化学必修 第一册第3章 物质的性质与转化第3节 氮的循环学案

自然界中的氮循环　氮气与氮氧化物

一、自然界中的氮循环

1．氮元素在自然界中的存在形式：游离态和化合态。

2．自然界中氮的循环

3．人类活动的影响

(1)氮气氨气→氮肥、硝酸等含氮化合物。

(2)燃烧反应产生的氮氧化物参与氮的循环。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)自然界中氮的存在形式多种多样，除N2、NH3、NOx、铵盐、硝酸盐等无机物外，还能以蛋白质等有机物的形式存在。              (　　)

(2)氮的循环中氮元素可被氧化，也可被还原。 (　　)

(3)氮循环中含氮物质有多种形式的转化，有的对人类生产生活有益，有的则产生了负面作用。 (　　)

[答案]　(1)√　(2)√　(3)√

二、氮的固定、氮气

1．氮的固定

(1)含义：将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。

(2)分类

2．氮气

(1)物理性质

(2)化学性质

①稳定性

在通常状况下，氮气的化学性质不活泼，很难与其他物质发生反应。

②还原性

a．实验探究：

b.结论：在放电条件下，N2与O2反应生成NO，NO立即被氧化为NO2，化学方程式为N2＋O22NO、2NO＋O2===2NO2。

③氧化性

N2和H2反应生成NH3，化学方程式：。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)豆科植物的根瘤菌固氮属于自然固氮中的高能固氮 (　　)

(2)工业上将NH3转化为其他铵态化肥属于人工固氮 (　　)

(3)N2和O2在放电条件下会生成NO2 (　　)

(4)N2中N元素价态为0价，处于中间价态，因此既有氧化性，又有还原性 (　　)

[答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√

三、氮氧化物

1．物理性质

2．化学性质

(1)实验探究：

(2)结论：在一定条件下，NO与NO2可以相互转化，反应的化学方程式为

①NO―→NO2：2NO＋O2===2NO2；

②NO2―→NO：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。

3．其他性质

(1)NO

①结合血红蛋白的能力比CO还强，更容易造成人体缺氧；

②一种传递神经信息的“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。

(2)NO2

①能使多种织物褪色，损坏多种织物和尼龙制品；

②对金属和非金属材料也有腐蚀作用。

　某山谷经常电闪雷鸣、雷雨交加，但树木、灌木、花草等植被非常茂密，很少有人敢进入这个山谷。

你能解释该山谷的植被茂密的原因吗？

[提示]　植物生长需要氮肥，N2在雷电的作用下发生一系列变化：

N2＋O22NO

2NO＋O2===2NO2

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

HNO3与土壤成分反应，产生硝酸盐，被植物吸收，所以经常有雷电的地方，植被生长的茂盛。

[问题1]　氮气为什么可以用作保护气？

[提示]　因为氮气的化学性质稳定，在通常情况下，氮气不容易与其他物质反应，也不会和食物反应而使之变质。氮气本身无毒无害，不会直接对人体产生伤害。

[问题2]　实验室可以通过向下排空气法收集氮气吗？

[提示]　不能。由于氮气的密度与空气的接近，所以既不能用向上排空气法也不能用向下排空气法收集，应用排水法收集。

[问题3]　在化学反应中氮气只作氧化剂吗？

[提示]　不是。氮气是非金属单质，在化学反应中既可以作氧化剂也可以作还原剂，如与H2、Mg反应时N2作氧化剂，与O2反应时N2作还原剂。

氮气的性质及工业制法

1．氮气的密度与空气的接近，只能用排水法收集。

2．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：，该反应是工业合成氨的原理。

(2)氮气与氧气反应：N2＋O22NO。

(3)氮气与镁反应：3Mg＋N2Mg3N2。

3．工业制法：空气中含有大量的氮气，空气是工业制氮气的主要来源，生产方法主要是分离液态空气，并制得液态氧。

氮元素的存在状态与氮的固定

1．下列关于氮气性质的说法中，错误的是(　　)

