高中化学鲁科版 (2019)必修 第一册第3节 氮的循环第1课时导学案及答案

这是一份高中化学鲁科版 (2019)必修 第一册第3节 氮的循环第1课时导学案及答案，共11页。学案主要包含了氮的氧化物等内容，欢迎下载使用。


一、自然界中的氮循环 氮的性质及氮的固定
1．氮元素在自然界中的存在形态：
游离态和化合态。
2．自然界中氮的循环：
3．人类活动对氮循环的影响：
(1)氮气氨气→氮肥、硝酸等含氮化合物。
(2)燃料燃烧反应→氮氧化物参与氮的循环。
4．氮的固定：
定义：将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。
5．氮气的性质：
(1)物理性质：
(2)化学性质
氮气的化学性质不活泼，通常很难与其他物质发生反应。
①还原性：与O2反应产生NO。
N2＋O2 eq \(=====,\s\up7(放电)) 2NO。
②氧化性：与H2反应生成NH3；
二、氮的氧化物
1．不同价态的氮的氧化物：
2.一氧化氮和二氧化氮：
(1)物理性质
(2)相互转化
A：NO→NO2：2NO＋O2===2NO2。
B：NO2→NO：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
1．判断下列说法是否正确：
(1)化合态的氮元素只显一种价态。( )
提示：×。化合态的氮元素有－3、＋1、＋2、＋3、＋4、＋5价等多种价态。
(2)N2在通常状况下与O2反应生成NO2。( )
提示：×。N2在通常状况下与O2反应生成NO。
(3)合成氨反应属于自然固氮中的高能固氮。 ( )
提示：×。合成氨属于人工固氮。
(4)NO在空气中易转化为红棕色NO2。( )
提示：√。NO在空气中与O2反应生成红棕色NO2。
(5)NO2与H2O的反应，NO2只作氧化剂。( )
提示：×。NO2既作氧化剂，又作还原剂。
2．教材P108“一氧化氮在常温下与空气中的氧气迅速化合，生成二氧化氮气体”。由此可以推测实验室中制备一氧化氮能否用排空气法来收集？应如何收集一氧化氮气体？
提示：由于一氧化氮与空气中的氧气反应，实验室中收集一氧化氮不用排空气法而用排水法。
3．在元旦联欢会上，某同学给同学们表演了一段魔术：首先收集一集气瓶红棕色的气体，用玻璃片盖好，然后向其中加入少量水，振荡后变为无色，然后轻轻移动玻璃片使少量空气进入集气瓶，气体又变为红棕色，振荡，又变为无色……
(1)集气瓶中红棕色的气体是什么？
提示：该红棕色气体为NO2。
(2)气体颜色变化的原因是什么？在该过程中发生了什么反应？
提示：NO2与H2O反应生成无色气体NO，无色气体NO遇到空气，与空气中的O2反应又生成红棕色的NO2
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，2NO＋O2===2NO2。
(3)表演魔术时操作者要注意什么问题？为什么？
提示：表演魔术时要做好防护，因为NO、NO2都有毒。
氮气的性质和应用
材料一：氮气在正常情况下是一种安全的气体。通常用来作保护气体，很多电灯泡里都灌有氮气，因为这样可以减慢钨丝的氧化速度，使灯泡经久耐用。
材料二：豆科植物的根瘤菌具有特殊的固氮能力，它能巧妙地把空气中的氮气转化为植物能吸收的氮肥。化学家正在努力研究生物固氮的奥秘。
氮气的化学性质
1．很多电灯泡里都灌有氮气，说明什么？
提示：N2稳定，高温下不与钨丝反应。
2．氮气性质稳定，是不是不能跟其他物质反应？
提示：不是。氮气是非金属单质，氮元素的化合价为0价，属于中间价态，在化学反应中既可以作氧化剂又可以作还原剂，如与H2、Mg反应作氧化剂，与O2反应作还原剂。
3．将1 ml N2、3 ml H2充入密闭容器中，在一定条件下反应，能否得到2 ml NH3？原因是什么？
提示：不能。因为合成氨的反应是可逆反应，不能完全进行到底。
4．有老农民说种大豆基本不用上氮肥，你认为有道理吗？
提示：有道理；因为豆科植物的根瘤菌能把空气中的氮气转化为含氮化合物给植物提供氮肥。
在高温、高压、放电等条件下，N2能与H2、O2、Mg等发生化学反应。
1．氮气与氢气反应：
N2＋3H22NH3，该反应是工业合成氨的原理。
2．氮气与氧气反应：N2＋O2 eq \(=====,\s\up7(放电)) 2NO。
3．氮气与镁反应：3Mg＋N2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) Mg3N2。
【典例】(2021·济南高一检测)氮气在大气中虽多于氧气，由于它的性质不活泼，所以人们在认识氧气之后才认识氮气的。不过它的发现却早于氧气。D·卢瑟福发现这气体不能维持生命，具有灭火性质，可以分离空气获得。氮气能大量存在于空气中的根本原因是( )
