Question

19．聯(lián)氨（又稱肼，N₂H₄，無色液體）是一種應用廣泛的化工原料，可用作火箭燃料．請回答下列問題：
（1）聯(lián)氨分子中氮的化合價為-2價．
（2）實驗室中可用次氯酸鈉溶液與氨反應制備聯(lián)氨，反應的化學方程式為：2NH₃+NaClO═N₂H₄+NaCl+H₂O．
（3）①2O₂（g）+N₂（g）═N₂O₄（l）△H₁
②N₂（g）+2H₂（g）═N₂O₄（l）△H₂
③O₂（g）+2H₂（g）═2H₂O（g）△H₃
④2N₂H₄（l）+N₂O₄（l）═3N₂（g）+4H₂O（g）△H₄=-1048.9kJ/mol
上述反應熱效應之間的關系式為△H₄=2△H₃-2△H₂-△H₁，聯(lián)氨和N₂O₄可作為火箭推進劑的主要原因為反應放熱量大，產生大量氣體．
（4）聯(lián)氨為二元弱堿，在水中的電離方式與氨相似．聯(lián)氨第一步電離反應的平衡常數(shù)值為8.7×10^-7（已知：N₂H₄+H⁺?N₂H₅⁺的K=8.7×10⁷，K_w=1.0×10^-14）．聯(lián)氨與硫酸形成酸式鹽的化學式為N₂H₆（HSO₄）₂．
（5）聯(lián)氨是一種常用的還原劑．向裝有少量AgBr的試管中加入聯(lián)氨溶液，觀察到的現(xiàn)象是固體逐漸變黑，并有氣泡產生．聯(lián)氨可用于處理高壓鍋爐水中的氧，防止鍋爐被腐蝕．理論上1kg的聯(lián)氨可處理2×10⁵L水（假設水中溶解O₂量為5mg•L^-1）；與使用Na₂SO₃處理水中溶解的O₂相比，聯(lián)氨的優(yōu)點是N₂H₄的用量少，不產生其他雜質（反應產物為N₂和H₂O），而Na₂SO₃產生Na₂SO₄．

Answer 1

分析 （1）氮元素非金屬性強于氫，氫顯+1價，依據化合價代數(shù)和為0判斷氮元素的化合價；
（2）氨氣被次氯酸鈉溶液氧化生成肼，次氯酸鈉被還原生成氯化鈉；
（3））①2O₂（g）+N₂（g）═N₂O₄（l）△H₁
②N₂（g）+2H₂（g）═N₂H₄（l）△H₂
③O₂（g）+2H₂（g）═2H₂O（g）△H₃
③×2-②×2-①得到④2N₂H₄（l）+N₂O₄（l）═3N₂（g）+4H₂O（g），依據蓋斯定律計算反應熱；
（4）聯(lián)氨為二元弱堿，在水中的電離方式與氨相似．聯(lián)氨第一步電離方程式為N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-，平衡常數(shù)K_b=$\frac{c（{N}_{2}{H}^{5}{\;}^{+}）c（OH{\;}^{-}）}{c（{N}_{2}{H}_{4}）}$=$\frac{c（{N}_{2}{H}^{5}{\;}^{+}）c（OH{\;}^{-}）}{c（{N}_{2}{H}_{4}）}$×$\frac{c（H{\;}^{+}）}{c（H{\;}^{+}）}$=K×K_w，由于是二元堿，因此聯(lián)氨與硫酸形成的酸式鹽為N₂H₆（HSO₄）₂；
（5）聯(lián)胺被銀離子氧化，銀離子被還原生成單質銀，聯(lián)胺被氧化失電子N₂H₄～N₂-4e^-，O₂～4e^-，依據守恒計算判斷，依據鍋爐的質地以及反應產物性質解答．

解答 解：（1）肼的分子式為N₂H₄，是氮原子和氫原子形成四個共價鍵，氮原子和氮原子之間形成一個共價鍵形成的共價化合物，氮元素非金屬性強于氫，所以氫顯+1價，依據化合價代數(shù)和為0可知，氮元素化合價為-2價；
故答案為：-2；
（2）氨氣被次氯酸鈉溶液氧化生成肼，次氯酸鈉被還原生成氯化鈉，結合原子守恒配平書寫反應的化學方程式為：2NH₃+NaClO═N₂H₄+NaCl+H₂O，
故答案為：2NH₃+NaClO═N₂H₄+NaCl+H₂O；
（3）①2O₂（g）+N₂（g）═N₂O₄（l）△H₁
②N₂（g）+2H₂（g）═N₂H₄（l）△H₂
③O₂（g）+2H₂（g）═2H₂O（g）△H₃
依據熱化學方程式和蓋斯定律計算③×2-②×2-①得到④2N₂H₄（l）+N₂O₄（l）═3N₂（g）+4H₂O（g）△H₄=2△H₃-2△H₂-△H₁；根據反應④可知，聯(lián)氨和N₂O₄反應放出大量熱且產生大量氣體，因此可作為火箭推進劑，
故答案為：2△H₃-2△H₂-△H₁；反應放熱量大，產生大量氣體；
（4）聯(lián)氨為二元弱堿，在水中的電離方式與氨相似．聯(lián)氨第一步電離方程式為N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-，平衡常數(shù)K_b=$\frac{c（{N}_{2}{H}^{5}{\;}^{+}）c（OH{\;}^{-}）}{c（{N}_{2}{H}_{4}）}$×$\frac{c（H{\;}^{+}）}{c（H{\;}^{+}）}$=K×K_w=8.7×10⁷×1.0×10^-14=8.7×10^-7，第二步電離方程式為N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-，因此聯(lián)氨與硫酸形成的酸式鹽為N₂H₆（HSO₄）₂，
故答案為：8.7×10^-7，N₂H₆（HSO₄）₂；
（5）聯(lián)胺被銀離子氧化，銀離子被還原生成單質銀，-2價的N元素被氧化為N₂，反應方程式為：N₂H₄+4AgBr=4Ag↓+N₂↑+4HBr，因此反應出現(xiàn)現(xiàn)象為：固體逐漸變黑，并有氣泡產生，由于肼的氧化產物是氮氣，不會對鍋爐造成腐蝕，而亞硫酸鈉被氧化產物為硫酸鈉，易生成硫酸鹽沉淀影響鍋爐的安全使用，聯(lián)胺被氧化失電子N₂H₄→N₂失去4e^-，O₂→O^2-得到4e^-，聯(lián)胺和氧氣摩爾質量都是32g/mol，則等質量聯(lián)胺和氧氣物質的量相同，理論上1kg的聯(lián)氨可除去水中溶解的O₂1kg，可以處理水的體積為：$\frac{1000g}{5×10{\;}^{-3}g/L}$=2×10⁵L；與使用Na₂SO₃處理水中溶解的O₂相比，聯(lián)氨的優(yōu)點是用量少，不產生其他雜質（反應產物為N₂和H₂O），而Na₂SO₃產生Na₂SO₄，
故答案為：固體逐漸變黑，并有氣泡產生；2×10⁵；N₂H₄的用量少，不產生其他雜質（反應產物為N₂和H₂O），而Na₂SO₃產生Na₂SO₄．

點評 本題考查了氮及其化合物性質、物質結構、熱化學方程式和蓋斯定律計算應用、平衡常數(shù)的計算方法，主要是氧化還原反應的計算及其產物的判斷，題目難度中等．