2025年高考化學(xué)知識點(diǎn)：氮、磷及其化合物
來源：網(wǎng)絡(luò)整理 2024-12-17 15:23:40
磷氮化合物的主要危害就是引起水體的富營養(yǎng)化，下面是小編整理的高考化學(xué)知識點(diǎn)：氮、磷及其化合物，希望考生可以及時(shí)了解詳情。
在周期表中，位于碳族元素和氧族元素之間的第ⅤA族元素也是主族元素，包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)五種元素，我們稱它們?yōu)榈逶亍?br />
隨著核電荷數(shù)和原子核外電子層數(shù)的增加，氮族元素的一些性質(zhì)呈現(xiàn)規(guī)律性變化。例如，在周期表中從上到下，元素的原子半徑逐漸增大，核對外層電子的引力逐漸減弱，在化學(xué)反應(yīng)中得電子的能力逐漸減弱，失電子能力逐漸增強(qiáng)，非金屬性逐漸減弱，金屬性逐漸增強(qiáng)。在氮族元素的單質(zhì)中，氮、磷表現(xiàn)出比較明顯的非金屬性，砷雖然是非金屬，但已有一些金屬性，而鉍、銻已具有比較明顯的金屬性。
氮族元素在它們的化合物中，能顯示出多種化合價(jià)，如-3、+3、+5等
(表1)。從氮族元素的原子結(jié)構(gòu)看，它們的原子最外層都有5個(gè)電子，最高化合價(jià)都是+5。 思考：從氮族元素在周期表中的位置看，氮族元素的非金屬性與鹵族元素、氧族元素相比，強(qiáng)弱如何?
我們知道，土壤里缺乏氮、磷、鉀三種元素，會影響農(nóng)作物的生長，所以，農(nóng)業(yè)上主要施用含氮、磷、鉀元素的化肥。氮和磷是重要的非金屬元素,都位于元素周期表的第ⅤA族，它們在化學(xué)性質(zhì)上有一些相似之處，如單質(zhì)在一定條件下都能與某些非金屬反應(yīng)等。下面我們主要介紹氮和磷單質(zhì)的一些性質(zhì)。
一、氮?dú)?br />
氮是一種重要的元素，它以化合態(tài)存在于多種無機(jī)物和有機(jī)物之中，
成蛋白質(zhì)和核酸不可缺少的物質(zhì)。在空氣中，氮以氮?dú)獾男问酱嬖冢强諝獾?br />
成分。 是構(gòu)主要
純凈的氮?dú)馐且环N無色的氣體，密度比空氣的稍小。氮?dú)庠谒械娜芙舛群苄。ǔ顩r下，1體積水中只能溶解大約0.02體積的氮?dú)狻Ｔ趬簭?qiáng)為101 kPa時(shí)，氮?dú)庠?195.8℃時(shí)變成無色液體，在-209.9℃時(shí)變成雪花狀固體。氮?dú)獾囊恍┪锢硇再|(zhì)見表1。
氮?dú)馐怯傻咏M成的雙原子分子。氮分子中，2個(gè)氮原子共用3對電子,形成3個(gè)共價(jià)鍵：
由于氮分于中的N≡N鍵很牢固，使氮分子的結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定。通常狀況下，氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，很難與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是，在一定條件下，如高溫、高壓、放電等，氮分子獲得足夠的能量，使共價(jià)鍵斷裂，就能與一些物質(zhì)如H2、O2等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
1.氮?dú)馀c氫氣的反應(yīng)
在高溫、高壓和有催化劑存在的條件下，N2與H2可以直接化合，生成氨(NH3)，并放出熱量。同時(shí)，NH3也會分解成N2和H2，所以，這個(gè)反應(yīng)是個(gè)可逆反應(yīng)。
工業(yè)上利用這一反應(yīng)原理合成氨。關(guān)于合成氨工業(yè)，我們將在以后介紹。
2.氮?dú)馀c氧氣的反應(yīng)
我們知道，空氣的主要成分是N2和O2，在通常狀況下，它們不起反應(yīng)。但是，在放電條件下，N2和O2卻可以直接化合，生成無色、不溶于水的一氧化氮(NO)氣體。