A．氮气性质稳定，即使在高温下也很难与其他物质发生反应
B．氮气比空气轻，且不溶于水
C．氮分子中两个氮原子间结合得很牢固，分子结构稳定
D．氮气无氧化性，也无还原性，不与其他物质反应
【解析】选C。N2性质稳定，但在高温下可与H2等物质反应表现出氧化性，与O2在放电条件下反应表现出还原性，A、D项不正确；氮气密度与空气相近，且不是N2能大量存在于空气中的根本原因，B项不正确。
(1)汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物，已成为城市空气的主要污染源。汽油和柴油中基本不含氮元素，那么汽车尾气中的NO是如何产生的？写出有关反应的化学方程式(忽略空气中二氧化碳)。(关键能力——探究与创新)
提示：汽车尾气中的NO是由空气中的氮气和氧气在内燃机中高温条件下反应而生成，N2＋O2 eq \(=====,\s\up7(高温)) 2NO。
(2)金属镁在空气(忽略空气中二氧化碳)中燃烧可生成哪些产物？写出有关反应的化学方程式。(关键能力——理解与辨析)
提示：可生成氧化镁和氮化镁。2Mg＋O2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) 2MgO，3Mg＋N2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) Mg3N2。
1．下列叙述与氮的固定无关的是( )
A．工业合成氨
B．工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物
C．豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为含氮化合物
D．电闪雷鸣的雨天，空气中的氮气会与氧气发生反应并最终转化为硝酸盐被植物吸收
【解析】选B。氮的固定是指把空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。
2. 下列关于N2的说法错误的是( )
A．通常情况下N2性质很稳定，所以N2可在电焊时作保护气
B．反应N2＋O2 eq \(=====,\s\up7(高温)) 2NO是汽车尾气造成污染的主要原因之一
C．N2的质量约占空气总质量的 eq \f(4,5)
D．在反应3Mg＋N2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) Mg3N2中，N2作氧化剂
【解析】选C。通常情况下N2性质很稳定，所以N2可在电焊时作保护气，故A正确；N2＋O2 eq \(=====,\s\up7(高温)) 2NO是汽车尾气造成污染的主要原因之一，故B正确；N2在空气中约占总体积的 eq \f(4,5) ，故C错误；在反应3Mg＋N2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) Mg3N2中，N元素化合价降低，N2作氧化剂，故D正确。
大家在吃薯条等膨化食品时，会发现袋子里东西并不多却鼓鼓囊囊的，袋子里填充的是食品级的氮气而非空气。主要作用有三个方面：①延长食品的保质期；②可以抵御外界潮气的侵入；③保护食品不被压碎。
下列关于N2性质的叙述中错误的是( )
A．氢气在氮气中能燃烧
B．氮气既具有氧化性，又具有还原性
C．将空气中的氮气转变成含氮化合物属于氮的固定
D．氮气与氧气在一定条件下反应生成一氧化氮
【解析】选A。N2不是助燃气体，N2与H2化合需在高温、高压、催化剂的条件下进行。
NO、NO2的性质
中国汽车销量增长幅度很大，同时也带来了空气污染。汽车尾气转化装置里，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如图所示。
NO、NO2的存在和性质
(1)汽车尾气的主要污染物包括哪些？
提示：汽油不完全燃烧生成CO；放电条件下氮气与氧气反应生成NO，部分NO与氧气反应生成NO2，故汽车尾气的主要污染物为CO、NO2、NO等。
(2)由图分析写出汽车尾气转化装置里发生的反应。在反应中氮的氧化物分别表现什么性质？
提示：由图中进出的物质可知，发生反应为2NO＋O2===2NO2、2NO2＋4CO4CO2＋N2，第一个反应中NO表现还原性，第二个反应中NO2表现氧化性。
(3)由图可以推出NO和O2必须在催化剂表面才能反应吗？
提示：NO和O2在空气中就能迅速反应生成NO2。
(4)汽车尾气的排放有哪些危害？
提示：汽车尾气被人体吸收会造成伤害，排入大气会引起光化学烟雾、硝酸型酸雨等。
