【同步讲义】高中化学（沪科版2020）必修第一册--3.3.2 氮循环 讲义

3.3.2  氮循环

知识点01  氮及其化合物的相互转化

【即学即练1】氮及其化合物的转化关系如图所示。

则下列说法不正确的是

A．路线①②③是工业生产硝酸的主要途径

B．路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是雷电固氮生成硝酸的主要途径

C．上述所有标号的反应都是氧化还原反应

D．氮气可在足量的氧气中通过一步反应生成NO2

知识点02  氮氧化物对环境的污染及防治

1．常见的污染类型

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：NOx排入大气中后，与水反应生成HNO3和HNO2，随雨雪降到地面。

③破坏臭氧层：NO2可使平流层中的臭氧减少，导致地面紫外线辐射量增加。

④NO与血红蛋白结合使人中毒。

2．常见的NOx尾气处理方法

①碱液吸收法

2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋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)。

【即学即练2】汽车尾气中的氮氧化合物NOx与大气中的NH3发生如下作用，形成一种雾霾。

NOxN2O5HNO3烟(一种雾霾)。

有关该雾霾的叙述正确的是

A．NOx为酸性氧化物，可形成酸雨

B．反应②是氧化还原反应

C．NH3是形成该雾霾的催化剂

D．NH3可能来自过度施用氮肥

常见考法一  氮及其化合物的相互转化

【例1】研究氮及其化合物的性质，可以有效改善人类的生存环境。氮元素化合价-物质类别关系图如图

回答下列问题：

(1)在催化剂和加热的条件下，物质A生成NO是工业制硝酸的重要反应，化学方程式是_______。

(2)在加热条件下，物质C的浓溶液与碳单质反应，写出反应的化学方程式：_______。

(3)实验室中，检验溶液中含有NH4+的操作方法是_______。

(4)物质B为红棕色气体，写出该物质与水反应的离子方程式：_______，当反应消耗0.15 mol物质B时，转移电子的物质的量为_______。

必杀技 

需要掌握的氮的化合物有：氨气、铵盐、一氧化氮、二氧化氮、硝酸。

【同步练习1】自然界中氮的部分循环过程如图，有关说法正确的是

A．过程①和②均属于自然固氮

B．X→Y发生化合反应

C．NH3→N发生氧化还原反应

D．若为硫循环，X在空气中点燃可得Y

常见考法二  氮氧化物对环境的污染及防治

【例2】（1）可吸入颗粒物是物质燃烧时产生的粒状漂浮物，颗粒很小，它与空气中SO2、O2接触时，SO2部分转化为SO3，使空气酸度增加，形成酸雨。其中可吸入颗粒物所起的主要作用是________。

A．氧化剂      B．还原剂      C．吸附剂      D．催化剂

（2）空气中NO2含量增加可引发的环境问题是_____________________。

（3）汽车尾气是城市空气的主要污染源之一，含有烃类、CO、SO2、NO等物质，其中容易导致二次污染的物质是________。产生氮氧化物的主要原因是________。

A．燃烧含氮化合物燃料引起的        B．燃烧含铅汽油引起的

C．由于燃烧不充分引起的             D．在气缸中氮气被氧化生成的

必杀技 

1．硝酸型酸雨的形成过程：

汽车尾气―→NO―→NO2―→HNO3

2．常见的环境污染

【同步练习2】硫和氮及其化合物对人类生存和社会发展意义重大，但硫氧化物和氮氧化物造成的环境问题也日益受到关注，下列说法正确的是

A．NO2和SO2均为红棕色且有刺激性气味的气体，是酸雨的主要成因

B．汽车尾气中的主要大气污染物为NO、SO2和PM2.5

C．植物直接吸收利用空气中的NO和NO2作为肥料，实现氮的固定

D．工业废气中的SO2可采用石灰法进行脱除

题组A  基础过关练

1．下列关于自然界中氮循环的说法错误的是

A. 氮肥均含有NH4+

B. 雷电作用固氮中氮元素被氧化

C. 碳、氢、氧三种元素参与了自然界中氮循环

D. 合成氨工业的产品可用于侯氏制碱法制备纯碱

2．下列关于含氮化合物的说法错误的是

A．工业上可使用液氨作制冷剂

B．NO2能导致“光化学烟雾”