反應(yīng)生成的NO在常溫下很容易與空氣中的O2化合，生成紅棕色、有刺激性氣味的二氧化氮(NO2)氣體。
2NO+O2=2NO2
NO2是一種有毒氣體，易溶于水，它與水反應(yīng)生成HNO3和NO。工業(yè)上利用這一反應(yīng)制取硝酸。
3NO2+H2O=2HNO3+NO
以上幾個(gè)反應(yīng)是在自然界中經(jīng)常發(fā)生的重要反應(yīng)。在電閃雷鳴的雨天，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，由于放電，使空氣中的N2和O2反應(yīng)生成了NO，NO又被O2氧化成NO2。NO2在雨水中與水反應(yīng)生成硝酸，隨雨水淋灑到土壤中，并與土壤中的礦物質(zhì)作用生成能被植物吸收的硝酸鹽。這樣就使土壤從空氣中得到氮，促進(jìn)了植物的生長。
值得注意的是，NO和NO2是大氣的污染物。空氣中的NO和NO2污染物主要來自石油和煤燃燒的產(chǎn)物、汽車尾氣、制硝酸工廠的廢氣等。近年來，光化學(xué)煙霧污染問題已引起人們的注意，而空氣中的NO2是造成光化學(xué)煙霧的主要因素。NO2在紫外線照射下，會發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一種有毒的煙霧——光化學(xué)煙霧，刺激呼吸器官，使人生病甚至死亡。目前，隨著汽車數(shù)量的增大，每天排放到大氣中的廢氣(包括NO2)越來越多，汽車污染問題已日益嚴(yán)重。在世界的某些大城市，已經(jīng)出現(xiàn)光化學(xué)煙霧，我國的一些城市也已有了這種潛在的危險(xiǎn)。所以，加強(qiáng)對汽車尾氣的治理已十分迫切。
另外，雷雨天如果產(chǎn)生大量的NO2，也會造成酸雨，酸雨腐蝕金屬、建筑物，破壞森林，污染湖泊。 在工業(yè)上，氮?dú)馐呛铣砂薄⒅葡跛岬闹匾稀Ｔ谕ǔ顩r下由于氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)很不活潑，因此它常被用作保護(hù)氣。例如，焊接金屬時(shí)用氮?dú)獗Ｗo(hù)金屬使其不被氧化;在燈泡中填充氮?dú)庖苑乐规u絲被氧化或揮發(fā);糧食、罐頭、水果等食品，也常用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣，以防止食品腐爛。在醫(yī)學(xué)上，常用液氮作冷凍劑，在冷凍麻醉?xiàng)l件下做手術(shù)等。在高科技領(lǐng)域中常用液氮制造低溫環(huán)境，如有些超導(dǎo)材料就是在經(jīng)液氮處理后的低溫下才獲得超導(dǎo)性能的。
二、磷
在自然界中，沒有游離態(tài)的磷存在，磷主要以磷酸鹽的形式存在于礦石中。磷和氮一樣，是構(gòu)成蛋白質(zhì)的成分之一。動物的骨骼、牙齒和神經(jīng)組織，植物的果實(shí)和幼芽，生物的細(xì)胞里都含有磷，磷對于維持生物體正常的生理機(jī)能起著重要的作用。
磷在化學(xué)性質(zhì)上與氮有相似的地方，如單質(zhì)也能與非金屬反應(yīng)等。與N2相比，單質(zhì)磷的化學(xué)性質(zhì)較活潑，容易與非金屬等其他物質(zhì)反應(yīng)。例如，我們在初中曾介紹過，磷與O2在點(diǎn)燃的條件下就能反應(yīng)生成 P2O5。
多數(shù)生物只能吸收含氮的化合物，氣轉(zhuǎn)變成氮的化合物，轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)氮的方法，能把空氣中的氮?dú)庾兂珊希烹姉l件下氮?dú)馀c氧氣化合以及工業(yè)上合成氨等也屬于氮的固，使大氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)的氮進(jìn)入土壤，植物從土壤中吸收含氮化合物制造蛋白質(zhì)，變?yōu)楹衔铮琍2O5是酸性氧化物，它與熱水反應(yīng)能生成磷酸(H3PO4)。磷酸是一種中等強(qiáng)度的三元酸，具有酸的通性，是化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品，主要用于制磷肥，
