)若A为常见挥发性强酸,D是生产生活中用量最大、
用途最广的金属单质,则B的化学式是_________。
Fe(NO3)3
由题意知,A是硝酸,B是硝酸铁,C是硝酸亚铁,则B的化学式为Fe(NO3)3。
知识网络
构建
(3)若A、C、D都是常见气体,C是形成酸雨的主要气
体,则A的电子式是__________。
由题意知,C是二氧化硫,A是硫化氢,D是氧气,B是S,A的电子式是 。
知识网络
构建
(4)若A、B、C的水溶液均显碱性,焰色反应均为黄色,
D为CO2,举出C的一种用途:_____________________
_________________________________________。
治疗胃酸过多、作发酵粉、用于泡沫灭火器等(任答其中一种即可)
若A、B、C的水溶液均显碱性,焰色反应均为黄色,说明都含有Na元素,D为CO2,A为NaOH,B是碳酸钠,C为碳酸氢钠。
知识网络
构建
1.空气中的氮气可通过人工固氮获得氨气,氨气是重要的化工原料,通过氨氧化法可制得硝酸,反应过程如下:
硝酸是一种强氧化性酸,制硝酸工业产生的尾气中含有氮氧化物,应处理后才能排放。
拓展
综合应用
下列说法不正确的是
A.常温下,浓硝酸可盛放在铝质或铁质容器中
B.BaSO3固体能溶于稀硝酸,生成Ba(NO3)2,放出SO2气体
C.工业上,当转化①的反应达到平衡时,需不断地从混合气体中分离出NH3,将未反
应的原料气送回合成塔以提高原料的利用率
D.转化④中,当V(NO2)∶V(O2)=4∶1时,理论上NO2可全部转化为HNO3
√
硝酸是强氧化性酸,BaSO3固体能溶于稀硝酸,被氧化生成硫酸钡,硝酸被还原生成NO,B错误。
拓展
综合应用
2.(2023·河北衡水中学一模)水合肼又称水合联氨,广泛用作还原剂、抗氧化剂、发泡剂等。其制备原理为NaClO+2NH3===N2H4·H2O+NaCl。用如图装置制取水合肼的有关分析正确的是
A.装置的连接顺序是f→a→b→d→c→e
B.e所在装置的漏斗可以没入水面以下
C.f所在装置可以快速制备氨气
D.操作过程中要快速滴加NaClO溶液
√
拓展
综合应用
制备水合肼时需先制备氨气,并将其通入
NaClO溶液中,氨气极易溶于水,在两装
置中间需要连接安全瓶用于防倒吸,为有
利于氨气与NaClO溶液反应,制备水合肼
时氨气应从c口进入装置,最后用e所在装
置进行尾气处理,则装置的连接顺序应是
f→a→b→c→d→e(a、b顺序可互换),故A错误;
由题干信息可知,水合肼具有还原性,而NaClO具有强氧化性,若滴加NaClO溶液过快,过量的NaClO能氧化水合肼,降低产率,故D错误。
拓展
综合应用
3.氮的氧化物(NOx)是大气污染物之一,工业上在一定温度和催化剂条件下用NH3将NOx还原生成N2。某同学在实验室中对NH3与NO2反应进行了探究。回答下列问题:
(1)氨气的制备
①氨气的发生装置可以选择上图中的_______,反应的化学方程式为____________________
_________________________________________________________。
A(或B)
2NH4Cl+Ca(OH)2
(或NH3·H2O NH3↑+H2O)
CaCl2+2H2O+2NH3↑
②欲收集一瓶干燥的氨气,选择上图中的装置,其连接顺序为发生装置→_________
(按气流方向,用小写字母表示)。
dcfedci
拓展
综合应用
氨气是碱性气体,可用碱石灰干燥,
其密度小于空气,应采用向下排空
气法收集,氨气极易溶于水,尾气
处理时应防止倒吸,则要收集一瓶
干燥的氨气,仪器的连接顺序为发生装置→dcfedci。
拓展
综合应用
(2)氨气与二氧化氮的反应
将上述收集到的NH3充入注射器X中,硬质玻璃管Y中加入少量催化剂,充入NO2(两端用夹子K1、K2夹好)。在一定温度下按图示装置进行实验。
拓展
综合应用
操作步骤 实验现象 解释原因
打开K1,推动注射器活塞,使X中的气体缓慢通入Y管中 ①Y管中_________________
______ ②反应的化学方程式:
______________________
_________
将注射器活塞退回原处并固定,待装置恢复到室温 Y管中有少量水珠 生成的气态水凝聚
打开K2 ③_______________________ ④_____________________
_______________________
红棕色气体颜色慢
慢变浅
+12H2O
Z中NaOH溶液产生倒吸现象
反应后气体分子数减少,Y管中压强小于外界压强
拓展
综合应用
打开K1,推动注射器活塞将氨气缓慢通入
