2023_2024学年新教材高中化学第3章物质的性质与转化第3节氮的循环第1课时氮气与氮的氧化物学生用书鲁科版必修第一册

第1课时　氮气与氮的氧化物

学业要求

1．通过自然界中的氮循环，了解氮循环的基本过程，能例举自然固氮与人工固氮的过程，知道人工固氮对社会发展的重要意义，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。

2．认识氮循环过程中重要的含有氮元素的物质，能够对含有氮元素的物质进行分类，形成宏观辨识与微观探析的化学核心素养。

3．认识氮气、一氧化氮、二氧化氮的物理性质、化学性质以及典型的实验现象，能书写主要反应的化学方程式，知道它们的主要应用；建立从物质类别、元素价态角度研究物质性质和实现含有氮元素的物质之间转化的思路和方法，培养科学探究与创新意识。

知识网络

学业基础——自学·思记·尝试

一、自然界中的氮循环、氮气

1．自然界中的氮循环

(1)自然循环

(2)人类活动的影响

①通过化学方法把空气中的氮气转化成________，再转化成其他含氮化合物(如________、________等)。

②燃烧反应产生的____________参与氮的循环。

2．氮的固定

(1)含义：将空气中________的氮转化为__________的过程。

(2)分类

3．氮气

(1)物理性质

(2)化学性质

通常状况下，氮气的化学性质________，很难与其他物质发生反应。

①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

________________________________________________________________________、

________________________________________________________________________。

注意：N2和O2反应的最初产物是NO，而不是NO2。

②氧化性

N2和H2反应生成NH3，化学方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

Mg在N2中燃烧反应生成Mg3N2，化学方程式：N2＋3MgMg3N2。

(3)氮气的主要用途

①氮气常用作保护气，用于焊接金属、填充灯泡、保存食品等。

②氮气是合成氨、制硝酸的主要原料。

③液氮可用作制冷剂，用于医学、科技等领域。

[即学即练]

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)N2的性质非常稳定，因此可以作为很多物质的保护气(　　)

(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(　　)

(5)N2的密度比空气小，可以通过向下排空气法收集干燥的N2(　　)

(6)工业上利用合成氨实现人工固氮涉及氧化还原反应(　　)

2．下列过程不属于固氮的是    (　　)

A.雷电时生成氮的氧化物

B.工业上用氢气与氮气合成氨

C.植物的根从土壤中吸收铵根离子和硝酸盐

D.豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为硝酸盐

3．下列关于N2的说法错误的是    (　　)

A.通常情况下N2性质很稳定，所以N2可在电焊时做保护气

B.反应N2＋O22NO是汽车尾气造成污染的主要原因之一

C.N2的质量约占空气总质量的

D.在反应3Mg＋N2Mg3N2中，N2做氧化剂

4．为提高农作物产量，现代农业生产中需要大量含氮化合物做肥料。

(1)下列固氮方法中，属于人工固氮的是________(填字母)。

A.合成氨       B．闪电固氮

C.根瘤菌固氮      D．仿生固氮

E.用氨气合成尿素

(2)植物的根瘤菌能把空气中的氮气转化为氨，被植物吸收，这种过程被称为氮的固定。此过程可简单地用化学方程式表示为

________N2＋________C＋________H2O________NH3＋________CO2

①配平以上化学方程式，并用单线桥表示电子转移的方向和数目。

②上述反应中的还原剂是________________(填化学式，下同)，还原产物是________。若转移3 mol电子则会生成NH3________mol。

③闪电固氮反应的化学方程式是____________________________________________

________________________________________________________________________，

氮气表现________(填“氧化”或“还原”)性。

④合成氨的化学方程式是__________________________________________________

________________________________________________________________________，

氮气表现________(填“氧化”或“还原”)性。

二、氮的氧化物

1．氮的氧化物的种类

2.NO和NO2

(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和NO2可以相互转化。

a.NO→NO2：______________________________________________(NO表现________)。

b.NO2→NO：______________________________(NO2既表现________，又表现________)。

(3)NO、NO2的其他性质

[即学即练]

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)NO的密度比空气大，可以用向上排空气法收集NO(　　)

(2)氮的氧化物都是大气污染物，而且在一定条件下可相互转化(　　)