P2O5是酸性氧化物，它與熱水反應(yīng)能生成磷酸(H3PO4)。
磷酸是一種中等強(qiáng)度的三元酸，具有酸的通性，是化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品，主要用于制磷肥，也用于食品、紡織等工業(yè)。
此外，磷在點(diǎn)燃條件下還能與Cl2反應(yīng)。由于磷原子吸引電子的能力不如氯強(qiáng)，磷在其氯化物中顯示+3價(jià)和+5價(jià)。例如，磷在不充足的氯氣中燃燒生成三氯化磷(PCl3)。
磷在過量的氯氣中燃燒生成五氯化磷(PCl5)。
磷的單質(zhì)有多種同素異形體，白磷和紅磷是磷的同素異形體中最常見的兩種，它們在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。
【實(shí)驗(yàn)1】在長玻璃管的中部放少量紅磷，玻璃管的一端用軟木塞或濕紙團(tuán)塞緊，另一端敞開。先均勻加熱紅磷周圍的玻璃管，然后在放紅磷的地方加強(qiáng)熱。觀察發(fā)生的現(xiàn)象(如右圖)。
可以看到，加熱后，玻璃管內(nèi)有黃色的蒸氣產(chǎn)生，并且在玻璃管內(nèi)壁冷的地方有黃色固體附著，此固體即為白磷。
由于白磷和紅磷的結(jié)構(gòu)不同，它們在性質(zhì)上存在著差異。例如，白磷和紅磷的著火點(diǎn)不同，白磷的著火點(diǎn)比紅磷低得多，當(dāng)白磷受到輕微的摩擦或被加熱到40℃時(shí)，就會燃燒;即使在常溫下，白磷在空氣中也會緩慢氧化，氧化時(shí)發(fā)出白光，在暗處可以清楚地看見。所以，白磷必須貯存在密閉容器里，少量時(shí)可保存在水里。
白磷和紅磷燃燒，都生成唯一的產(chǎn)物——白色的五氧化二磷。
我們常用的火柴是安全火柴，火柴盒的側(cè)面涂有紅磷(發(fā)火劑)和三
硫化二銻(SB2S3，易燃物)等;火柴頭上的物質(zhì)一般是KClO3、MnO2(氧化劑)和S(易燃物)等。當(dāng)兩者摩擦?xí)r，因摩擦產(chǎn)生的熱使與KClO3接觸的紅磷發(fā)火并引起火柴頭上的易燃物燃燒，從而使火柴桿著火。安全火柴的優(yōu)點(diǎn)是紅磷和氧化劑分別附在火柴盒側(cè)面和火柴桿上，而且也沒有毒性。
白磷和紅磷都有許多用途，如白磷可用于制造純度較高的磷酸，還可制造燃燒彈和煙幕彈等;紅磷可用于制農(nóng)藥，還可用于制造安全火柴等。
關(guān)于砷的發(fā)現(xiàn)，西方化學(xué)史家們都認(rèn)為是1250年德國的馬格耐斯(Albertus Magnus)用雄黃與肥皂共熱首先制得了砷。近年來我國學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，我國古代煉丹家才是砷的最早發(fā)現(xiàn)者。據(jù)史書記載，約在317年，我國的煉丹家葛洪用雄黃、松脂、硝石三種物質(zhì)煉制得到砷。
氮是蛋白質(zhì)的重要組成成分，動、植物生長都需要吸收含氮的養(yǎng)料。空氣中雖然含有大量的氮?dú)猓荒鼙欢鄶?shù)生物直接吸收，多數(shù)生物只能吸收含氮的化合物。因此，需要把空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)變成氮的化合物，才能作為動植物的養(yǎng)料。這種將游離態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)氮的方法，叫做氮的固定。在自然界，大豆、蠶豆等豆科植物的根部都有根瘤菌，能把空氣中的氮?dú)庾兂珊衔铮裕N植這些植物時(shí)不需施用或只需施用少量氮肥。另外，放電條件下氮?dú)馀c氧氣化合以及工業(yè)上合成氨等也屬于氮的固定。