Y管中,在一定温度和催化剂的作用下发
生反应:6NO2+8NH3 7N2+12H2O,
随着反应的发生Y管中红棕色气体颜色变浅;反应生成的水蒸气液化后,NO2和NH3反应后气体的物质的量减小,反应容器中的压强减小,打开K2,Z中的溶液倒吸入Y管中。
拓展
综合应用
课时精练
1.氮循环是生态系统物质循环的重要组成部分,人类活动影响了氮循环中的物质转化,如图所示。下列说法不正确的是
A.工业合成氨属于人工固氮过程
B.硝化过程中氮元素被还原
C.含氮无机物与含氮有机化合物可相互转化
D.反硝化过程有助于稳定N2在大气中的含量
√
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2.(2021·广东1月适应性测试,10)部分含氮物质的分类与相应氮元素的化合价关系如图所示。下列说法错误的是
A.a可经催化氧化生成b
B.b为红棕色,可转化为c
C.密闭体系中,c存在2NO2 N2O4
D.d的溶液与Cu反应可生成b或c
√
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由题中信息知,a为NH3,b为NO,NH3可经催化氧化生
成NO,A说法正确;
b为NO,为无色气体,与氧气反应可转化为c(NO2),B
说法错误;
c存在2NO2 N2O4,C说法正确;
d为硝酸,Cu与稀硝酸反应生成NO,与浓硝酸反应生成
NO2,D说法正确。
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3.(2023·河北正定中学模拟)自然界中时刻存在着氮的转化。如图为N2分子在催化剂作用下发生一系列转化示意图。
下列叙述正确的是
A.N2→NH3,NH3→NO均属于氮的固定
B.使用催化剂a、b均可以提高单位时间
内生成物的产量
C.催化剂a、b表面均发生了极性共价键的断裂
D.在催化剂a作用下,氮原子发生了氧化反应
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N2→NH3属于氮的固定,NH3→NO不属于
氮的固定,A错误;
催化剂可以提高化学反应速率,可以提高
单位时间内生成物的产量,B正确;
催化剂a作用下,N2→NH3,断裂N≡N非极性共价键;催化剂b作用下,NH3→NO,断裂N—H极性共价键,C错误;
催化剂a作用下,N2→NH3,氮原子化合价从0价降低至-3价,发生了还原反应,D错误。
4.(2023·广西玉林高三检测)已知X、Y、Z、E、F五种常见物质含有同一元素M,在一定条件下它们有如下转化,Z是NO,下列推断不合理的是
A.X可能是一种氢化物
B.Y生成Z一定是化合反应
C.E可能是一种有色气体
D.F中M元素的化合价可能为+5
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如果X是水,分解可生成O2,O2与N2反应生成
NO,X可能是一种氢化物,故A正确;
Z为NO,如果Y是O2,那么NH3与O2在催化剂的条件下可以生成NO,所以Y生成Z不一定是化合反应,故B错误;
Z是NO,NO与O2反应产生红棕色的NO2气体,所以E可能是红棕色NO2,故C正确;
F可以是HNO3,M元素的化合价可能为+5,故D正确。
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同位素是指同种元素的不同原子的互称,N4与N2为两种单质,故A错误;
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6.(2023·陕西延安高三联考)含N元素的气体a可发生如图所示转化。下列说法正确的是
A.c生成d属于自然固氮
B.b可用于检验氯气管道是否泄漏
C.x中阴离子的空间结构为V形
D.d为酸性氧化物
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由图示转化关系可知,a为NH3,b为N2,
c为NO,d为NO2,x为NaNO2,y为NaNO3。
NO生成NO2不属于自然固氮,故A错误;
氨气可与氯气反应出现白烟,可用于检验
氯气管道是否泄漏,故B错误;
x中阴离子为 ,它的价层电子对数为3,有1个孤电子对,它的空间结构为V形,故C正确;
NO2与NaOH溶液发生歧化反应,生成两种盐和水,不是酸性氧化物,故D错误。
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生物硝化法处理废水会使水体呈酸性,可以加入石灰石与H+反应来调节水体的pH,D项正确。
