必修 第二册第一单元 氮的固定学案

专题7氮与社会可持续发展

第一单元　氮的固定

新课程标准

1．能依据氮分子的微观结构预测其化学性质。

2．了解氮的循环与氮的固定。

3．认识人工固氮的化学原理和社会价值。

学业质量水平

合格性要求

1.根据氮气的结构，分析氮气反应发生的条件。(水平1)

2．根据人工固氮原理，认识物质的变化是有条件的。(水平2)

等级性要求

体会化学科学在解决人类社会问题中所发挥的作用。

图说考点

基础知识——自学·思记·尝试

[新知预习]

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________________，结构式为________________________。

(3)氮气分子在________或________等特殊条件下，获得足够多的________，能生成含氮的化合物。

2．氮气的性质

(1)物理性质：纯净的N2是无色、无味的气体，密度比空气略小，熔、沸点很低，难溶于水。

(2)化学性质[N2分子中存在氮氮三键，分子很稳定。N2参与的反应都要在一定条件下进行]

a．与金属Ca、Mg等反应

N2＋3MgMg3N2(N2表现氧化性)

b．与非金属O2、H2等反应

N2＋O22NO(N2表现还原性)

N2＋3H22NH3(N2表现氧化性)

氮元素有各种变价，N2中氮元素为0价，处于中间价态，故N2既有氧化性，又有还原性。

3．氮的固定

氮的固定：将空气中游离态的氮转化成含氮化合物，简称固氮，主要有自然固氮和人工固氮两种方式。

(1)自然固氮

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________通过生物化学过程转化成________，约占自然固氮的90%。

②高能固氮：通过________、火山爆发等途径产生含氮化合物，约占自然固氮的10%。

(2)人工固氮——合成氨

①原料：合成氨的原料是________和________，在较高温度下将混合气体加压送到合成塔中进行反应。

②原理：________________________。

③社会价值：人工固氮使人类进入了新的农业时代，化肥的使用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________的热，工业上往往用来预热原料气，以达到反应所需要的温度，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。

4．NO和NO2的性质

(1)一氧化氮：一氧化氮是________色、无味的气体，________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________________________。

(2)二氧化氮：二氧化氮是________色、有________气味的气体，二氧化氮与水反应生成________和________，化学方程式为____________________________。

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

5．自然界的氮循环

【学而思】

(1)(想一想)固氮反应是否一定属于氧化还原反应？

(2)(情境思考)农业上有句谚语是“雷雨发庄稼”，该过程发生了哪些化学反应？

(3)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？

[即时自测]

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”

(1)NO2与H2O反应生成HNO3，所以NO2对应的同价酸是HNO3。(　　)

(2)4NH3＋5O24NO＋6H2O属于人工固氮。(　　)

(3)N2在通常状况下与O2反应生成NO2。(　　)

(4)氮气可在氧气中燃烧生成NO。(　　)

(5)大气、陆地和水体中的氮元素在不停地进行着氮的循环。(　　)

(6)氮在自然界中既以游离态存在又以化合态存在。(　　)

2．下列反应中，属于氮的固定的是(　　)

A．2NO＋O2===2NO2

B．3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

C.3H2＋N22NH3

D．NH3＋HNO3===NH4NO3

3．在水体中部分含氮有机物的循环如图所示。图中属于氮的固定的是(　　)

A．③ B．④

C．⑤ D．⑥

4．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．镁条在氮气中能燃烧

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二氧化氮

5．某化学学习小组为探究NO2和SO2的反应，进行如下实验。

(1)图1两集气瓶中________(填“上”或“下”)瓶颜色深。

(2)图2中反应的现象是_____________________________________________________。

(3)图3中“有红棕色气体产生”说明SO2和NO2反应的产物中有________，说明NO2在该反应中显________性。

(4)由图2和图3中的现象写出NO2和SO2反应的化学方程式：________________________________________________________________________。

技能素养——合作·探究·分享

例1 氮是动植物生长中不可缺少的元素，含氮化合物也是重要的化工原料。自然界中存在如下图所示的氮元素的循环过程，下列说法不正确的是(　　)