C．浓硝酸可用铝槽车运输

D．硫酸铵又称肥田粉，属于硝态氮肥

3．自然界的氮循环如图所示。下列说法中，错误的是

A．工业合成氨属于人工固氮

B．雷电作用下N2与O2发生化学反应

C．在氮循环过程中不涉及氧化还原反应

D．含氮无机物与含氮有机化合物可相互转化

4．下列说法正确的是

A．CO、NO、NO2都是大气污染气体，在空气中都能稳定存在

B．NO可用于某些疾病的治疗

C．NO2通入FeSO4溶液中始终无明显现象

D．常温常压下，NO不能与空气中的氧气直接化合

5．NO在人体内起着多方面的重要生理作用。下列关于NO的说法错误的是

A．NO是具有刺激性气味的红棕色气体

B．NO是汽车尾气的有害成分之一

C．NO常温下遇到O2就化合成NO2

D．NO2与水反应，有NO生成

6．自然界中氮的部分循环过程如图，有关说法正确的是

A．过程①和过程②均属于自然固氮

B．X转化为Y的反应原子利用率为100%

C．N转化为NH3或M均发生氧化还原反应

D．若为硫循环，X在空气中点燃可得Y

7．自然界的氮循环如图所示，下列说法正确的是

A．①中N2与O2反应生成NO2是大气固氮

B．②中合成氨属于人工固氮

C．③中的氮元素被氧化

D．氮循环过程中没有氧元素参加

8．氮元素在海洋中的循环，是整个海洋生态系统的基础和关键．海洋中无机氮的循环过程可用图表示．下列关于海洋氮循环的说法正确的是

A. ①、②均属于固氮反应

B. 海洋中的氮循环起始于氮的氧化

C. 海洋中的反硝化作用一定有氧气的参与

D. 反应④的离子方程式可能为：4NH4++5O2 = 2NO2- +6H++N2O+5H2O

9．氮元素是地球上含量丰富的一种元素,氮单质及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用。请回答下列问题:

(1)请写出工业固氮的化学方程式：　　　                          　。 

(2)下列有关氮元素的说法正确的是　　　　。 

A.氮气因为其化学性质不活泼,可以做保护气,比如充填食品包装,充填电灯泡等

B.医学上常用液氮作冷冻剂,在冷冻麻醉条件下做手术,是利用氮气化学性质的不活泼性

C.氮、磷、钾是植物生长必需的营养元素

D.用NO2与水反应制取硝酸时,水做还原剂

(3)豆科植物种植时不需施加氮肥的原因是                               。

题组B  能力提升练

10．海洋生物参与氮循环过程如图所示（其它含氮物质不参与反应）。下列说法错误的是

A. 以上六种含氮微粒，共呈现了氮的五种价态

B. 反应③和⑤若生成等质量的N2，反应③转移的电子数多

C. 反应③中若N2H4与O2反应，则N2H4作还原剂

D. 反应①~⑤中只有1个非氧化还原反应

11．雾霾含有大量的污染物SO2、NO。工业上变“废”为宝，吸收工业尾气SO2和NO，可获得Na2S2O4和NH4NO3产品的流程图如图(Ce为铈元素)：

下列说法错误的是

A．Na2S2O4中S元素的化合价为＋3

B．装置Ⅱ消耗36 g水生成4NA个H＋(NA代表阿伏加德罗常数的值)

C．装置Ⅲ进行电解，Ce3＋在阴极反应，使Ce4＋得到再生

D．装置Ⅳ获得粗产品NH4NO3的实验操作依次为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤等

12．（1）氮的氧化物是主要的大气污染物，对大气的影响之一是导致酸雨。

用化学方程式表示NO2形成酸雨的原因                                             ，该反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为           。

（2）实验室常用的几种气体发生装置如图A、B、C所示：

①实验室可以用B或C装置制取氨气，如果用C装置，通常使用的药品是______；

②如图1是某学生设计收集氨气的几种装置，其中可行的是______。

（3）某兴趣小组用如图装置制备氨气，并探究氨气的还原性并检验产物。

①实验现象为：黑色CuO变为红色；白色无水CuSO4粉末变为蓝色；同时生成一种无色气体，该气体无污染。请写出氨气与CuO反应的化学方程式                                     。

②该装置中碱石灰的作用是干燥氨气，无水CuSO4检验反应有水的生成，该装置存在明显缺陷，请提出改进意见                                    。

