含氮化合物常见计算类型分析

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  氮族元素是元素化合物知识构成的重要内容,也是高考考查的热点,其有关计算一直为命题者所“亲睐”.下面就含氮化合物的常见计算类型归类分析如下,供参考.
  一、氮的氧化物的有关计算
  此类问题主要有以下几种设题形式:一是NOx与水或NOx和O2的混合气体与水反应计算;二是NOx和CO2的混合气体与Na2O2反应计算;三是NOx与NaOH溶液反应的有关计算;四是NOx的氧化还原反应计算等.
  解法指要 处理这类问题时,一是运用关系式法(或原子守恒法)简化计算或判断,若NOx和O2中的N、O原子个数比满足2∶5,则可完全反应;二是运用电子得失守恒法计算.
  例1 (2009年上海化学)烟气中NOx是NO和NO2的混合物(不含N2O4).
  (1)根据废气排放标准,1 m3烟气最高允许含400 mg NOx.若NOx中NO质量分数为0.85,则1 m3烟气中最高允许含NO
  L(标准状况,保留2位小数).
  (2)工业上通常用溶质质量分数为0.150的Na2CO3水溶液(密度1.16 g·mL-1)作为NOx吸收剂,该碳酸钠溶液物质的量浓度为mol·L-1(保留2位小数).
  (3)已知:NO+NO2+Na2CO32NaNO2+CO2 ①
  2NO2+Na2CO3NaNO2+NaNO3+CO2 ②
  1 m3含2 000 mg NOx的烟气用质量分数为0.150的碳酸钠溶液吸收.若吸收率为80%,吸收后的烟气排放标准(填“符合”或“不符合”),理由:.
  (4)加入硝酸可改变烟气中NO和NO2的比,反应为:NO+2HNO33NO2+H2O.当烟气中n(NO)∶n(NO2)=2∶3时,吸收率最高.1 m3烟气含2 000 mg NOx,其中n(NO)∶n(NO2)=9∶1.计算:(ⅰ)为了达到最高吸收率,1 m3烟气需用硝酸的物质的量(保留3位小数).(ⅱ)1 m3烟气达到最高吸收率90%时,吸收后生成NaNO2的质量(假设上述吸收反应中,反应①比反应②迅速.计算结果保留1位小数).
  分析 (1)由题意知1 m3中含NO的质量为400 mg×0.85=0.34 g,则V(NO)=n(NO)·Vm=
  m(NO)M(NO)·Vm=0.34 g30 g·mol-1×22.4 L·mol-1=0.25 L.
  (2)假设Na2CO3溶液体积为1 L,则溶液质量为1160 g,溶质Na2CO3的质量为174 g,故该溶液的物质的量浓度为:
  c=nV=mMV=174 g106 g·mol-11 L=
  1.64 mol·L-1.
  (3)1 m3烟气中含有2000 mg NOx,吸收率为80%,则剩余NOx的质量为400 mg,同时烟气中的CO2等气体被Na2CO3吸收了,导致气体体积小于1 m3,即吸收后烟气总体积减小,NOx含量仍超过400 mg·m-3,不符合排放标准.
  (4)(ⅰ)30 g·mol-1·n(NO)+19×46 g·mol-1·n(NO)=2000 mg1000 mg·g-1,n(NO)=0.057 mol.又由方程式:
  NO+2HNO33NO2+H2O
  x 2x 3x
  压强/Pa2×105Pa5×105Pa1×106Pa
  D的浓度/mol·L-10.0850.200.44
  根据表中数据,回答下列问题:
  (1)压强从2×105Pa增大到5×105Pa时,平衡向反应方向移动(填“正”或“逆”).
  (2)压强从5×105Pa增加到1×106Pa,平衡向反应方向移动(填“正”或“逆”).E可能变成了(填物质状态名称).
  3.一定条件下,反应2NO2(g)N2O4(g),ΔH<0,达到平衡后,要使混合气体颜色变深,可采取的措施是 ( ).
  A. 增大体积 B. 降低温度
  C. 增大压强 D. 移走一部分N2O4气体
  参考答案:
  1.(1) 逆反应 (2)减小 (3)减小 (4)<
  2.(1)逆 (2)正,液态或固态 3.C
  (收稿日期:2015-08-12)
  根据题意可列式为:19×0.057 mol+3x0.057 mol-x=32,解得:x=0.017 6 mol,则n(HNO3)=2x=0.0352 mol.
  (ⅱ)n(NaNO2)=2n(NO)+1/2×[n(NO2)-n(NO)]=0.0887 mol,则m(NaNO2)=0.0887 mol×69 g·mol-1×90%=5.5 g.
