人教版 (2019)第五章 化工生产中的重要非金属元素第二节 氮及其化合物公开课教案

这是一份人教版 (2019)第五章 化工生产中的重要非金属元素第二节 氮及其化合物公开课教案，共15页。教案主要包含了课后巩固等内容，欢迎下载使用。
第一课时 氮气与氮的固定 一氧化氮和二氧化氮
课题： 5.2.1 氮气及氮的固定 一氧化氮和二氧化氮
课时
1
授课年级
高一
课标要求
结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。结合实例认识金属、非金属及其化合物的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
教材
分析
本节是人教版（2019版）必修第二册第五章第二节氮及其化合物的内容。本节内容主要包括：氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮、氨和铵盐、硝酸、酸雨及其防治。教材编排思路与上一节相似，首先介绍氮元素在元素周期表中的位置、氮的原子结构知识，应用前一节掌握的研究非金属单质性质的基本思路预测氮的化学性质，渗透条件对化学反应的影响，引出自然界中氮循环及氮的固定对人类生存的重要意义。之后，根据物质类别研究氮的化合物，包括一氧化氮、二氧化氮、硝酸、氨和铵盐的化学性质。以工业合成氨、工业制硝酸的生产原理为载体，应用氧化还原反应原理，设计含氮化合物的转化，使学生认识到从一种原料转化成多种产品，路径之一是通过氧化还原反应改变主要元素的化合价，提升“变化观念”等学科核心素养。教材设置铵根离子的检验、实验室制取氨的实验活动，让学生根据氨、铵根离子的性质和反应，选择合适的试剂，设计检验或者制取物质的方案，提升其科学探究的能力。最后，教材编入“酸雨及其防治”内容以及“测定雨水的pH”的研究与实践活动，综合运用硫和氮及其化合物的相关知识，寻求证据参与社会性议题的讨论，分析硫酸工业、合成氨工业对社会发展的价值和对环境的影响，有意识地渗透资源合理利用和环境保护的意识。
本节教学情景素材非常丰富，如：“雷雨发庄稼”；氮的循环与氮的固定；工业合成氨、工业制硫酸（或硝酸）；氮肥的生产与合理使用；氯气、氨气等泄漏的处理；酸雨的成因与防治；汽车尾气的处理等。教学内容共安排三个课时：第一课时为氮气与氮的固定，一氧化氮和二氧化氮，第二课时为氨和铵盐，第三课时为硝酸和酸雨及防治。
本课时为第一课时的内容，主要包括：氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮。关于氮气与氮的固定，介绍了氮气的化学性质稳定的原因和氮气在一定条件下能发生的反应，介绍了什么叫氮的固定，自然界怎样实现固氮，人类怎样实现人工固氮，由此介绍自然界中氮的循环，同时，利用“科学史话”栏目介绍了合成氨。
氮的氧化物，教材主要介绍一氧化氮和二氧化氮两种气体的物理性质、化学性质，物理性质中强调其毒性，说明都是大气污染物，化学性质介绍了一氧化氮与氧气的反应和二氧化氮与水的反应，通过实验5-5，介绍二氧化氮溶于水的反应，但实验步骤中注射器内先充入的是一氧化氮气体和水，再快速吸入空气，让学生结合实验现象和“思考于讨论”教学思考，讨论工业制硝酸的方法。
教学目标
1.通过阅读思考、讨论交流，了解氮气分子的结构、化学性质，熟悉自然界中氮的固定方式和人工固氮的常用方法，了解氮的固定的重要意义，体会性质决定用途的核心理念。
2.通过实验探究、原理分析，从氮的氧化物的类别及氮的化合价的角度了解一氧化氮和二氧化氮的主要性质、用途及相互转化关系，结合真实情境中的应用实例，熟知氮的氧化物溶于水的反应特点，感受化学变化的奇妙。
教学重、难点
重点：氮气、一氧化氮、二氧化氮的化学性质
难点：NOx溶于水的计算
核心素养
宏观辨识与微观探析：根据氮的原子结构知识，应用前一节掌握的研究非金属单质性质的基本思路预测氮的化学性质，加强学生能从物质的微观层面理解其组成、结构和性质的联系，形成“结构决定性质，性质决定应用”的观念。