8.(2024·福州模拟)以天然气为原料合成氨是新的生产氮肥的方法,其工艺流程如下。下列说法正确的是
A.反应①使用催化剂可提高反应速率和
甲烷的平衡转化率
B.反应②的原子利用率为100%
C.生成1.0 mol NH4NO3至少需要0.75 mol CH4
D.反应③理论上当n(NH3)∶n(O2)=4∶3时,恰好完全反应
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反应①使用催化剂可以提高反应速率,但不能提高甲烷的平衡转化率,A错误;
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反应③的化学方程式为2NH3+2O2===NH4NO3+H2O,则理论上当n(NH3)∶n(O2)=1∶1时,恰好完全反应,D错误。
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9.某兴趣小组设计用铁粉将NO还原为N2(同时生成FeO)。下列说法不正确的是
已知:①浓硝酸可氧化NO;②NaOH溶液能吸收
NO2,不吸收NO。
A.装置的连接顺序为a→f→e→j→i→h→g(或g→h)
→b→c→d
B.装置E中发生反应的化学方程式为2NO+2Fe
2FeO+N2
C.装置D的作用是吸收挥发出来的硝酸和产生的NO2
D.装置B的作用是干燥,防止水蒸气进入装置E中干扰反应
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根据实验原理“NO被灼热的铁粉还原为N2,同时生成FeO”,所以首先利用铜与稀硝酸反应生成NO,由于硝酸具有挥发性,所以制得的NO中会混有硝酸蒸气和产生的NO2,故先通过装置D除去挥发出的HNO3和产生的NO2,再通过装置F干燥,得到纯净干燥的NO,然后进入装置E中与铁粉反应,最后处理多余的NO,
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由于NaOH溶液不与NO反应,而浓硝酸可氧化NO生成NO2,所以先通过装置B氧化NO,再通过装置C吸收尾气,故上述装置的连接顺序为a→f→e→j→i→h
→g(或g→h)→b→c→d,A正确。
10.某学习小组设计实验探究NO与铜粉的反应并检验NO,实验装置如图所示(夹持装置略)。实验开始前,向装置中通入一段时间的N2,排尽装置内的空气。
已知:在溶液中FeSO4+NO [Fe(NO)]SO4(棕色),该反应可用于检验NO。
下列说法不正确的是
A.装置F、I中的试剂依次为水、硫酸亚铁
溶液
B.若观察到装置H中红色粉末变黑色,则
NO与Cu发生了反应
C.实验结束后,先熄灭酒精灯,再关闭分液漏斗的活塞
D.装置J收集的气体中一定不含NO
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稀硝酸与铜反应生成一氧化氮,一氧
化氮能够被氧气氧化,因此实验前需
要通入氮气,排尽装置中的空气,硝
酸具有挥发性,生成的一氧化氮中混
有少量硝酸蒸气,可以通过水吸收后再干燥,干燥的一氧化氮在装置H中与铜粉发生反应,未反应的NO可以利用硫酸亚铁溶液检验。装置F、I中的试剂依次为水、硫酸亚铁溶液,A项正确;
实验结束后,为了防止倒吸,需要先熄灭酒精灯,再关闭分液漏斗的活塞,C项正确;
由于FeSO4+NO [Fe(NO)]SO4(棕色)为可逆反应,装置J收集的气体中可能含有NO,D项错误。
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11.(2023·郑州模拟)某学习小组设计实验制备Ca(NO2)2,实验装置如图所示(夹持装置已略去)。已知:2NO+CaO2===Ca(NO2)2;2NO2+CaO2===Ca(NO3)2。下列说法不正确的是
A.装置E中酸性K2Cr2O7溶液的作用是吸收多
余的、未反应的氮氧化物
B.装置B、D中的试剂可分别为水和浓硫酸
C.将铜片换成木炭也可以制备纯净的亚硝酸钙
D.借助装置A及氢氧化钠溶液和稀硫酸可以分离CO2和CO
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由于硝酸具有挥发性,所以在A中生成的
NO气体中会含有少量HNO3蒸气,可用装
置B中的水除去,为防止CaO2与水反应,
用装置C中的浓硫酸对NO气体进行干燥,
故B正确;
将铜片换成木炭,由于木炭与稀硝酸不能反应,所以得不到要制备的产物,故C错误;