  二、氮的氢化物的有关计算
  高考主要涉及到两种氢化物,一是NH3的有关计算,如氨溶于水或氨水混合(稀释)计算、氨的氧化还原反应计算、图像分析等;二是N2H4的有关计算,如组成推断、热化学方程式中ΔH计算、混合物计算等.
  解法指要 解答NH3的有关计算时要注意两点,一是氨水中的溶质以氨分子计;二是氨水的质量分数或物质的量浓度越大,其密度越小.其它问题则按公式、反应方程式进行计算.
  例2 (2011年上海化学卷)氨和联氨(N2H4)是氮的两种常见化合物,在科学技术和生产中有重要的应用.根据题意完成下列计算:
  (1)联氨用亚硝酸氧化生成氮的另一种氢化物,该氢化物的相对分子质量为43.0,其中氮原子的质量分数为0.977,计算确定该氢化物的分子式.
  该氢化物受撞击则完全分解为氮气和氢气.4.30 g该氢化物受撞击后产生的气体在标准状况下的体积为 L.   (2)联氨和四氧化二氮可用作火箭推进剂,联氨是燃料,四氧化二氮作氧化剂,反应产物是氮气和水.由联氨和四氧化二氮组成的火箭推进剂完全反应生成72.0 kg水,计算推进剂中联氨的质量.
  (3)氨的水溶液可用于吸收NO与NO2混合气体,反应方程式为:6NO+4NH35N2+6H2O、6NO2+8NH37N2+12H2O.NO与NO2混合气体180 mol被8.90×103 g氨水(质量分数为0.300)完全吸收,产生156 mol氮气.吸收后氨水密度为
  0.980 g/cm3.计算:①该混合气体中NO与NO2的体积比.②吸收后氨水的物质的量浓度(答案保留1位小数).
  (4)氨和二氧化碳反应可生成尿素CO(NH2)2.尿素在一定条件下会失去氨而缩合,如两分子尿素失去一分子氨形成二聚物:
  COH2NNH2+
  COH2NNH2
  COH2NNHCONH2+NH3
  已知常压下120 mol CO(NH2)2在熔融状态发生缩合反应,失去80 mol NH3,生成二聚物(C2H5N3O2)和三聚物.测得缩合产物中二聚物的物质的量分数为0.60,推算缩合产物中各缩合物的物质的量之比.
  分析 (1)该氢化物中氢原子与氮原子个数比为(1-0.977)/1∶0.977/14=1∶3,则其最简式为HN3;再结合相对分子质量为43.0可知其分子式为HN3.
  2HN3撞击H2+3N2,1 mol氢化物受撞击后产生的气体为2 mol,则其体积为4.48 L.
  (2)根据反应式2N2H4+2NO23N2+4H2O,当生成72.0 kg水时,需要联氨
  2×32×72.0 kg/(4×18)=64 kg.
  (3)设NO与NO2的物质的量分别为x、y,则x+y=180、5x/6+7y/6=156,解得:x=162 mol、y=18 mol,即混合气体中NO与NO2的体积比为
  162∶18=9∶1.
  两反应消耗氨气的物质的量为108 mol+24 mol=132 mol,剩余氨气的物质的量为157 mol-132 mol=25 mol;气体被吸收后,氨水的质量为8900 g-132 mol×17 g/mol+198 mol×18 g/mol =10220 g,则反应后氨水的质量分数为(25 mol×17 g·mol-1/10220 g)×100%=4.16%,那么,吸收后氨水的物质的量浓度c=1000ρω/M=1000×0.980×4.16%/17=2.4 mol/L.
  (4)三聚产物有两种分子式,一种为环状物
  A(C3O3N3H3),结构简式为HNCONHCONHCO,另一种为链状物B(C3O3N4H6).设缩合物中含二聚物a mol,三聚物A为b mol,三聚物B为c mol,则:2a+3b+3c=120、a+3b+2c=80、a/(a+b+c)=0.60,解得:a=30、b=10、c=10.故三种聚合物的物质的量之比为3∶1∶1.
  三、金属与硝酸反应计算
  一般有两类问题,一是金属(分单质与合金)与硝酸反应计算,要注意变价金属在产物中的化合价、硝酸浓稀的差异性;二是金属与混酸(如硝酸与硫酸的混合物)反应计算,二者的差异是后者溶液中NO-3可能完全反应.
  解法指要 分析这类问题时,一要把握三个守恒,即氮原子守恒、电子得失守恒、电荷守恒;二要了解一个关系,即反应中起酸性作用的HNO3的物质的量等于生成的硝酸盐中NO-3的物质的量;三要熟悉一个技巧,可利用离子方程式快速找出各种量的相互关系.