科学态度与社会责任：渗透条件对化学反应的影响，认识氮的固定对人类生存的重要意义。深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，能运用已有知识和方法综合分析化学过程对自然可能带来的各种影响，权衡利弊勇于承担责任，积极参与有关化学问题的社会决策。
科学探究与创新意识：通过对喷泉实验原理、实验室制备氨气的探讨培养学生科学探究与实验创新的化学核心素养，理解氨的喷泉实验原理，体会性质决定用途的核心观念。
学情分析
学生已学习了硫及其化合物的主要性质及转化，知道学习非金属元素及其化合物的基本思路和方法，但对氮的氧化物某些性质的原理分析及有关计算可能存在困难，教学时可根据学情，结合实例适当进行拓展和延伸。
教学过程
教学环节
教学活动
设计意图
环节一、
情景导入
生活情境
【回顾1】从元素化合价视角，简述硫元素常见化合价及对应的含硫物质有哪些？
【学生】展示交流：硫元素常见化合价及对应物质有：-2（H2S）、0（S）、+2（Na2S2O3）、+4（SO2、H2SO3等）、+6（SO3、H2SO4等）。
【回顾2】硫元素的几种化合物及其单质存在下列转化关系(反应条件省略)，请写出相应转化的化学方程式。
浓H2SO4SO2Na2SO3Na2S2O3S
【学生】板书：①Cu＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5( ))CuSO4＋SO2↑＋2H2O，
② SO2＋2NaOH===Na2SO3＋H2O
③Na2SO3+S=Na2S2O3
④Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+S↓+SO2↑+H2O，
【教师】引导、评价。
【预习1】常温下,氮气化学性质稳定的原因是什么？但在一定条件下可以与一些金属和非金属发生反应，请举例说明。
【学生1】在通常情况下，氮气化学性质稳定的原因是氮氮三键(N≡N)的键能大。
【学生2】在一定条件下，氮气可与O2、H2、Mg等反应。
【教师】引导、板书：N2+O2eq \(=======,\s\up7(放电或高温))2NO、N2＋3H22NH3、3Mg＋N2eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5( ))Mg3N2。
【预习2】简述工业上利用氮的氧化物制取硝酸的原理及注意事项？
【学生】工业上就是利用3NO2十H2O=2HNO3＋NO这一原理制取HNO3，为了提高NO2的吸收率，在吸收的过程中要补充适量的O2，所以总的吸收反应可表示为：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3。NO与O2配比适当时，也可以被水完全吸收。总的吸收反应可表示为：4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3。
【导入】在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。在雷电的环境下，大自然中的一氧化氮或微生物生命活动放出二氧化氮。产生的二氧化氮与水反应生成硝酸，硝酸可以供制氮肥。观看视频“雷雨发庄稼”。（视频见PPT）

回顾旧知，预习新知，创设生活真实情境，激发学习兴趣和探究的欲望。
环节二、
氧氮气与氮的固定
活动一、氮元素的存在及氮的固定
【过渡】初中化学的学习中，我们知道氮气约占空气体积的4/5，化学性质很稳定，通常情况下难以与其他物质发生化学反应。
【问题1】阅读教材P11页第一自然段，结合视频素材，回答氮元素在自然界的存在方式是什么？
【学生1】在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。
【学生2】氮元素在自然界中有两种存在形态：游离态【主要以氮气分子的形式存在于空气中，约占78%（体积分数）】和化合态（存在于动植物体内的蛋白质中，土壤、海洋的硝酸盐和铵盐中）。
【教师】评价、肯定。
【问题2】阅读教材P11页第二自然段内容，思考什么是氮的固定？氮的固定有哪些方法？