装置A中盛氢氧化钠溶液,通入CO2和CO的混合气体,CO2被NaOH吸收后生成Na2CO3,在出气管口即可收集到CO,然后将分液漏斗中的稀硫酸滴入A中,与生成的Na2CO3反应再释放出CO2,达到分离的目的,故D正确。
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12.(2023·福建福州一模)合成氨及其衍生工业是化工生产的重要门类,请结合图示判断下列说法不正确的是
A.合成氨采用400~500 ℃是为了提高
原料转化率和反应速率
B.湿润的淀粉-KI试纸不可以鉴别气体
2和溴蒸气
C.生成固体1的化学方程式为NaCl+NH3+CO2+H2O===NaHCO3↓+NH4Cl
D.1 L气体1、2的混合气与1 L NH3在一定条件下转化为对环境无害的物质,混合气
中二者的体积比为1∶1
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合成氨反应为放热反应,温度降
低,平衡正向移动,原料的转化
率升高,所以400~500 ℃不利于
提高原料的转化率,故A错误;
气体2为NO2气体,NO2气体和溴蒸气都能使淀粉-KI试纸变蓝,故B正确;
气体1为NO,气体2为NO2,1 L NO、NO2的混合气与1 L NH3在一定条件下转化为
对环境无害的物质,反应的化学方程式为2NH3+NO+NO2 2N2+3H2O,
NO、NO2的体积比等于化学计量数之比,为1∶1,故D正确。
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13.氮元素形成的化合物种类十分丰富。请根据以下工业制硝酸的原理示意图回答问题:
(1)下列有关NH3的说法不正确的是____(填字母)。
A.工业合成NH3需要在高温、高压、催化剂下进行
B.NH3可用来生产碳铵和尿素等化肥
C.NH3可用浓硫酸或无水氯化钙干燥
D.NH3受热易分解,须置于冷暗处保存
(2)NH3易溶于水,标准状况下,用充满NH3的烧瓶做喷泉实验,水充满整个烧瓶后
所形成溶液的物质的量浓度为_____________ mol·L-1。
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CD
(3)氨气燃烧的化学方程式为__________________________。
(4)HNO3是一种重要的化工原料,工厂
生产出的浓硝酸可用铝槽车或铁槽车来
运输。在常温下能使铝、铁钝化,说明
浓硝酸具有很强的_____性。
(5)“吸收塔” 尾部会有含NO、NO2等氮氧化物的尾气排出,为消除它们对环境的污染,通常用以下两种方法处理:
①纯碱溶液吸收法。纯碱溶液与NO2的反应原理为Na2CO3+2NO2===NaNO3+_______+CO2(完成化学方程式)。
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氧化
NaNO2
②氨转化法。已知7 mol氨恰好能将含NO和NO2共6 mol的混合气体完全转化为N2,则混合气体中NO和NO2的物质的量之比为_____,若用通式NOx表示氮氧化物,则每
摩尔氨可将____ mol的NOx转化为N2。
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7 mol氨失去21 mol电子,根据题意和得失电子守恒可得n(NO)+n(NO2)=6 mol,
2n(NO)+4n(NO2)=21 mol,解得n(NO)=1.5 mol,n(NO2)=4.5 mol,则混合气体中NO和NO2的物质的量之比为1∶3,若用通式NOx表示氮氧化物,反应过程中NOx分子得到2x e-,则每摩尔氨可将 mol的NOx转化为N2。
1∶3
14.(2023·安徽淮南一模)某化学实验小组为了探究氨气的性质设计了如下实验方案。
实验一:探究氨气的溶解性
氨气具有强刺激性气味,会污染空气。实验小组经过
多次尝试,最终将氨气的制备、收集、检验和喷泉实
验组装在一起,设计出如图装置。
(1)写出气体发生装置仪器A中产生氨气的化学方程式:
________________________________。
(2)仪器B的名称为____________,为了保证喷泉实验的良好效果,B中可以放入的试剂是_______。
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CaO+NH3·H2O===Ca(OH)2+NH3↑
球形干燥管
碱石灰
(3)实验时,打开K2,关闭K3,打开K1,将注射器中
的浓氨水注入A中开始制备和收集氨气。已知仪器C
中放入的是滴有酚酞溶液的湿棉花,则仪器C的作用