(3)NO2可用排水法收集，且可由NO和O2化合得到(　　)

(4)NO2和NaOH可发生反应：2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，故NO2为酸性氧化物(　　)

(5)可用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2和Br2(　　)

(6)在实验室里，NO和NO2均可用排水法收集    (　　)

(7)NO能够与人体里血红蛋白结合，造成人体缺氧中毒(　　)

(8)汽车尾气中有NOx，主要是汽油不充分燃烧引起的    (　　)

2．NO2可以用氢氧化钠溶液吸收或在一定条件下与氨气反应转化为无污染的物质，发生反应的化学方程式分别是2NO2＋2NaOH===M＋NaNO3＋H2O，8NH3＋6NO2===7X＋12H2O。则M、X代表的物质的化学式分别是    (　　)

A.NaNO2、N2 B．HNO2、N2

C.NO、HNO3 D．HNO3、N2

3．四支容积相同的试管中分别充满NO、SO2、NO2、Cl2中的一种，把它们分别倒立于盛有水的水槽中，充分放置后的现象如下图所示。其中原试管充满NO2的是    (　　)

4．依据下图中氮元素及其化合物间的转化关系，判断下列说法不正确的是    (　　)

A.X是N2O5

B.可用排空气法收集NO

C.工业上以NH3、空气、水为原料生产硝酸

D.由NH3→N2，从原理上看，可通过NH3与NO2反应实现

5．将一支充有12 mL NO2气体的试管倒置于水槽中，充分反应。

(1)下列图示正确的是________(填字母)。

(2)如水不能充满试管，需再向试管中缓缓充入O2，现象为________________，最终充入________mL O2，才能使水全部充满。

归纳总结

(1)NO和O2反应，不能用排空气法收集，可以用排水法收集，NO2和水反应，不能用排水法收集，可用向上排空气法收集。

(2)NO不能和碱反应，NO2可以和碱反应生成硝酸盐、亚硝酸盐和水，但NO2不是酸性氧化物。

(3)NO2可以使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色，不能用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2气体和溴蒸气。

核心素养——合作·探究·分享

氮的氧化物溶于水的计算

[例]　有一充有10 mL NO和NO2混合气体的试管，倒置于盛有水的水槽中，充分反应后，仍有6 mL无色气体，则原混合气体中NO和NO2体积比为    (　　)

A．1∶4     B．2∶3

C．1∶3    D．4∶1

状元随笔　明确反应，结合反应判断出剩余气体成分是解答本题的关键。

[提升]　盛有O2和NO2的混合气体的量筒倒立在盛有水的水槽中，过一段时间后，量筒内气体的体积减小为原来的一半。则原混合气体中O2和NO2的体积比是    (　　)

A．2∶1     B．1∶2

C．3∶2     D．3∶1

状元随笔　解答本题关键要先判断反应的可能情况，即剩余气体可能是NO或O2，然后根据题中数量关系进行计算。

关键能力

氮氧化物与氧气、水反应的计算方法

氮氧化物与O2混合通入水中时，剩余气体只能是NO或O2，不可能是NO2，因过量的NO2会与水反应生成NO，且形成溶液中的溶质为HNO3。有关混合气体(NO2、NO、O2等)与水反应的计算属重点计算题型，现分类说明解题方法。

1．关系式法

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　①

4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3　②

4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3　③

2NO＋O2===2NO2　④

不同情况及剩余气体的体积：

2.原子守恒法

“4NO2＋O2”和“4NO＋3O2”从组成上均相当于“2N2O5”，即总反应的化学方程式都与“N2O5＋H2O===2HNO3”等效。利用混合气体中N、O原子的个数比进行分析判断：

N(N)∶N(O)

3．得失电子守恒法

对于“NO＋NO2＋O2＋H2O”型，当反应后，无气体剩余，则N均被氧化为＋5价(存在于HNO3中)，O被还原为－2价(存在于HNO3中)，得失电子情况如下：NO2－e－―→HNO3，NO－3e－―→HNO3，O2＋4e－―→HNO3。

根据得失电子守恒知，n(NO2)＋3n(NO)＝4n(O2)。因实际应用中，气体量通常用体积表示，由阿伏加德罗定律的推论知，同温同压下气体的体积之比等于气体的物质的量之比，故又有V(NO2)＋3V(NO)＝4V(O2)。

