苏教版 (2019)专题7 氮与社会可持续发展第一单元 氮的固定导学案及答案

第一单元　氮的固定

基础课时7　氮的固定

知识点　氮的固定

1．氮分子的结构

(1)氮元素的存在：

(2)氮气的化学性质很不活泼，因为氮气分子中存在氮氮三键。N2的电子式为∶N⋮⋮N∶，结构式为N≡N。

(3)氮气分子在高温或放电等特殊条件下，获得足够多的能量，能生成含氮化合物。

2．自然固氮

(1)氮的固定：将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫作氮的固定，简称固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮两种方式。植物通过自然固氮可以从空气中获得化合态的氮。

(2)自然固氮的途径：

①生物固氮：自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根瘤菌)将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物，约占自然固氮的90%。

②高能固氮：通过闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物，约占自然固氮的10%。

3．NO和NO2的性质

(1)一氧化氮：一氧化氮是无色、无味的气体，微溶于水，在常温下很容易与氧气化合，生成二氧化氮，化学方程式为2NO＋O2===2NO2。

(2)二氧化氮：二氧化氮是红棕色、有刺激性气味的气体，二氧化氮与水反应生成硝酸和一氧化氮，化学方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。

二氧化氮在火箭燃料中用作氧化剂，主要用N2H4和NO2作燃料，化学反应方程式为2N2H4＋2NO23N2＋4H2O。

(3)毒性：大气中NO和NO2达到一定浓度时都会对人体造成伤害，能引发上呼吸道及肺部疾病。

4．人工固氮——合成氨

(1)原料：氮气和氢气，在较高温度下将混合气体加压后送到合成塔中进行反应。

(2)原理：N2＋3H22NH3。

(3)社会价值：人工固氮使人类进入了化肥农业时代，大大提高了粮食产量。

(4)合成氨中原料气的循环使用：合成氨的反应放出大量的热，工业上往往用来预热原料气，以达到反应所需的温度，节约能源。合成氨达到平衡时，混合气体中氨的含量为20%左右，从中分离出氨后，将未反应的氮气、氢气送回合成塔循环使用。

5．自然界的氮循环

　判断下列说法是否正确。(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)豆科植物通过根瘤菌吸收空气中的氮属于氮的固定，是化学变化。                             (√)

(2)汽车尾气中的氮氧化合物是由游离态氮转化来的。 (√)

(3)氮元素有负化合价、正化合价和零价，因而常温下，N2既能与氧气反应，又能与H2反应。                            (×)

(4)在实验室里NO和NO2均用排水法收集。 (×)

　1.俗话说，“雷雨发庄稼”。这说明雷雨中含有能被植物吸收利用的化合态的氮。请写出三个有关的化学方程式：

(1)__________________________________________________；

(2)__________________________________________________；

(3)__________________________________________________。

[答案]　(1)N2＋O22NO　(2)2NO＋O2===2NO2　(3)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

2．根据教材“NO和NO2的性质”，分析氮的氧化物是否都既有氧化性，又有还原性？

提示：否。N2O5只有氧化性。

氮气是一种无色无味的气体，是空气的主要成分。在标准大气压下，冷却至－195.8 ℃时，气态氮变成没有颜色的液体，冷却至－209.8 ℃时，液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质不活泼，常被用来制作防腐剂。但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。

[问题1]　请你根据上图推测：氮气为什么可以用作粮食瓜果的保护气？

提示：氮气性质稳定，可以减慢粮食瓜果被氧气氧化变质的速率。

[问题2]　与同学交流或查阅资料，分析液氮用于医疗手术的原理是什么。

提示：液氮挥发吸收热量，使温度迅速下降。通过极速冷冻将病区细胞迅速杀死，使病区恢复正常。

[问题3]　合成氨反应是最重要的人工固氮途径，写出反应的化学方程式，并分析反应中的氧化剂、还原剂。

提示：N2＋3H22NH3，氧化剂是氮气，还原剂是氢气。

氮气的结构与性质

1．下列关于氮气的说法中错误的是(　　)

A．通常情况下N2性质很稳定，所以N2可以在电焊时作保护气

B．N2＋O22NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一

C．N2在空气中约占的质量比为

D．在反应3Mg＋N2Mg3N2中，N2作氧化剂

C　[N2性质很稳定，常用作保护气；但在高温或放电条件下N2与O2反应产生的NO易被氧化为NO2，此为汽车尾气会造成环境污染的主要元素之一；N2在空气中的体积含量约为4/5；N2与金属、H2反应时作氧化剂。]

2．实验室以空气和镁为原料制备 Mg3N2 的装置如图所示(夹持和加热装置略去)：

下列说法正确的是(　　)

A．装置 A、B 中可依次加入浓硫酸、NaOH溶液

B．若去掉装置 C，对产品纯度无影响

C．实验时应先加热 C，通入一段时间空气后再加热D

D．装置E中碱石灰的作用是吸收尾气

C　[要制备氮化镁，需要除去空气中的氧气、CO2和水蒸气，则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸， A错误；若去掉装置C，镁与氧气反应生成氧化镁，对产品纯度有影响，B错误；实验时应先加热C，通入一段时间空气除去氧气，然后再加热D，C正确；装置E中碱石灰的作用是吸收空气中的水蒸气和二氧化碳，D错误。]

