Question

實驗室可以通過以下三條途徑按不同要求制取氮氣：
①加熱NaNO₂（一種致癌物質，有毒）與NH₄Cl的混合物濃溶液制取N₂；
②將空氣通過灼熱的活性銅粉制得較純凈的N₂；
③加熱條件下用NH₃還原CuO得純凈的N₂和活性銅粉．
如圖所示，給出了按上述途徑制取N₂可供選擇的幾種實驗裝置：

請回答下列問題：
（1）按途徑①制取N₂時，應選用上述裝置中的

F

（填裝置代碼）做發生裝置．
（2）若只需較純凈的N₂，有同學建議把②和③兩條途徑協同使用，這樣做的好處是

銅和氧化銅可循環使用，節省試劑（或避免使用有毒物質而造成污染）

．
（3）按途徑③制取N₂時，若氣流從左到右的順序所需的上述裝置是：A→C→B→D．在A裝置中所需要的試劑是

濃氨水

和

生石灰

．（寫試劑名稱）
①甲同學：為通過實驗現象驗證C處有水產生，必須在C裝置前后都連接E裝置，其中填充的固體藥品按前后順序分別為

堿石灰（或無水氯化鈣）

、

無水硫酸銅

．（寫試劑名稱）
②乙同學：實驗過程中，發現黑色固體完全變紅，質疑此時紅色固體可能含Cu₂O．通過查閱資料知：Cu₂O+2H⁺=Cu²⁺+Cu+H₂O．依據信息，請設計實驗證明C處的紅色固體中是否含有Cu₂O：

取樣加入稀硫酸后溶液呈藍色，即證明含Cu₂O

③丙同學：實驗時充分加熱，至C裝置硬質玻管質量不再減輕為止．實驗完畢后，若實驗測得收集的N₂體積為aL（已折算為標準狀況），硬質玻管質量減輕了bg．則氨分子中氮、氫的原子個數比為（用含a、b的字母的代數式表示）

16a

22.4b

（此空記3分）．
（4）目前工業上用氮氣和氫氣直接合成氨，氨經一系列反應可制得硝酸．在以上各步反應中，按要求完成化學反應方程式：
①氮元素只發生還原反應

N₂+3H₂

高溫高壓

催化劑

2NH₃

、
②氮元素既發生氧化反應又發生還原反應：

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO

．

Answer 1

分析：（1）根據反應物狀態和反應條件選擇發生裝置；
（2）根據綠色化學的定義結合反應的原理分析優點；
（3）濃氨水逐滴加到生石灰中可以放出氨氣；
①根據2NH₃+3CuO

△   .

N₂+3Cu+3H₂O的反應物和生成物性質解答；
②根據Cu₂O+H₂SO₄（稀）=Cu+CuSO₄+H₂O進行解答；
③根據2NH₃+3CuO

△   .

N₂+3Cu+3H₂O，體積為aLN₂中的氮原子來自于氨氣中的氮，硬質玻管質量減輕了bg，為氧化銅中氧元素的質量，據此解答；
（4）根據N₂+3H₂

高溫高壓

催化劑

2NH₃，4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O，2NO+O₂

△   .

2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO解答；

解答：解：（1）根據信息反應物是亞硝酸鈉（NaNO₂）和氯化銨的混合物濃溶液，NaNO₂+NH₄Cl

△   .

NaCl+N₂↑+2H₂O，需圓底燒瓶作反應容器，需加熱，E裝置適合，
故答案為：E；
（2）從題中信息可知，NH₃和CuO生成Cu和N₂  而空氣和Cu生成CuO，故Cu和CuO可以循環使用，方法一使用有毒的亞硝酸鈉，方法二和三避免使用有毒物質而造成污染，因此聯合使用方法二和方法三的優點有：銅和氧化銅可循環使用，節省試劑（或避免使用有毒物質而造成污染），
故答案為：銅和氧化銅可循環使用，節省試劑（或避免使用有毒物質而造成污染）；
（3）加熱條件下用NH₃還原CuO得純凈的N₂和活性銅粉，制取N₂時，若氣流從左到右的順序所需的上述裝置是：A為制取氨氣的裝置，該裝置的特點是固體和液體反應不用加熱制取氣體，濃氨水逐滴加到生石灰中可以放出氨氣，在A裝置中所需要的試劑是濃氨水和生石灰，故答案為：濃氨水；生石灰；
①2NH₃+3CuO

△   .

N₂+3Cu+3H₂O，為通過實驗現象驗證C處有水產生，先須干燥氨氣，干燥氨氣用堿石灰，驗證產物水用無水硫酸銅，
故答案為：堿石灰（或無水氯化鈣）；無水硫酸銅；
②Cu₂O+H₂SO₄（稀）=Cu+CuSO₄+H₂O紅色固體與酸反應，如果溶液變藍說明有氧化亞銅存在，
故答案為：取樣加入稀硫酸后溶液呈藍色，即證明含Cu₂O；
③體積為aLN₂中的氮原子來自于氨氣中的氮，氮原子的物質的量為

aL

22.4L/mol

×2，硬質玻管質量減輕了bg，為氧化銅中氧元素的物質的量

bg

16g/mol

，水中氫原子個數是氧原子個數的兩倍，因此氫原子個數為

bg

16g/mol

×2，因此氨分子中氮、氫的原子個數比為

16a

22.4b

，
故答案為：

16a

22.4b

；
（4）工業上用氫氣和氮氣合成氨氣N₂+3H₂

高溫高壓

催化劑

2NH₃，氮元素從氮氣中的零價變為產物中NH₃的-3價被還原，氨氣催化氧化生成一氧化氮和水4NH₃+5O₂

催化劑 .

△

4NO+6H₂O該反應中氮元素從NH₃的-3價被氧化成NO中+2價的氮，2NO+O₂

△   .

2NO₂，該反應中NO中+2價的氮被氧化成+4價氮的NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，該反應中氮元素從+4變為+5價和+2價既被氧化又被還原，
故答案為：N₂+3H₂

高溫高壓

催化劑

2NH₃；3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO．

點評：本題是一道關于三條途徑按不同要求制取氮氣的綜合性實驗題，從題干信息中找突破口，根據信息將學過的知識進行遷移是解答本題的關鍵，題目難度中等．