上述公式具有广泛的适用性，若体系中没有NO，则V(NO)＝0，由此有V(NO2)＝4V(O2)；当体积中没有NO2时，则有3V(NO)＝4V(O2)。若将有关物质的已知量代入上述公式后能使等式成立，则气体恰好反应完全；若不能使等式成立，则数值较大的一侧对应的物质过量。应注意的是，无论是何种体系，最终剩余的气体不可能是NO2。

学考评价——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．氮元素均被氧化

B．氮在自然界中存在形式有游离态和化合态

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．某集气瓶中的气体呈红棕色，加入足量水，盖上玻璃片，振荡，得到橙色溶液，气体颜色消失，再移走玻璃片后，瓶中气体又变为红棕色，该气体可能是下列混合气体中的(已知Br2蒸气呈红棕色，含Br2的溶液呈橙色)(　　)

A．N2、NO2、Br2 B．NO2、O2、NO

C．NO2、NO、N2 D．N2、O2、Br2

3．化学与环境密切相关，下列有关说法正确的是(　　)

A．CO2属于大气污染物

B．酸雨是pH小于7的雨水

C．CO2、NO2或SO2都会导致酸雨的形成

D．大气中CO2含量的增加会导致温室效应加剧

4．下列有关氮气的叙述中，错误的是(　　)

A．工业上，氮气常用作焊接金属的保护气

B．在雷雨天，空气中的N2和O2可反应生成NO

C．氮气既可做氧化剂又可做还原剂

D．1 mol N2可与3 mol H2完全反应生成2 mol NH3

5．运载火箭的推进剂引燃后产生的气体主要是CO2、H2O、N2、NO，这些气体均为无色，但在卫星发射现场看到火箭喷出大量红色烟雾。产生红色烟雾的原因是(　　)

A．高温下N2遇空气生成NO2

B．NO遇空气生成NO2

C．CO2遇NO反应生成CO和NO2

D．NO和H2O反应生成H2和NO2

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总体积的(　　)

A． B．

C． D．

第3节　氮的循环

第1课时　氮气与氮的氧化物

学 业 基 础

一、

1．(1)硝酸盐　、和NH3　氮氧化物　(2)①氨　铵盐　硝酸盐　②氮氧化物

2．(1)游离态　含氮化合物　(2)生物　人工

3．(1)无色　气体　无味　稍小　难　(2)不活泼　①无色变为红棕色　N2＋O22NO　2NO＋O2===2NO2　②N2＋3H22NH3

[即学即练]

1．答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√

2．解析：A项，雷电时生成氮的氧化物，为自然固氮；B项，工业上用氢气与氮气合成氨，为人工固氮；C项，植物的根从土壤中吸收铵根离子和硝酸盐，不是将游离态氮转化为化合态氮，故不属于氮的固定；D项，豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为硝酸盐，为生物固氮。

答案：C

3．解析：通常情况下N2性质很稳定，所以N2可在电焊时做保护气，故A正确；N2＋O22NO是汽车尾气造成污染的主要原因之一，故B正确；N2在空气中约占总体积的，故C错误；在反应3Mg＋N2Mg3N2中，N元素化合价降低，N2做氧化剂，故D正确。

答案：C

4．解析：(2)①在该反应中，N元素由0价到－3价，得到电子，C元素由0价到＋4价，失去电子，根据电子转移守恒，配平化学方程式为2N2＋3C＋6H2O4NH3＋3CO2，共转移12e－。②上述反应中，C元素的化合价由0价升高到＋4价，C为还原剂，N元素的化合价由0价降低到－3价，被还原，还原产物是NH3，每转移3 mol电子，则生成1 mol氨气。③闪电固氮的化学方程式为N2＋O22NO，在反应中N元素由0价升高到＋2价，N2做还原剂，表现还原性。④合成氨的化学方程式为在反应中，N元素由0价降低到－3价，N2做氧化剂，表现氧化性。

答案：(1)AD

(2)①

②C　NH3　1

③N2＋O22NO　还原

④　氧化

二、

1．N2O　NO　N2O3　NO2、N2O4　N2O5

2．(1)无色　红棕色　难溶于水　易溶于水　无味　刺激性　(2)①无色逐渐变为红棕色　红棕色变为无色　②2NO＋O2===2NO2　还原性　3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　氧化性　还原性