A．过程①“雷电作用”中发生的反应是N2＋O22NO

B．过程③中，氮气被还原

C．过程⑤中涉及的反应可能有

D．过程⑥中涉及的反应可能有＋12H＋===N2↑＋6H2O

例2 在一定条件下，将充满NO2和O2的试管倒立于水槽中，充分反应后，剩余气体体积为原混合气体体积的，则原混合气体中NO2和O2的体积之比可能是(　　)

①8∶1　②7∶3　③7∶1　④4∶1

A．①②    B．①③

C．②③    D．②④

例3 随着我国汽车年销量的大幅增加，空气环境受到了很大的污染。汽车尾气装置里，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如图所示，下列说法正确的是(　　)

A．反应中NO为氧化剂，N2为氧化产物

B．汽车尾气的主要污染成分包括CO、NO和N2

C．NO和O2必须在催化剂表面才能反应

D．催化转化总反应化学方程式为2NO＋O2＋4CO4CO2＋N2

例4 硝酸工业尾气中的NO、NO2进入大气后会破坏臭氧层。可用氢氧化钠溶液对含氮氧化物的废气进行处理，反应的化学方程式如下：NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O　2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O　氨气也可以用来处理氮氧化物，例如，氨气与一氧化氮可发生如下反应：4NH3＋6NO5N2＋6H2O　将一定量NO和NO2的混合气体通入300 mL 5 mol·L－1 NaOH溶液中，恰好被完全吸收。下列说法正确的是(　　)

A．原混合气体中NO在标准状况下的体积可能为22.4 L

B．所得溶液中NaNO2和NaNO3的物质的量之比可能为1∶2

C．若用氨气处理，所需氨气的物质的量可能为1.6 mol

D．若用氨气处理，所需氨气在标准状况下的体积可能为17.92 L

关键能力　归纳提升

一、氮的氧化物

1．氮有多种价态的氧化物如N2O、NO、NO2、N2O4、N2O5、N2O3等，均为大气污染物，其中属于酸性氧化物的是N2O3、N2O5对应的酸分别为HNO2、HNO3。

(1)N2O：俗称“笑气”是一种无色有甜味的气体，在室温下稳定，有轻微麻醉作用，并能致人发笑。医疗上曾用作可吸入性麻醉剂，现已被列为《危险化学品目录》。

(2)NO：常温下为无色、无味的气体，微溶于水，有毒，(易与血红蛋白结合)，典型的不成盐氧化物，在空气中能与O2反应生成NO2，2NO＋O2===2NO2(常用于检验NO的存在，实验室收集NO常用排水集气法)。

用途

危害：导致光化学烟雾和酸雨，破坏臭氧层。

(3)NO2：常温下为红棕色，有刺激性气味的气体，有毒，与水反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO；(实验室中不能用排水法收集只能用向上排空气法收集)，NO2不属于酸性氧化物

用途：

危害

(4)N2O4：熔点－11.23 ℃，沸点21.5 ℃，标准状况下是无色液体，常温常压下为无色气体2NO2⇌N2O4在容器中共存。在计算密度、相对分子质量、微粒个数等要考虑这两种物质的共存关系。

(5)N2O3：低温时为深蓝色挥发性液体，有毒，环境污染物之一，是亚硝酸的酸酐，助燃，常压下可分解为NO和NO2。

(6)N2O5：又称硝酐是硝酸的酸酐，通常状态下呈无色柱状结晶体，有毒，溶于热水生成硝酸。

2．氮的氧化物及氮的氧化物与氧气混合溶于水的探究

(1)反应原理

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　①

2NO＋O2===2NO2　②

由①×2＋②得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3　③

由①×2＋②×3得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3　④

(2)计算类型

①NO2气体：NO2气体溶于水时仅涉及反应①，剩余气体为NO。

②NO2和O2的混合气体：NO2和O2的混合气体溶于水时涉及反应③。

③NO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

化学方程式：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，即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．NOx尾气的处理方法

(1)碱液吸收法

2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O

NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O

NO2、NO的混合气体能被足量烧碱溶液完全吸收的条件是：n(NO2)≥n(NO)

一般适合工业尾气中NOx的处理

(2)催化剂转化法

在催化剂加热条件下，氨可将氮氧化物转化为无毒气体(N2)或NOx与CO在一定温度下催化转化为无毒气体(N2和CO2)。

一般适用于汽车尾气的处理。

4．氮氧化物对环境的影响

(1)光化学烟雾

NOx在紫外线作用下，与碳氢化合物发生一系列光化学反应，产生一种有毒的烟雾。

(2)酸雨(硝酸型)