  例3 (2013年四川理综卷)1.52 g铜镁合金完全溶解于50 mL密度为1.40 g/mL、质量分数为63%的浓硝酸中,得到NO2和N2O4的混合气体1120 mL(标准状况),向反应后的溶液中加入1.0 mol/L NaOH溶液,当金属离子全部沉淀时,得到2.54 g沉淀,下列说法不正确的是( ).
  A.该合金中铜与镁的物质的量之比是2∶1
  B.该浓硝酸中HNO3的物质的量浓度是14.0 mol/L
  C.NO2和N2O4的混合气体中,NO2 的体积分数是80%
  D.得到2.54 g沉淀时,加入NaOH溶液的体积是600 mL
  分析 A项,设Cu、Mg的物质的量分别为X mol、Y mol,则存在以下等式:64X+24Y=1.52、X×98+Y×58=2.54,解得:X=0.02、Y=0.01.B项,c(HNO3)=1000ρω/M=1000×1.40×0.63/63=14.0 mol/L.C项,n(HNO3)=14.0×0.05=0.7 mol=n(NO2)+2n(N2O4),又n(NO2+N2O4)=1.12L/22.4L·mol-1,解得:n(NO2)=0.04 mol、n(N2O4)=0.01 mol,可知C正确.D项,与硝酸反应的NaOH的物质的量n(NaOH)1=0.7 mol-0.04 mol-0.02 mol=0.64 mol,与金属离子反应的NaOH的物质的量n(NaOH)2=0.06 mol,故NaOH总的物质的量n总=0.64 mol +0.06 mol=0.7 mol,故需要NaOH溶液的体积为700 mL.答案为D.
  四、铵盐的有关计算
  常见的问题有下列几类:一类是混合物计算,考查NH+4与碱的反应、铵盐的分解反应等;二类是铵盐溶液的配制;三类是结合图像、实验等分析物质的组成,如推算铵盐的化学式等.
  解法指要 对于混合物计算,一要理清并正确书写反应方程式,二要合理选择解题方法,如方程组法、关系式法等;对于铵盐溶液的配制问题,则可选用守恒法;对于图像、实验类问题,则可根据数据特征或实验现象先推出组成微粒,再通过计算确定化学式.   例4 (2013年江苏化学卷)硫酸镍铵[(NH4)xNiy(SO4)m·nH2O]可用于电镀、印刷等领域.某同学为测定硫酸镍铵的组成,进行如下实验:
  ①准确称取2.3350 g样品,配制成100.00 mL溶液A;
  ②准确量取25.00 mL 溶液A,用0.04000 mol·L-1的EDTA(Na2H2Y)标准溶液滴定其中的Ni2+(离子方程式为Ni2++H2Y2-NiY2-+2H+),消耗EDTA标准溶液31.25 mL;
  ③另取25.00 mL溶液A,加足量的NaOH溶液并充分加热,生成NH3 56.00 mL(标准状况).
  (1)若滴定管在使用前未用EDTA标准溶液润洗,测得的Ni2+含量将 (填“偏高”、或“偏低”或“不变”).
  (2)氨气常用 检验,现象是 .
  (3)通过计算确定硫酸镍铵的化学式(写出计算过程).
  分析 本题属于物质组成分析与化学综合计算题.利用电荷守恒计算n(SO2-4),利用质量守恒计算n(H2O).
  (1)滴定管在使用前未用EDTA标准溶液润洗,会使EDTA标准溶液的浓度降低,则滴定过程中消耗EDTA标准溶液量增大,故测得的Ni2+含量将偏高.
  (2)氨气是碱性气体,通常用湿润的红色石蕊试纸检验,实验现象是试纸颜色由红变蓝.
  (3)n(Ni2+)=0.04000mol·L-1×31.25 mL×10-3L·mL-1=1.250×10-3mol,n(NH+4)=56. 00 mL×10-3 L·mL-122. 4 L·mol-1=2.500×10-3mol,n(SO2-4)=2n(Ni2+)+n(NH+4)2=2×1. 25×10-3 mol+2. 500×10-3 mol2=2.500×10
  -3mol,m(Ni2+)=59 g·mol-1×1.250×10-3mol=0.07375 g,m(NH+4)=18 g·mol-1×2.500×10-3mol=0.04500 g,m(SO2-4)=96 g·mol-1×2.500×10-3mol=0.2400 g,n(H2O)=2.3350 g×25.00 mL100.00 mL-0.07375 g-0.04500 g-0.2400 g18 g·mol-1=
  1.250×10-2mol.
  那么,x︰y︰m︰n=n(NH+4)︰n(Ni2+)︰n(SO2-4)︰n(H2O)=2︰1︰2︰10,则硫酸镍铵的化学式为(NH4)2Ni(SO4)2·10H2O.
  通过上述分析,可以了解到高考对含氮化合物计算的常考类型,可以更有针对性的复习,以提高学习效率.
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