有同学认为：NH3与CuO反应生成的红色物质中可能含有Cu2O。已知：在酸性溶液中

Cu2O+2H+ = Cu+Cu2++2H2O，请你设计一个简单的实验检验该红色物质中是否含有Cu2O______。

13．氮氧化合物（用NOx表示）是大气污染的重要因素，根据NOx的性质特点，开发出多种化学治理氮氧化合物污染的方法。

(1)用氨可将氮氧化物转化为无毒气体。如，4NH3＋6NO5N2＋6H2O，

写出氨气转化NO2的化学方程______________，氧化产物与还原产物的质量之比为________。

(2)工业尾气中氮的氧化物常采用碱液吸收法处理。

①NO2被烧碱溶液吸收时，生成两种钠盐，其物质的量之比为1∶1，写出该反应的化学方程式： _____________________________________________________________________。

②NO与NO2按物质的量之比1∶1被足量NaOH溶液完全吸收后只得到一种钠盐，该钠盐的化学式是__________。

14．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，对含有氮氧化物的废气进行处理。

NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O(ⅰ)

2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O(ⅱ)

(1)用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：

①在反应(ⅰ)中，氧化剂是________。在反应(ⅱ)中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为________。

②由反应(ⅱ)判断二氧化氮是否为酸性氧化物？解释原因___________________。

(2)汽车尾气中含有CO和NO，消除这两种物质对大气的污染的方法是安装催化转化器，使它们发生反应消除污染，试写出该反应的化学方程式__________________________。

(3)目前有一种治理方法是在一定条件下，用氨气将氮氧化物转化为无污染的物质，请写出NO2发生该反应的化学方程式_________________________________________________________。

题组C  培优拔尖练

15．在一定温度和催化剂作用下，NO跟NH3可以发生反应生成N2和H2O。现有NO和NH3的混合物1mol，充分反应后所得产物中，经还原得到的N2比经氧化得到的N2多1.4g。已知反应的化学方程式：4NH3+6NO5N2+6H2O，则下列说法正确的是

A．当转移的电子数约为3.612×1023时，则标况下有4.48L氨气被还原

B．氧化产物和还原产物的物质的量比为3：2

C．若以上反应进行完全，原混合物中NO与NH3的物质的量之比为可能为3：7

D．若有混合物中有0.2molNH3，则参与反应的NO为0.8mol

16．空气中的氮气可通过人工固氮获得氨气，氨气是重要的化工原料，通过氨氧化法去可制得硝酸，反应过程如图：

N2NH3NONO2HNO3

硝酸是一种强氧化性酸，制硝酸工业产生的尾气中含有氮氧化物，应处理后才能排放。下列说法不正确的是

A．常温下，浓硝酸可盛放在铝制或铁制容器中

B．BaSO3固体能溶于稀硝酸，生成Ba(NO3)2，放出SO2气体

C．工业上，当转化①的反应达到平衡时，需不断地从混合气体中分离出NH3，将未反应的原料气送回合成塔以提高原料的利用率

D．转化④中，当V(NO2)：V(O2)=4：1时，理论上NO2全部转化为HNO3

17．硝酸铵是一种常用的化肥，其工业生产流程如下图。请回答下列问题。

(1)写出反应容器B中发生反应的化学方程式：_______________________________________________。

(2)吸收塔C中通入空气的目的是________________________；C、D两个反应容器中发生的反应，属于氧化还原反应的是________(填反应容器代号)。

(3)浓硝酸一般保存在棕色试剂瓶里，并放置在阴凉处，用化学方程式解释原因：_____________________。

(4)金属铜与稀硝酸反应的离子方程式是______________________，该反应中稀硝酸表现的性质是________________。

18．含氮化合物的处理对环境保护意义重大。

(1)用H2或CO催化还原NO均能达到消除污染的目的，反应的氧化产物为_______。

(2)实验室常用NaOH溶液吸收NOx(NO和NO2的混合气体)，反应的化学方程式如下：(已知NO不能与NaOH溶液反应，不考虑NO2与N2O4的转化)

NO+NO2+2NaOH=2NaNO2+H2O

2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O

①若NOx能被NaOH溶液完全吸收，则x的取值范围为_______

②若nmolNaOH恰好完全反应，则被吸收的NOx的体积为_____L(标准状况)。

(3)用V2O5作催化剂，NH3将NO还原成N2的一种反应历程如图-1所示，则总反应方程式为_____。

(4)一种将氨氮(NH4+ )废水中的氮元素转变为N2脱除的机理如下：

已知：氧气浓度越高，厌氧氨氧化菌活性越低。

①参与I中反应的n(NH4+)：n(O2)=_______

②废水溶解氧浓度(DO)对氮的脱除率的影响如图-2所示。当1mg/L＜DO＜2mg/L时，随着DO的增大氮的脱除率下降，其原因可能是_______________________________________________________。