NOx排入大气后，与水反应生成HNO3，随雨雪降到地面。

(3)破坏臭氧层

科学研究表明，进入高空平流层的氮氧化物可以加快臭氧层中臭氧的分解速率，从而像氟氯烃类物质一样破坏臭氧层，形成臭氧空洞。2O33O2，导致地面紫外线辐射量增加。

二、氮的固定涉及的氮及其化合物之间的转化关系

氮的固定是以氮气为核心的氮及其化合物之间的转化。将氮气转化为氮氧化物或者氨气，实现了氮元素化合价的升高或降低，体现了氮气的还原性或氧化性；而通电、高温和高压等苛刻的反应条件则表明氮气的化学性质很稳定，其还原性和氧化性均很弱。

课堂检测——夯实·测控·演练

1.下列关于自然界中氮循环(如图)的说法不正确的是(　　)

A．人工固氮时，氮元素均被氧化

B．Mg与N2反应生成氮化镁，也属于氮的固定

C.含氮无机物和含氮有机物可相互转化

D．碳、氢、氧三种元素也参与了氮循环

2．宇宙飞船的运载火箭的推进器引燃后发生剧烈反应，产生大量高温气体，从火箭尾部喷出。引燃后的高温气体成分有CO2、H2O、N2、NO等，这些气体均为无色，但在卫星发射现场看到火箭喷射出大量的红烟，产生红烟的原因是(　　)

A．高温下N2遇空气生成NO2

B．NO遇空气反应生成NO2

C．CO2遇NO反应生成NO2

D．NO遇H2O反应生成NO2

3．N2是空气的重要组成部分，因此有科学家根据蒸汽机的原理，设计制造出液氮蒸汽机，即利用液态氮的蒸发来驱动机车，从而达到环境保护的目的。其主要依据是(　　)

A．液态氮的沸点为－195.8 ℃，远低于常温

B．氮气与氧气在常温下反应生成一氧化氮

C．N2与H2反应转变成含氮化合物

D．N2在空气中约占78%(体积分数)

4．科学家研究发现SARS病毒的全部基因组组分都可以在蝙蝠的粪便里找到，且SARS样冠状病毒基因内部多个位点频繁重组。

病毒学研究证实，一氧化氮对SARS病毒有直接抑制作用。下列关于一氧化氮的叙述正确的是(　　)

A．一氧化氮是一种红棕色的气体

B．常温常压下，一氧化氮不能与空气中的氧气直接化合

C．一氧化氮可以由氮气和氧气在放电条件下直接化合得到

D．一氧化氮易溶于水，不能用排水法收集

5．依据图中氮元素及其化合物的转化关系，判断下列说法中不正确的是(　　)

A．X是N2O3

B．可用排水法收集NO气体

C．由NO2→NO，无需另加还原剂也可实现

D．由NH3→N2，从理论上看，NH3可与NO2反应生成N2

6．一定条件下，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混合气体体积的(　　)

A． B．

C．  D．

7．对3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反应的下列说法正确的是(　　)

A．氧化剂与还原剂的质量比为1∶2

B．氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2

C．NO2是氧化剂，H2O是还原剂

D．在反应中若有6 mol NO2参与反应时，有3 mol电子发生转移

8．在一定条件下，将m体积NO与n体积O2先后通入倒立在水中且盛满水的容器中，充分反应后，容器内残留体积的气体，该气体与空气接触后变为红棕色，则m与n的比值为(　　)

A．3∶2     B．2∶3

C．8∶3     D．3∶8

9．“笑气”又称一氧化二氮，是一种无色有甜味的气体，在室温下稳定，有轻微麻醉作用，并能致人发笑。故笑气现在已被列为《危险化学品目录》。下列过程能产生笑气N2O：3CO＋2NO2===3CO2＋N2O。

(1)该反应中的氧化剂和还原剂分别是什么？

(2)在此反应中每生成1 mol N2O，转移电子的物质的量是多少？

10．N2O、NO和NO2等氮氧化物是空气污染物，含有氮氧化物的尾气需处理后才能排放。

(1)N2O的处理。N2O是硝酸生产中氨催化氧化的副产物，用特种催化剂能使N2O分解。NH3与O2在加热和催化剂作用下生成N2O的化学方程式为________________________________________。