【学生1】氮的固定是指将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。
【学生2】氮的固定分自然固氮和人工固氮两种。自然固氮是大自然通过闪电释放能量将氮气转化为含氮的化合物（高能固氮），或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化为氨（生物固氮）。通过人工方法将游离态氮转化为化合态氮的过程叫人工固氮，如工业合成氨等。
【学生3】氮的固定必须为将游离态的N2转化为化合态含氮物质的过程，为氧化还原反应。
【教师】评价、投影：自然中的氮循环如下图所示：
【对应训练1】下列关于氮元素说法中，不正确的是（ ）
A．工业上氢气和氮气合成氨属于人工固氮
B．闪电时，大气中氮的氧化物的生成属于氮的固定
C．氮元素在自然界有游离态和化合态
D．非金属单质氮气在化学反应中只能作氧化剂
【答案】D
【解析】A．氮的固定是指游离态氮转化为化合态氮的过程，工业上氢气和氮气合成氨属于人工固氮，故A正确；B．闪电时，大气中氮气转化为氮的氧化物属于氮的固定，故B正确；C．氮元素在自然界有游离态(氮气)和化合态(铵态氮和硝态氮等)，故C正确；D．非金属单质氮气在化学反应中能作氧化剂，也能作还原剂，如氮气与氧气反应中，氮气作还原剂，故D错误；故选D。
【对应训练2】氮是动植物生长不可缺少的元素，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＋O2eq \(=====,\s\up7(放电))2NO
B．过程③“固氮作用”中，氮气被还原
C．⑤中涉及的反应可能有2NOeq \\al(－,2)＋O2===2NOeq \\al(－,3)
D．⑥中涉及的反应可能有2NOeq \\al(－,3)＋12H＋===N2↑＋6H2O
【答案】D
【解析】过程①“雷电作用”中氮气与氧气化合生成NO，即发生的反应是N2＋O2eq \(=====,\s\up7(放电))2NO，A正确；过程③“固氮作用”中氮元素化合价降低，氮气被还原，B正确；⑤中NOeq \\al(－,2)被氧化为NOeq \\al(－,3)，涉及的反应可能有2NOeq \\al(－,2)＋O2===2NOeq \\al(－,3)，C正确；⑥中氮元素化合价降低，NOeq \\al(－,3)被还原，涉及的反应不可能为2NOeq \\al(－,3)＋12H＋===N2↑＋6H2O，因为此反应中只有元素化合价降低，没有元素化合价升高，且电荷不守恒，故D错误。
回归教材，了解氮元素在自然界的存在，激发学习兴趣。
关注与化学有关的社会热点问题，认识环境保护和资源合理开发的重要性，具有可持续发展 意识和绿色化学观念。
。
检测与评价，发现问题，调控课堂，提高效率。
活动二、氮气的结构与性质
【过渡】结构决定性质，性质反映结构，性质决定用途。那么氮气的性质很稳定，其原因时什么呢？
【问题1】讨论：根据氮元素在周期表中的位置，推测氮气的结构及性质有何特点？
【学生1】氮元素位于元素周期表的第二周期第ⅤA族，氮原子最外层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。氮原子一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。
【学生2】氮分子的电子式为，分子内两个氮原子间以共价三键(N≡N)结合，断开该化学键需要较多的能量，所以氮气的化学性质很稳定，通常情况下很难与其他物质发生化学反应。
【教师】评价、肯定。
【问题2】阅读教材P11-12页内容，结合教材P12页“科学史话”栏目，思考氮气具有哪些重要的性质？
【学生1】物理性质：氮气是无色、无味、难溶于水，密度（1.25g/L)与空气相近，熔点-210℃，沸点-196℃，约占空气体积的4/5。
【教师】评价、追问：根据氮气的分子结构，推测氮气可能具有哪些化学性质？
【学生1】通常情况下，氮气较稳定，与其他物质不反应；但在放电或高温下，能与氧气反应生成NO。