是_______________________________________。在
不拆除装置的前提下,引发喷泉的操作是_________
___________。
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吸收并检验氨气,防止氨气直接排入空气中
关闭K1和
K2,打开K3
实验二:探究氨气的还原性
已知:Cu2O为红色固体,在酸性溶液中不
稳定:Cu2O+H2SO4===Cu+CuSO4+H2O。
(4)装置G用于制备氨气,仪器的连接顺序
为e→f→___________→i,装置H的作用为
_______________。实验开始前应先通一段
时间的N2,其目的是___________________________。
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abcdgh
安全瓶、防倒吸
排尽装置内的空气(合理即可)
分析实验装置,装置G用于制备氨气,然后E用于干燥氨气,氨气和CuO在F中发生反应,然后接H,起到安全瓶的作用,最后用I进行尾气吸收。
(5)反应结束后装置F中的氧化铜完全反应生成红色固体,为了探究红色固体的成分,进行了如下实验:取15.6 g红色固体于烧杯中,加入足量稀硫酸充分搅拌、静置、过滤、洗涤、干燥、称重,得固体9.6 g,则红色固体的成分及物质的量为____________________________。
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Cu2O 0.075 mol、Cu 0.075 mol
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N2+O22NO
4NH3+5O24NO+6H2O
2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O
4NH3+5O24NO+6H2O
由题意知,A为氨气,B是NO,D是氧气,C是二氧化氮,反应①的化学方程式为4NH3+5O24NO+6H2O。
N2NH3NONO2HNO3
6NO2+8NH37N2
5.科学家从化肥厂生产的(NH4)2SO4中检出化学式为N4H4(SO4)2的物质,该物质的晶体中含有SO和N4H两种离子,当N4H遇到碱性溶液时,会生成N4分子。下列说法正确的是
A.14N、N4与N2互为同位素
B.N4H4(SO4)2的电离方程式为N4H4(SO4)2 N4H+2SO
C.N4H4(SO4)2不能与草木灰、K3PO4等化肥混合施用
D.N4H4(SO4)2中只含共价键,不含离子键
N4H4(SO4)2的晶体中含有SO和N4H,可知该物质为离子化合物,含离子键,完全电离,电离方程式为N4H4(SO4)2===N4H+2SO,故B、D错误;
草木灰、K3PO4等化肥显碱性,根据题给信息N4H遇到碱性溶液时,会生成N4分子判断,混用会使肥效降低,故C正确。
NO
7.工业上常采用生物硝化法将NH转化为NO来处理氨氮废水,工艺流程如图,下列说法错误的是
A.生物硝化法处理废水,会导致水体pH逐渐下
降:NH+2O2===NO+2H++H2O
B.长期过量施用NH4Cl等铵态化肥,易导致土壤酸化,水体富营养化
C.检验NH所需的试剂是浓NaOH溶液、湿润的蓝色石蕊试纸
D.微生物保持活性的pH范围为7~9,可以加入石灰石来调节水体的pH
由天然气经过各步转化,最终生成NH4NO3涉及的化学反应有CH4+2H2O
CO2+4H2,N2+3H2 2NH3,2NH3+2O2===NH4NO3+H2O,则有NH4NO3
~2NH3~3H2~CH4,故生成1.0 mol NH4NO3至少需要0.75 mol CH4,C正确;
反应②的化学方程式为CO2+2NH3
CO(NH2)2+H2O,则该反应的
原子利用率小于100%,B错误;
(或0.045)
4NH3+3O22N2+6H2O
所得固体为Cu,物质的量为=0.15 mol;过程中发生反应为Cu2O+H2SO4===Cu+CuSO4+H2O,每摩尔Cu2O与酸反应前后质量损失为80 g,根据反应前后质量损失为15.6 g-9.6 g=6 g,则参加反应的Cu2O为=0.075 mol,则生成Cu的物质的量为0.075 mol,所以原固体中Cu2O的物质的量为0.075 mol,Cu物质的量为=0.075 mol,故红色固体的成分及物质的量为Cu2O 0.075 mol、Cu 0.075 mol。
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