A．通常情况下，氮气性质很不活泼

B．可在氧气中燃烧，生成一氧化氮

C．通常情况下，氮气在水中的溶解度很小

D．跟氢气在一定条件下发生反应时，氮气是氧化剂

B　[N2不能在O2中燃烧，与O2在放电条件下反应生成NO，B错；氮气与氢气反应时，氮元素的化合价降低，氮气作氧化剂，D对。]

2．下列关于N2的说法中错误的是(　　)

A．通常情况下N2的化学性质很稳定，所以N2可在电焊时作保护气

B．N2＋O22NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要原因之一

C．N2在空气中约占空气总质量的

D．在反应3Mg＋N2Mg3N2中，N2作氧化剂

C　[N2在空气中约占空气总体积的，C项错误。]

3．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

B　[氮的固定是指将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。]

为有效实现NO和NO2的相互转化，设计如下实验：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。

[问题1]　打开止水夹，推动针筒活塞，使O2进入烧瓶。关上止水夹，观察到什么现象？原因是什么？

[提示]　烧瓶中气体由无色变为红棕色，因为发生反应：2NO＋O2===2NO2

[问题2]　然后轻轻摇动烧瓶，烧瓶中观察到什么现象？产生此现象的原因是什么？

[提示]　轻轻摇动烧瓶，使得NO2与水发生反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，所以烧瓶中红棕色气体又变为无色，因为烧瓶内气体的量减少，引起烧瓶内气体的压强降低，所以烧杯内的水会倒吸入烧瓶中，使烧瓶中液面上升。

[问题3]　若最后烧瓶中充满了水，则原烧瓶中NO与通入氧气的体积之比为多少(同温同压下)？用化学方程式说明。

[提示]　发生的反应为①2NO＋O2===2NO2，②3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，①×3＋②×2可得方程式：

4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，当NO与氧气的体积之比为4∶3时，完全溶于水。

氮的氧化物的性质及有关计算

1．NO和NO2性质的对比

2．氮的氧化物溶于水的计算

2NO＋O2===2NO2 ①

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ②

由①＋②×2　得4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，

当体积比V(NO2)∶V(O2)

由①×3＋②×2　得4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，

当体积比V(NO)∶V(O2)

NO、NO2均不属于酸性氧化物。酸性氧化物是能够与碱反应生成盐和水的氧化物，而且生成的盐是该氧化物同价态的含氧酸所对应的盐。NO不能与碱反应，NO2与NaOH溶液的反应为2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O。但由于生成的不是相应的盐，因此二氧化氮也不是酸性氧化物。

【例题】　将10 mL充满NO2和O2的混合气体的试管，倒置于水槽中，反应停止后试管内剩余2 mL的无色气体，求原混合气体中NO2和O2各多少毫升？

[解析]　剩余2 mL气体可能是NO或O2，分两种情况讨论：(1)若剩余的是NO，可以看成先发生了反应：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3。剩余的NO2又与水作用，最终有2 mL NO产生。由反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO知，剩余的NO2的体积为2 mL×3＝6 mL。则原有O2的体积为(10 mL－6 mL)×＝0.8 mL，NO2的体积为10 mL－0.8 mL＝9.2 mL。

(2)若剩余的是O2，则有10 mL－2 mL＝8 mL NO2和O2的混合气体按反应4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3进行。所以NO2的体积为8 mL×＝6.4 mL，O2的体积为10 mL－6.4 mL＝3.6 mL。

[答案]　若剩余的气体是NO，则NO2和O2的体积分别为9.2 mL和0.8 mL；若剩余的气体是O2，则NO2和O2的体积分别为6.4 mL和3.6 mL。

【变式旁通】　若将例题中“NO2”改为“NO”，则混合气体中NO和O2各多少毫升？写出计算过程。

[提示]　设参加反应的NO的体积为x，则

4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3

4      3

x      x

x＋x＝8 mL⇒x＝ mL；

若NO不足，则V(O2)＝10 mL－ mL＝ mL；

若O2不足，则V(NO)＝10 mL－× mL＝ mL。

故剩余O2时，NO和O2的体积分别为 mL和 mL；

剩余NO时，NO和O2的体积分别为 mL和 mL。

1．在NO2与水的反应中(　　)