【学生2】交流并板书：N2＋O2eq \(=======,\s\up7(放电或高温))2NO，N2体现还原性。
【学生2】板书：3Mg + N2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) Mg3N2 ,N2体现氧化性。
【学生4】板书：N2+3H22NH3，N2体现氧化性（工业上合成氨）。
【教师】评价、强调1：氮气性质的“一惰性、两反应”。氮气化学性质很稳定，通常状况下，很难与其他物质反应，但是在一定条件下，也能与氢气、氧气等反应。
【教师】强调2：氮元素是多价态元素，氮气中氮元素呈0价，处于中间价态，故氮气既有氧化性(与H2等反应)，又有还原性(与O2等反应)。
【教师】追问：根据氮气的性质，回答氮气有哪些用途？
【学生】用途：氮气常用作保护气，如焊接金属、填充灯泡、保存食品等；氮气是合成氨、制硝酸的重要原料；液氮可用作制冷剂，应用于医学、科技等领域。
【对应训练1】下列叙述错误的是（ ）
A．氮元素位于元素周期表的第二周期，第VA族
B．氮元素主要以氮分子的形式存在自然界中
C．氮元素最外层有5个电子
D．氮分子中的两个氮原子通过离子键结合
【答案】D
【解析】A．氮原子核外电子数为7，核外K、L层依次排有2、5个电子，氮元素位于元素周期表的第二周期、第VA族，A项正确；B．在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中，B项正确；C．氮原子核外电子数为7，核外K、L层依次排有2、5个电子，即最外层有5个电子，C项正确；D．氮分子中两个氮原子间以共价三键(N≡N)结合，D项错误；答案选D。
【对应训练2】下列关于N2的说法中错误的是（ ）
A．豆科植物的根瘤菌将N2转换为氮的化合物不属于氮的固定
B．N2 + O2 =2NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要原因之一
C．N2在空气中约占空气总体积的78%
D．在反应：3Mg + N2 =Mg3N2中N2作氧化剂
【答案】A
【解析】A．豆科植物的根瘤菌将空气中的氮转化为化合态的氮，N是游离态氮元素变化为化合态，A错误；B．汽车中的火花塞在打火过程中能引发氮气和氧气反应生成NO，产生的NO会导致空气污染，B正确；C．氧气约占空气体积的21%，氮气约占空气体积的78%，C正确；D．在反应：3Mg + N2 =Mg3N2中，氮由0价变为-3价，氮气是氧化剂，D正确；故选A。
从物质的微观层面理解其组成、结构和性质的联系，形成“结构决定性质，性质决定应用”的观念。
明确氮气在特定条件下可于某些物质发生化学反应。
检测与评价，发现问题，调控课堂，提高效率。
环节三、
一氧化氮和二氧化氮
活活动一、一氧化氮和二氧化氮的性质
【过渡】根据氮元素在周期表中的位置及原子结构特点可知，氮元素有多种价态，可以形成多种氧化物。
【问题1】结合氮原子的结构及氮元素化合价特点，思考氮元素形成氧化物的类型有哪些？
【学生1】NO2
N2O4
氮元素的化合价有-3、0、+1、+2、+3、+4、+5价，因此可形成的氧化物有N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5。
【学生2】N2O俗称笑气，具有麻醉作用，在氮的多种氧化物中只有N2O3和N2O5是酸性氧化物（酸酐），分别对应亚硝酸（HNO2）和硝酸（HNO3）。
【学生3】常温常压，所有氮的氧化物均为有毒气体。
【教师】评价、强调：氮元素的含氧酸有HNO3和HNO2两种，对应的酸性氧化物（酸酐）分别为N2O5和N2O3，其它氮的氧化物均不是酸性氧化物。
【问题2】讨论：阅读教材P13页内容，完成教材P13页【实验5-5】（观看实验视频），思考一氧化氮和二氧化氮具有哪些重要的性质？
【教师】演示【实验5-5】，投影表格。
【学生1】观察实验现象，完成表格内容，展示交流：
实验
装置
实验
操作