化学兴趣小组的同学利用下面的简易反应装置探究氮的氧化物与水的反应。

[问题1]　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？说明原因。

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2/3。

[问题2]　若一支试管中NO2和O2混合气体的体积之比大于4∶1倒置在水槽中充分反应，最后得到的气体为NO2吗？说明原因。

提示：不是。NO2和O2混合气体的体积之比大于4∶1时，NO2过量，但过量的NO2气体再与水反应生成HNO3和NO，所以最后得到的气体为NO。

[问题3]　向一支充有10 mL NO的试管中通入多少毫升O2才能使水充满整个试管？(写出计算过程)

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，故需通入7.5 mL O2。

　微点拨：当NO2或NO转化为HNO3时要失去电子，若上述两种气体与O2混合通入水中时，O2得电子，且得失电子数必须相等，这是电子守恒法解答此类题目的依据。

1．反应原理

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO  ①

2NO＋O2===2NO2  ②

由方程式①×2＋②得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 ③

由方程式①×2＋②×3得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3  ④

2．计算类型

(1)NO2气体：NO2气体溶于水时仅涉及反应①，剩余气体为NO。

(2)NO2和O2的混合气体：NO2和O2的混合气体溶于水时涉及反应③。

(3)NO和O2的混合气体：NO和O2的混合气体溶于水时涉及反应④。

3.利用原子个数比分析氮氧化物与氧气的混合气体溶于水

方程式：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3和4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3中的“4NO2＋O2”和“4NO＋3O2”从组成上均相当于“N2O5”的组成，也就是N、O的原子个数比符合2∶5时，氮的氧化物和氧气均无剩余，这两种情况均可利用混合气体中N、O的原子个数比来分析：

N(N)∶N(O)

3．如图所示，试管中盛装的是红棕色气体(可能是混合物)，当倒扣在盛有水的水槽中时，试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中水柱继续上升，经过多次重复后，试管完全被水充满。原来试管中盛装的(　　)

A．可能是N2与NO2的混合气体

B．可能是O2与NO2的混合气体

C．不可能是NO与NO2的混合气体

D．只能是NO2一种气体

B　[若是N2与NO2的混合气体，无论鼓入多少氧气，最后都有N2剩余，试管内不可能完全被水充满；若是O2与NO2的混合气体，由4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，可知，当＞4时，NO2有剩余，剩余的NO2和水反应产生NO，故试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内不断鼓入氧气后，4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，故试管能被水充满；若是NO与NO2的混合气体，开始时，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，气体体积减小，但有NO剩余，当向试管内不断鼓入适量的氧气后，4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，试管内的气体完全被水吸收。]

4．在一定条件下，将NO2和O2的混合气体12 mL通入足量水中，充分反应后剩余2 mL气体(同温同压下)，则原混合气体中氧气的体积为(　　)

①1.2 mL　②2.4 mL　③3 mL　④4 mL

A．①②　　　B．②③　　　C．③④　　　D．①④

D　[首先分析剩余的2 mL气体有两种可能。若剩余的2 mL气体是O2，则V(NO2)＝×(12－2) mL＝8 mL，则混合气中的V(O2)＝12 mL－8 mL＝4 mL。若剩余的2 mL气体是NO，则混合气中的V(O2)＝(12 mL－2 mL×3)×＝1.2 mL，D项正确。]

1．氮气能大量存在于空气中的根本原因是(　　)

A．氮气性质稳定，即使在高温下也不与其他物质发生反应

B．氮气比空气轻且不溶于水

C．氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定

D．氮气既无氧化性，也无还原性，不与其他物质反应

C　[N2性质稳定，但放电、高温等条件下可与O2等物质发生反应，在反应中表现出还原性或氧化性；氮气比空气轻且不溶于水并不是N2能大量存在于空气中的根本原因；N2能大量存在于空气中的根本原因是氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定。]

2．下列反应属于氮的固定的是(　　)

①N2和H2在一定条件下合成NH3　②NO2和H2O反应生成HNO3和NO　③Mg在N2中燃烧生成Mg3N2　④NO被空气氧化为NO2

A．①②　　　B．②③　　　C．①③　　　D．①④

C　[氮的固定是将游离态的氮转化为化合态的氮。]

3．下列关于氮的氧化物的说法中正确的是(　　)

A．氮的氧化物都是酸性氧化物

B．氮的氧化物都既有氧化性，又有还原性

C．NO2与H2O反应生成HNO3，所以NO2是酸性氧化物

D．NO和NO2均有毒性，都属于大气污染物

D　[NO、NO2等不是酸性氧化物，A错；最高价氧化物N2O5中氮元素显＋5价，处于氮元素的最高价态，只有氧化性，B错；尽管NO2与H2O反应生成HNO3，但氮的价态发生了变化，故NO2不是酸性氧化物，C错；一氧化氮和二氧化氮都有毒，易引起环境污染，D对。]

4.按如图所示进行实验。试管中装有12 mL NO，然后间歇而又缓慢地通入8 mL O2，下列是有关最终状态的描述：

①试管内气体呈红棕色　②试管内气体呈无色　③试管内液面不变　④试管内液面上升　⑤试管内气体是O2　⑥试管内气体是NO。其中正确的是(　　)

A．①③　　B．②④⑤　　C．②④⑥　　D．②③⑤

C　[根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可得，剩余气体应为NO，体积为 mL，试管内液面上升。]

5．氮氧化物进入大气后，不仅会形成硝酸型酸雨，还可能形成光化学烟雾，因此必须对含有氮氧化物的废气进行处理。

氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物，反应的化学方程式如下：

NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O ①

2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O ②

在反应①中，氧化剂是________，还原剂是________。

在反应②中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为________。

[答案]　NO2　NO　1∶1