(2)NO和NO2的处理。已除去N2O的硝酸尾气可用NaOH溶液吸收，主要反应为：

NO+＋H2O

＋H2O

①下列措施能提高尾气中NO和NO2去除率的有________(填字母)。

A．加快通入尾气的速率

B．采用气、液逆流的方式吸收尾气

C．吸收尾气过程中定期补加适量NaOH溶液

②吸收后的溶液经浓缩、结晶、过滤，得到NaNO2晶体，该晶体中的主要杂质是________(填化学式)；吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是________________(填化学式)。

(3)NO的氧化吸收。用NaClO溶液吸收硝酸尾气，可提高尾气中NO的去除率。其他条件相同，NO转化为的转化率随NaClO溶液初始pH(用稀盐酸调节)的变化如图所示。

①在酸性NaClO溶液中，HClO氧化NO生成Cl－和，其离子方程式为______________________。

②NaClO溶液的初始pH越小，NO转化率越高。其原因是____________________________________________。

专题7　氮与社会可持续发展

第一单元　氮的固定

基础知识

新知预习

1．(1)游离　化合　(2)∶N⋮⋮N∶　N≡N　(3)高温　放电　能量

3．(1)①氮气　含氮化合物　②闪电　(2)①氮气　氢气　②N2+3H22NH3　④放出大量

4．(1)无　微溶　2NO＋O2===2NO2　(2)红棕　刺激性　硝酸　一氧化氮　3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

学而思

提示：(1)是。氮的固定是由氮气转化为氮的化合物。

(2)N2＋O22NO，2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

(3)否。N2O5只有氧化性。

即时自测

1．解析：(1)N2O5对应的同价酸是HNO3。(2)固氮是将N2转化为含氮的化合物。(3)N2在放电时与O2反应生成NO。

答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√

2．答案：C

3．解析：将游离态的氮(即氮气)转化为化合态的氮(即氮的化合物)的过程，叫做氮的固定，分析题图转化关系可知，图中属于氮的固定的是⑤，故选C。

答案：C

4．答案：D

5．解析：题图3中反应生成的气体遇空气显红棕色，说明题图2中NO2和SO2反应生成了NO，NO2转化为NO，表现氧化性，而SO2表现还原性，被氧化，S元素化合价升高，只能变成＋6价，应转化为SO3。

答案：(1)下　(2)两气体混合后，颜色消失　(3)NO　氧化

(4)NO2＋SO2===NO＋SO3

技能素养

例1　解析：A对，过程①“雷电作用”中发生的反应是氮气和氧气反应生成一氧化氮，N2＋O22NO。B对，过程③中，氮气转化为铵根离子或氨气，氮元素化合价降低，被还原，发生还原反应。C对，过程⑤中会被氧气、微生物继续转化为，+O2===。D错，过程⑥中涉及的反应是硝酸根离子被还原生成氮气，离子方程式中电荷不守恒。

答案：D

例2　解析：反应为4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，设原气体体积为8 L，则剩余气体为1 L。

①若剩余的1 L气体为O2。则V(NO2)＝(×7) L，V(O2)＝(×7＋1) L。二者体积比为7∶3。

②若剩余的1 L气体为NO，而上述反应后剩余3 L NO2，则V(NO2)＝(3＋×5) L，V(O2)＝(×5) L。二者体积比为7∶1。

答案：C

例3　解析：反应过程中NO、O2为氧化剂，N2为还原产物，A错误；汽车尾气中的N2不是污染物，B错误；NO和O2的反应不需要催化剂，C错误；根据题中的图示，可将反应的过程分成如下两步写：2NO＋O2===2NO2，2NO2＋4CO===N2＋4CO2，将两步反应合并可得总反应化学方程式为2NO＋O2＋4CO4CO2＋N2，D正确。