在一支50 mL的注射器里充入20mLNO，然后吸入5mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器，观察现象。
打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹，观察现象，然后振荡注射器，再观察现象。
现象
无明显现象
振荡前：无色气体变红棕色
振荡后：红棕色变为无色
【学生2】NO为无色无味的有毒气体，难溶于水，常温下，NO不稳定，具有还原性，易被氧化：2NO＋O2===2NO2。故只能用排水法收集。
【学生3】NO2为红棕色、有刺激性气味的气体，有毒，溶于水时与水发生歧化反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。故只能用向上排空气法收集。
【教师】评价、强调：NO2虽不是酸性氧化物，但能与NaOH溶液发生氧化还原反应，请写出有关反应方程式。
【学生4】板书：2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O。
【教师】强调：NO和NO2都不是酸性氧化物，NO与碱、酸都不能反应生成盐和水，属于不成盐氧化物；NO2与碱溶液发生氧化还原反应生成两种盐，也不属于酸性氧化物。
【对应练习1】最新的病毒学研究证实，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
【答案】C
【解析】NO是一种无色难溶于水的气体，可以用排水法收集；常温常压下，NO容易与氧气直接化合生成NO2。
【对应练习2】下列有关NO2的说法中正确的是( )
A．NO2能与水反应生成硝酸，在反应中NO2只是还原剂
B．除去O2中混有的NO2，可将混合气体通过水，将NO2溶解
C．NO2与溴蒸气的鉴别可用NaOH溶液，溶于NaOH溶液得无色溶液的是NO2，得橙色溶液的为溴蒸气
D．在NO2与水的反应中氧化剂与还原剂的质量之比为1∶2
【答案】D
【解析】除去O2中混有的NO2，将混合气体通过水，NO2溶解的同时又生成新的杂质NO，且NO又能与O2反应，故B项错误；NO2、溴蒸气分别与NaOH溶液反应均得无色溶液，所以NaOH溶液无法鉴别NO2与溴蒸气，故C项错误。
从化合价视角，初步了解氮的氧化物及部分性质。
通过对观察记录的实验信息进行加工并获得结论；通过交流实验探究的成果，提出进 一步探究或改进实验的设想；培养尊重事实和证据、独立思考、敢于质疑和批判的创新精神。
检测与评价，发现问题，调控课堂，提高效率。
活
活活动二、探究一氧化氮和二氧化氮与水的反应及计算
【过渡】上述实验中，如果将注射器中的NO充分转化，可以采取什么措施？下面我们来进一步探究氮的氧化物与水的反应特点。
【问题1】探究：联系NO2、NO的性质，若将充满NO2、NO的试管分别倒置于水槽中（如下图），并通过导管通入少量的氧气有何现象？并分析其原理。
【学生1】图1中红棕色气体逐渐变为无色，试管内液面上升，持续通入适量O2，试管内可充满水。当V(NO2)∶V(O2)＝4∶1时，NO2完全转化成HNO3。
【学生2】图2无色气体先变成红棕色，后逐渐变为无色，试管内液面上升，持续通入适量O2，试管内可充满水。当V(NO)∶V(O2)＝4∶3时，NO完全转化成HNO3。
【教师】评价、强调：利用此原理可以将NO、NO2全部转化为硝酸。
【问题2】拓展探究：结合教材P13页“思考与讨论”，思考氮的氧化物溶于水的相关原理是什么？对工业上生产硝酸有什么启示？
【教师】引导、板书：氮的氧化物溶于水的相关原理：
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
【教师】追问：NO2气体溶于水时仅涉及反应①：剩余气体是什么？
【学生】剩余气体为NO。
【教师】投影表格、强调：NO2和O2的混合气体溶于水时涉及反应③，且存在下列几种情况，请完成表格内容。
【学生】完成表格内容，展示交流：
x＝V(NO2)/V(O2)
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