A．氮元素的化合价不发生变化

B．NO2只是氧化剂

C．NO2只是还原剂

D．NO2既是氧化剂又是还原剂

D　[，故NO2既是氧化剂又是还原剂。]

2．把少量NO2气体通入过量小苏打溶液中，再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠颗粒的干燥管，最后收集到的气体是(　　)

A．氧气　　　 B．二氧化氮

C．二氧化氮和氧气   D．二氧化氮和一氧化氮

C　[少量NO2气体通入过量小苏打溶液中，逸出的气体为NO、CO2，二者物质的量之比为1∶2，同时还有少量水蒸气逸出，再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠颗粒的干燥管，CO2与过氧化钠反应生成的O2与NO反应生成NO2，O2有剩余，同时逸出的少量水蒸气与过氧化钠反应生成O2，所以最后收集到的气体是NO2和O2。]

1．下列说法不正确的是(　　)

A．豆科植物通过根瘤菌吸收空气中的氮是化学变化

B．汽车尾气中的氮氧化物是由游离态氮转化来的

C．化石燃料燃烧通常不释放出氮氧化物

D．植物秸秆燃烧时产生氮氧化物，参与了氮的循环

C　[氮的固定是将游离态的氮转变成含氮化合物的过程，是化学变化；汽车尾气中的氮氧化物是由氮气和氧气反应生成的；化石燃料中含有氮元素，燃烧时会释放出氮氧化物；植物秸秆燃烧时产生氮氧化物，参与了氮的循环。]

2．下列关于N2的叙述错误的是(　　)

A．N2既可作氧化剂又可作还原剂

B．在雷雨天，空气中的N2和O2可反应生成NO

C．氮的固定是将N2转化成含氮的化合物

D．1 mol N2可与3 mol H2完全反应生成2 mol NH3

D　[工业合成氨反应为可逆反应。]

3．下列对NO、NO2的描述中正确的是(　　)

A．NO是酸性氧化物

B．NO2可用排水法收集，且可由N2和O2直接化合而得到

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．一氧化氮在反应中只能作还原剂

C　[NO不与碱反应，不是酸性氧化物，故A项错误；NO2与水反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，N2与O2在放电的条件下反应生成NO，故B项错误；NO与O2发生反应：2NO＋O2===2NO2，NO2与H2O反应生成NO，光化学烟雾主要是由NOx引起的，故C项正确；NO中氮的化合价为＋2价，既可升高又可降低，既可作氧化剂又可作还原剂，故D项错误。]

4．对3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反应，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

A　[氧化剂、还原剂均为NO2，HNO3为氧化产物，来源于还原剂，NO为还原产物，来源于氧化剂，故氧化剂、还原剂的质量比为1∶2。]

5．目前，汽车尾气已成为许多大城市空气的主要污染源之一。汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物。

(1)汽车燃料中一般不含氮，尾气中所含的NO产生的原因是_______________________________________________________________，化学方程式为_________________________________________。

(2)治理汽车尾气中NO和CO的一种方法是：在汽车的排气管上装上一个催化转化装置，使NO和CO反应，生成CO2和N2，反应的化学方程式为_______________________________________________________________。

(3)下列措施中，能减少或控制汽车尾气污染有效且可行的是________。

①制定严格的尾气排放标准，并严格执行。

②开发清洁能源，如氢能汽车、太阳能汽车等。

③市民出行戴防毒面具。

④市民大量移居城市郊区。

[解析]　(1)空气中的N2和O2在电火花作用下或在内燃机燃烧产生的高温条件下反应产生NO，化学方程式为N2＋O22NO。

(2)NO和CO反应生成CO2和N2，化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。

(3)①有利于减少污染；②有利于减少污染；③不现实，是污染后再防护的做法，不可取；④不现实，大量移居成本较高，不可取。

[答案]　(1)空气中的N2和O2在电火花作用下或在内燃机燃烧产生的高温条件下反应产生NO　N2＋O22NO　(2)2NO＋2CON2＋2CO2　(3)①②