在自然界，通過氮的固定，使大氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)的氮進(jìn)入土壤，植物從土壤中吸收含氮化合物制造蛋白質(zhì)，動物則靠食用植物以得到蛋白質(zhì);動物的尸體殘骸和排泄物以及植物的腐敗物等再在土壤中被細(xì)菌分解，變?yōu)楹衔铮糠直恢参镂?而土壤中的硝酸鹽也會被細(xì)菌分解而轉(zhuǎn)化成氮?dú)猓獨(dú)饪稍倩氐酱髿庵小＿@一過程保證了氮在自然界的循環(huán)
一、氨
氮?dú)馀c氫氣在一定條件下反應(yīng)生成氨。在自然界中，氨是動物體，特別是蛋白質(zhì)腐敗后的產(chǎn)物。
1.氨的物理性質(zhì)
氨是沒有顏色、有刺激性氣味的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，密度是0.771g/L，比空氣的小。與水分子一樣，氨分子之間也可以形成氫鍵。由于氫鍵的形成，氨分子之間的引力增強(qiáng)，使氨很容易液化。在常壓下冷卻至-33.5℃或在常溫下加壓至700kPa～800kPa，氣態(tài)氨就液化成無色液體，同時(shí)放出大量熱。液態(tài)氨汽化時(shí)要吸收大量的熱，使周圍物質(zhì)的溫度急劇下降，所以氨常用作致冷劑。氨對人的眼、鼻、喉等粘膜有刺激作用，接觸時(shí)應(yīng)小心。如果不慎接觸過多的氨而出現(xiàn)病狀，要及時(shí)吸入新鮮空氣和水蒸氣，并用大量水沖洗眼睛。
2.氨的化學(xué)性質(zhì)
氨的化學(xué)式為NH3，在分子中，N與H以3個(gè)極性共價(jià)鍵相結(jié)合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，氨分子的結(jié)構(gòu)呈三角錐形，氮原子位于錐頂，3個(gè)氫原子位于錐底，N—H鍵之間的夾角為107°18′。所以，氨分子是極性分子。
(1)氨與水的反應(yīng)
【實(shí)驗(yàn)2】 在干燥的圓底燒瓶里充滿氨氣，用帶有玻璃管和滴管(滴管里預(yù)先
吸入水)的塞子塞緊瓶口。立即倒置燒瓶，使玻璃管插入盛有水的燒杯里(水里事先加入少量酚酞試液)，按右圖安裝好裝置，打開橡皮管上的夾子，擠壓滴管的膠頭，使少量水進(jìn)入燒瓶。觀察現(xiàn)象。可以看到，燒杯里的水由玻璃管進(jìn)入燒瓶，形成噴泉，燒瓶內(nèi)液體呈紅色。
思考：為什么燒瓶內(nèi)會形成噴泉?
從上面的實(shí)驗(yàn)可以看出，氨極易溶于水中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，在常溫、常壓下，1體積水中約能溶解700體積氨。
氨的水溶液叫做氨水。氨溶于水時(shí)，大部分NH3與H2O通過氫鍵結(jié)合，形這種白煙是氨水揮發(fā)出的NH3與鹽酸揮發(fā)出的HCl化合生成的微小的NH4Cl晶體，像NH4Cl這樣由銨離子(NH4+)和酸根離子構(gòu)成的化合物叫做銨鹽，顯弱堿性。氨溶于水的過程中存在著下列可逆反應(yīng)：NH3·H2O不穩(wěn)定，受熱時(shí)分解為NH3和H2O。氨水對許多金屬有腐蝕作用，所以不能用金屬容器盛裝，一般情況下，氨水是盛裝在橡皮袋、陶瓷壇或內(nèi)涂瀝青的鐵桶里的。(2)氨與氯化氫的反應(yīng)在我們學(xué)過的常見氣體顯弱堿性。氨溶于水的過程中存在著下列可逆反應(yīng)：
NH3·H2O不穩(wěn)定，受熱時(shí)分解為NH3和H2O。
氨水對許多金屬有腐蝕作用，所以不能用金屬容器盛裝，一般情況下，氨水是盛裝在橡皮袋、陶瓷壇或內(nèi)涂瀝青的鐵桶里的。 (2)氨與氯化氫的反應(yīng)
在我們學(xué)過的常見氣體中，氨是能與酸反應(yīng)生成鹽的氣體。 【實(shí)驗(yàn)3】 用兩根玻璃棒分別在濃氨水和濃鹽酸里蘸一下，然后將這兩根玻璃棒接近(不要接觸)，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。
可以看到，當(dāng)兩根玻璃棒接近時(shí)，產(chǎn)生大量的白煙。這種白煙是氨水揮發(fā)出的NH3與鹽酸揮發(fā)出的HCl化合生成的微小的NH4Cl晶體。
(3)氨與氧氣的反應(yīng)