一氧化氮、二氧化氮性质探究
(1)在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，观察颜色：无色，然后吸入5 mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器。现象：注射器内无明显变化，结论：NO难溶于水。
(2)打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹，现象：注射器内气体变为红棕色；振荡注射器。现象：气体的红棕色消失。
结论：在一定条件下，NO和NO2可以相互转化。
氮的氧化物溶于水的计算
1．二氧化氮与氧气混合溶于水的反应分析
2NO＋O2===2NO2①
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ②
由①＋②×2 得4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，
当体积比V(NO2)∶V(O2)
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(＜4∶1 O2过量，剩余气体为O2,＝4∶1 恰好完全反应,＞4∶1 NO2过量，剩余气体为NO,（过量NO2与H2O反应生成NO）))
2．一氧化氮与氧气混合溶于水的反应分析
由①×3＋②×2 得4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，
当体积比V(NO)∶V(O2)
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(＜4∶3 O2过量，剩余气体为O2,＝4∶3 恰好完全反应,＞4∶3 NO过量，剩余气体为NO))
因为水溶液中发生反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，所以无论何种情况下水溶液中不会剩余NO2。
【典例】(2021·深圳高一检测)在一定条件下，将6体积的NO2和一定体积的NO置于试管中，并将试管倒置于水中，当通入4.5体积的O2充分反应后，剩余1.5体积气体，则原NO体积可能为( )
①3体积 ②4体积 ③5体积 ④5.5体积 ⑤2体积
A．③ B．⑤ C．④或⑤ D．②或⑤
【解析】选C。本题的关键在于理解剩余的1.5体积气体，可能是一氧化氮，也有可能是氧气。若是一氧化氮，则氧气全部反应，二氧化氮完全反应消耗1.5体积氧气，剩余3体积氧气应该被4体积一氧化氮消耗，所以一氧化氮体积为4体积＋1.5体积＝5.5体积；若剩余的为氧气，则反应过程中一氧化氮消耗的氧气为1.5体积，那么一氧化氮的体积是2体积。
(1)山谷中经常电闪雷鸣、雷雨交加，但树木、灌木、草等植被往往非常茂密。试说出其中的原理，写出反应的化学方程式。(关键能力——理解与辨析)
提示：雷电发生时，N2和O2化合生成NO，NO迅速被氧化为NO2，NO2溶于水生成HNO3，HNO3跟土壤作用生成硝酸盐，NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 可被植物吸收。
N2＋O2 eq \(=====,\s\up7(放电)) 2NO，2NO＋O2===2NO2，
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
(2)把一支充满NO2气体的试管倒置在水槽中充分反应后，水能否充满试管？ 如果要使水能充满试管，应采取的措施是什么？(关键能力——理解与辨析)
提示：不能。NO2与水反应的化学方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，由此可知最后水只能充满整个试管的三分之二。如果要使水能充满试管，继续通入过量的空气。
(3)向一支充有10 mL NO的试管中通入多少O2才能使水充满整个试管？ (关键能力——创新与探究)
提示：已知2NO＋O2===2NO2 ①，
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ②。
由方程式①×3＋②×2得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，即当NO和O2的体积比为4∶3时水可以充满试管，需通入7.5 mL O2。
【备选例题】
将盛有25 mL NO2和O2混合气体的量筒倒置于水槽中，一段时间后，气体体积减小到5 mL且不再变化(同温同压下)。则原混合气体中NO2和O2的体积比可能是____________。