答案：D

例4　解析：通入一定量的NO、NO2与NaOH溶液恰好完全反应，可能只发生反应NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O，还可能NO2过量，NO2与NaOH溶液发生反应：2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O。A错，根据上述分析，当NO2、NO与NaOH溶液恰好完全反应时，NO的物质的量最大，即n(NO)＝＝＝0.75 mol，即标准状况下NO的体积为0.75 mol×22.4 L·mol－1＝16.8 L。B错，若只有NO2，发生反应2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，此时NaNO2和NaNO3的物质的量之比为1∶1，而混合气体还发生反应NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O，因此一定存在n(NaNO2)>n(NaNO3)。C对，若气体全为NO2，根据得失电子守恒，3n(NH3)＝4n(NO2)，n(NH3)＝＝4×＝2 mol，当NO和NO2等物质的量混合时，依据得失电子数目守恒，3n(NH3)＝4n(NO2)＋2n(NO)，即n(NH3)＝4×＋2×＝1.5 mol，所需氨气的物质的量范围为1.5≤n(NH3)<2。D错，根据选项C的分析，17.92 L氨气在标准状况下的物质的量为17.92 L÷22.4 L·mol－1＝0.8 mol，不在1.5≤n(NH3)<2范围内。

答案：C

课堂检测

1．答案：A

2．答案：B

3．答案：A

4．答案：C

5．解析：A错，根据图示可知，X为氧化物，氮的化合价为＋5，X的化学式为N2O5。B对，NO可用排水法收集。C对，NO2与水反应生成NO和硝酸，该反应中NO2既是氧化剂又是还原剂，无需另加还原剂也可实现。D对，氨气、二氧化氮中N元素的化合价分别为－3、＋4，氮气中N元素的化合价为0，从化合价变化角度分析，NH3可与NO2反应生成N2。

答案：A

6．解析：NO、O2、H2O之间的反应，先判断是否过量，若过量，找出剩余的气体，计算其体积是多少，最后算出剩余气体的体积占原混合气体体积的分数。由化学方程式4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，计算，NO和O2等体积混合，剩余体积的O2，其是原混合气体体积的。

答案：C

7．答案：A

8．解析：由题意可知，容器内体积的气体为NO。

解法Ⅰ(化学方程式法)：

4NO　＋　3O2＋2H2O===4HNO3

4　　　　　3

m－　  　n

(m－)∶n＝4∶3，解得m∶n＝8∶3。

解法Ⅱ(得失电子守恒法)：从整个反应过程看，NO与O2混合后溶于水是氧化还原过程，故得失电子数相等，在该过程中，NO失电子，O2得电子，则有(m－)×3＝n×2×2，解得m∶n＝8∶3。

解法Ⅲ(原子守恒法)：由题意知反应后所得溶液为HNO3溶液，而总反应式与N2O5＋H2O===2HNO3等效，据此可知参加反应的NO和O2中，N与O原子数之比一定为2∶5，即N(N)∶N(O)＝2∶5得[(m－)×1]∶[(m－)×1＋n×2]＝2∶5，解得m∶n＝8∶3，故本题答案为C。

答案：C

9．答案：(1)该反应中的氧化剂是二氧化氮，还原剂是一氧化碳。

(2)该反应中氮原子的化合价由＋4价变为＋1价，所以生成1 mol N2O，转移电子的物质的量为6 mol。

10．解析：(1)NH3被O2氧化生成N2O，N元素从－3价升至＋1价，1 mol NH3失去4 mol e－，O从0价降至－2价，1 mol O2得到4 mol e－，根据N和O得失电子守恒配平反应的化学方程式。(2)①A项，通入气体速率过快时，气体吸收会不充分，错误；B项，采用气、液逆流方式吸收时，吸收会充分，正确；C项，补充NaOH溶液，c(OH－)增大，会更充分吸收气体，正确。②NO2与NaOH反应生成NaNO2和NaNO3，所以NaNO2晶体中会混有NaNO3杂质。吸收后的尾气中含量较多的是NO。(3)①HClO氧化NO生成，自身被还原为Cl－，根据N和Cl得失电子守恒配平反应，用H＋平衡电荷。②氧化NO的是HClO，NaClO在酸性条件下会生成HClO，所以pH越小，NO转化率越高。

答案：(1)2NH3＋2O2N2O＋3H2O

(2)①BC　②NaNO3　NO

(3)①3HClO+2NO+H2O===3Cl－+＋5H＋

②溶液pH越小，溶液中HClO的浓度越大，氧化NO的能力越强