通常狀況下，氨在氧氣中不反應(yīng)，但在催化劑(如鉑、氧化鐵等)存在的條件下，能與氧氣反應(yīng)生成NO和H2O，并放出熱量。這一反應(yīng)叫做氨的催化氧化(或叫接觸氧化)，是工業(yè)上制硝酸的基礎(chǔ)。
3.氨的實(shí)驗(yàn)室制法
在實(shí)驗(yàn)室，常用加熱銨鹽和堿的混合物的方法來制取氨。例如，把固體NH4Cl和Ca(OH)2混合后加熱，就可得到氨。
【實(shí)驗(yàn)4】 在管中放入固體NH4Cl和Ca(OH)2的混合物，加熱。用干燥的試管收集氨(見圖)。把濕潤的紅色石蕊試紙放在試管口，觀察試紙顏色的變化。
可以看到，加熱一會兒后，紅色石蕊試紙變成藍(lán)色。這是因?yàn)镹H3遇到濕潤的紅色石蕊試紙時(shí)，與H2O結(jié)合成了NH3·H2O，NH3·H2O顯堿性，使紅色石蕊試紙變成了藍(lán)色。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)紅色石蕊試紙變藍(lán)時(shí)，說明氨已充滿試管，應(yīng)立即停止加熱，并將多余的氨吸收掉(可在導(dǎo)管口放一團(tuán)用水或鹽酸浸濕的棉花球)，避免污染空氣。
若要制取干燥的氨，可使產(chǎn)生的氨通過干燥劑。在實(shí)驗(yàn)室，通常是將制得的氨通過堿石灰，以除去其中的水蒸氣。
討論1 能否用濃硫酸作干燥劑除去氨中的水蒸氣?為什么?
由于氨水受熱分解可產(chǎn)生氨氣，在實(shí)驗(yàn)室有時(shí)也用加熱濃氨水的方法得到氨氣。 4.氨的用途
氨是一種重要的化工產(chǎn)品。它是氮肥工業(yè)及制造硝酸、銨鹽、純堿等的重要原料。在有機(jī)合成工業(yè)(如制合成纖維、塑料、染料、尿素等)中，氨也是一種常用的原料。氨還可用作制冰機(jī)中的致冷劑。 二、銨鹽
氨與鹽酸反應(yīng)的產(chǎn)物是NH4Cl，像NH4Cl這樣由銨離子(NH4+)和酸根離子構(gòu)成的化合物叫做銨鹽。銨鹽都是晶體，并且都能溶于水。 銨鹽主要有以下化學(xué)性質(zhì)： 1.銨鹽受熱分解
【實(shí)驗(yàn)5】在試管中加入少量NH4Cl晶體，加熱,觀察發(fā)生的現(xiàn)象。 有些銨鹽受熱可分解產(chǎn)生NH3。從實(shí)驗(yàn)可以看到,加熱后不久，在試管上端的試管壁上有白色固體附著。這是由于受熱時(shí)，NH4Cl會分解，生成NH3和HCl，冷卻時(shí)，NH3和HCl重新結(jié)合，生成NH4Cl。
NH4HCO3受熱時(shí)也會分解，生成NH3、H2O和CO2。
由上面的反應(yīng)可以看出，NH4Cl和NH4HCO3受熱分解，都能產(chǎn)生NH3，但是，并不是所有的銨鹽受熱分解都產(chǎn)生NH3，在這里我們就不做介紹了。
銨鹽可用作氮肥，由于銨鹽受熱易分解，貯存氮肥時(shí)，應(yīng)密封包裝并放在陰涼通風(fēng)處;施肥時(shí)應(yīng)埋在土下并及時(shí)灌水，以保證肥效。
2.銨鹽與堿的反應(yīng)
我們在前面曾介紹過，用NH4Cl與Ca(OH)2共熱可制取氨氣。同樣，其他銨鹽是否也能與堿反應(yīng)生成氨氣呢?
【實(shí)驗(yàn)6】 在兩個(gè)試管中各加入少量(NH4)2SO4固體和NH4NO3固體，分別向兩個(gè)試管中滴加10%的NaOH溶液，加熱，并用濕潤的紅色石蕊試紙靠近試管口。觀察發(fā)生的現(xiàn)象。
可以看到，加熱后，兩個(gè)試管中都有氣體產(chǎn)生，并可聞到刺激性氣味。同時(shí)還看到，濕潤的紅色石蕊試紙變藍(lán)。可見，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了氨氣，這說明(NH4)2SO4、NH4NO3都能與堿反應(yīng)生成NH3。以上反應(yīng)的化學(xué)方程式為：
事實(shí)證明，銨鹽與堿共熱都能產(chǎn)生NH3，這是銨鹽的共同性質(zhì)。
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