a．1∶1 b．18∶7 c．16∶9 d．23∶2
【解析】①若混合气体中氧气过量，发生4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，剩余5 mL气体为氧气，则NO2的体积为(25 mL－5 mL)× eq \f(4,5) ＝16 mL，O2的体积为5 mL＋(25 mL－5 mL)× eq \f(1,5) ＝9 mL，二者体积比为16∶9；②若二氧化氮过量，则先发生4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，后发生3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，剩余5 mL气体为NO，由3NO2＋H2O===2HNO3＋NO可知剩余二氧化氮为5 mL×3＝15 mL，则氧气的体积为(25 mL－15 mL)× eq \f(1,5) ＝2 mL，则二者体积比为(25 mL－2 mL)∶2 mL＝23∶2。
答案：cd
1．下列对氮的氧化物的叙述中，正确的是( )
A．氮的氧化物都是无色气体
B．氮的氧化物都难溶于水
C．氮的氧化物都是酸性氧化物
D．氮的氧化物都是大气污染物
【解析】选D。NO2是红棕色，A不正确；NO2易溶于水，B不正确；NO、NO2均不是酸性氧化物，C不正确；氮的氧化物均是大气污染物，D正确。
2．一定条件下，将等体积的NO和O2的混合气体置于试管中，并将试管倒立于水槽中，充分反应后剩余气体的体积为原总体积的( )
A． eq \f(1,4) B． eq \f(3,4) C． eq \f(1,8) D． eq \f(3,8)
【解析】选C。由于NO和O2等体积，故二者物质的量相等，当二者溶于水时，发生反应
4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3
4 3
设初始时NO和O2的物质的量均为x ml，则x ml NO反应掉0.75x ml O2，还剩余0.25x ml O2，则剩余O2为原气体的0.25x÷2x＝ eq \f(1,8) 。
近年来，科学家发现NO结合血红蛋白的能力比CO还强，更容易造成人体缺氧；同时NO作为一种传递神经信息的“信使分子”，在扩张血管、提高免疫力、增强记忆力等方面有着重要的作用。因而成为当前生命科学的研究热点，NO亦被称为“明星分子”。请回答下列问题：
(1)NO对环境的危害主要是________(填标号)。
A．破坏臭氧层
B．高温下能使一些金属被氧化
C．形成酸雨
D．与人体血红蛋白结合
(2)在含Cu＋的酶的活化中心，亚硝酸根离子(NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) )可转化为NO，写出Cu＋和NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 在酸性水溶液中反应的离子方程式：__________________________。
(3)常温下，在一个体积固定的容器里，把NO气体压缩到100个大气压。将容器中气体加热到50 ℃，发现气体的压强迅速下降，至略小于下降前压强的 eq \f(2,3) 时就不再变化，已知其中一种产物为N2O，写出上述变化的化学方程式： ________。
【解析】(1)NO对环境的危害主要是破坏臭氧层和被空气中氧气氧化为NO2，再与水反应产生硝酸而形成酸雨，故选AC。(2)NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 转化为NO是还原反应，所以Cu＋被氧化为Cu2＋，Cu＋和NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) 在酸性水溶液中反应的离子方程式：Cu＋＋NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ＋2H＋===Cu2＋＋NO↑＋H2O。(3)若NO转化为N2O和O2，则气体的压强下降至原来的 eq \f(3,4) ，不符合题意；若NO转化为N2O和NO2，少量NO2转化为N2O4，则气体的压强下降至略小于原来的 eq \f(2,3) ，符合题意，所以上述变化的化学方程式：3NO eq \(=====,\s\up7(△)) N2O＋NO2。
答案：(1)AC (2)Cu＋＋NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(2)) ＋2H＋===Cu2＋＋NO↑＋H2O (3)3NO eq \(=====,\s\up7(△)) N2O＋NO2
1．(水平1)下列关于NO、NO2的描述中正确的是( )
A．NO是红棕色气体，易溶于水，是酸性氧化物
B．NO2可用排水法收集，且可由N2和O2化合而得到
C．NO、NO2在一定条件下可相互转化，且二者都是引起光化学烟雾的大气污染物
D．NO、NO2互为同素异形体，且NO是汽车尾气的有害成分之一
【解析】选C。NO2是红棕色气体，易溶于水，不是酸性氧化物，A项错误；NO2 易溶于水，不可用排水法收集，且N2和O2化合只能得到NO，B项错误；同素异形体指的是由同一种元素组成的性质不同的几种单质，故NO和NO2不是同素异形体，D项错误。
2．(水平1)下列关于自然界中氮循环(如图)的说法不正确的是( )
A．氮元素均被氧化
B．工业合成氨属于人工固氮
C．含氮无机物和含氮有机物可相互转化
D．碳、氢、氧三种元素也参加了氮循环
【解析】选A。合成氨反应中，氮元素的化合价降低被还原，A项错误；工业合成氨属于人工固氮，B项正确；硝酸盐转化为蛋白质经动物消化使蛋白质转化为氨或铵盐，实现了含氮无机物和含氮有机物的相互转化，并且碳、氢、氧三种元素也参加了氮的循环，C项、D项正确。
3．(水平1)在NO2被水吸收的反应中，发生还原反应的物质和发生氧化反应的物质的质量比为( )
A．3∶1 B．1∶3 C．1∶2 D．2∶1
【解析】选C。根据反应3 eq \(N,\s\up6(＋4)) O2＋H2O===2H eq \(N,\s\up6(＋5)) O3＋ eq \(N,\s\up6(＋2)) O可知，发生还原反应的NO2与发生氧化反应的NO2的质量比为1∶2。
4．(水平1)下列物质之间的转化不能通过一步反应实现的是( )
A．N2―→NO B．N2―→NO2
C．NO―→NO2 D．NO2―→NO
【解析】选B。A项，N2＋O2 eq \(=====,\s\up7(放电)) 2NO；C项，2NO＋O2===2NO2；D项，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
5．(水平2)将充满NO2和O2的量筒倒立于盛有水的水槽中，经过一段时间后，水上升到量筒体积的一半处停止，则剩余气体的成分是( )
A．NO2 B．NO C．O2 D．NO或O2
【解析】选C。设量筒的体积为V L，剩余 eq \f(V,2) L的气体可能是NO或O2。①若剩余气体为NO，根据反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，则反应的NO2为 eq \f(3V,2) L，不合题意。②若剩余气体为O2，则有 eq \f(V,2) L NO2与O2的混合气体发生反应4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，符合题意。
6．(水平2)为了有效实现NO和NO2的相互转化，设计如图实验：按图组装好实验装置，并检查装置气密性，实验前用排水法收集半瓶NO气体。
(1)打开止水夹，推动针筒活塞，使O2进入烧瓶。关上止水夹，首先观察到烧瓶中的现象为___________，产生此现象的化学方程式为_________。
(2)轻轻摇动烧瓶，观察到烧瓶中的现象为
①_______________________________________；
②________________________________________。
产生此现象的化学方程式为____________________________________。
【解析】(1)无色的NO能与O2反应产生红棕色的NO2。(2)轻轻摇动圆底烧瓶，使得NO2与水发生反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，所以烧杯中红棕色气体又变为无色，且烧瓶内压强减小，烧杯中的水倒吸到烧瓶内，导致烧瓶中液面上升。
答案：(1)烧瓶中气体由无色变为红棕色
2NO＋O2===2NO2
(2)①烧杯中红棕色气体又变为无色
②烧杯中水倒吸到烧瓶中(或烧瓶中液面上升)
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO颜色
状态
气味
密度
溶解性
无色
气体
无味
与空气接近
难溶于水
类别
N2O
NO
N2O3
NO2
N2O4
N2O5
价态
＋1
＋2
＋3
＋4
＋4
＋5
物质
颜色
状态
气味
毒性
水溶性
NO
无色
气态
无味
有毒
难溶于水
NO2
红棕色
气态
刺激性
有毒
易溶于水