[即学即练]

1．答案：(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×　(7)√　(8)×

2．解析：根据原子守恒，判断M为NaNO2，X为N2。

答案：A

3．解析：根据3NO2＋H2O===2HNO3＋NO和NO难溶于水可知，将充满NO2的试管倒立于盛有水的水槽中，水上升到试管容积的三分之二，符合条件的是B。

答案：B

4．解析：由图中氮及其化合物间的转化关系可知，X中N为＋5价，对应的氮的氧化物是N2O5，A正确；一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮，不能用排空气法收集NO，B错误；工业生产硝酸的步骤：氨气催化氧化生成一氧化氮和水，一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮，二氧化氮与水反应得到硝酸，故原料为NH3、空气、水，C正确；NH3可与NO2反应生成氮气：8NH3＋6NO2===7N2＋12H2O，D正确。

答案：B

5．解析：(1)NO2溶于水发生反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，12 mL NO2参与反应，生成的NO为4 mL，生成NO的体积占气体的。

(2)向试管中缓缓充入O2，发生反应：①2NO＋O2=== 2NO2，故气体颜色由无色变为红棕色，然后发生反应：②3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，故液面逐渐上升，将①和②两式相组合得4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，要使水全部充满试管，需充入3 mL O2。

答案：(1)C　(2)无色气体变为红综色，液面逐渐上升　3

核 心 素 养

[例]　解析：设NO的体积为a mL，则NO2的体积为(10－a)mL，倒置于盛有水的水槽中，发生反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，根据反应方程式，生成NO的体积为  mL，充分反应后，6 mL气体均为NO，因此有a＋＝6，解得a＝4，因此NO和NO2的体积比为4 mL∶(10－4)mL＝4∶6＝2∶3，B正确。

答案：B

[提升]　解析：假设量筒的容积是V L，盛有O2和NO2的混合气体的量筒倒立在盛有水的水槽中，发生反应：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，若剩余的气体是O2，则NO2完全反应，NO2的体积V(NO2)＝×V L＝  L，O2的体积V(O2)＝V L－  L＝   L，原混合气体中O2和NO2的体积比是  L∶ L＝3∶2；若剩余气体是NO，即NO2与O2反应时，NO2有剩余，后发生3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，则剩余NO2的体积是3× L＝  L，原混合气体体积是V L，假设不成立；故C项正确。

答案：C

学考评价

1．解析：在雷电作用下N2与O2反应生成NO，氮元素被氧化，工业合成氨属于人工固氮，合成氨过程中氮元素被还原，A项错误；氮在自然界中存在形式有游离态和化合态，B项正确；由图可看出含氮无机物和含氮有机物可以相互转化，C项正确；制造蛋白质的过程中就有碳、氢、氧元素的参与，D项正确。

答案：A

2．解析：集气瓶中气体呈红棕色，可能含Br2蒸气或NO2气体。加水原气体红棕色消失，溶液呈橙色，说明混合气体中一定含Br2蒸气；移走玻璃片后瓶中气体又变红棕色，说明原气体溶于水后产生了NO，NO由NO2溶于水得到，发生反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，故原混合气体中一定含有Br2蒸气和NO2气体。

答案：A

3．解析：二氧化碳不是大气污染物，但是却可以引起环境问题，例如大气中CO2含量的增加会导致温室效应加剧；正常雨水的pH为5.6，pH小于5.6的雨水是酸雨，NO2、SO2都会导致酸雨的形成。

答案：D

4．解析：N2与H2的反应属于可逆反应，1 mol N2和3 mol H2不可能完全反应生成2 mol NH3，故D项错误；因氮气的化学性质很不活泼，常用作焊接金属的保护气；N2中的氮元素为0价，处于中间价态，故N2既可做氧化剂，又可做还原剂。N2与O2反应生成NO。

答案：D

5．解析：根据火箭喷出的大量红色烟雾可推知其应是NO2，而高温下N2与O2不能生成NO2。

答案：B

6．解析：由于NO和O2等体积，故二者等物质的量，当二者溶于水时，发生反应

4NO　＋　3O2　＋　2H2O===4HNO3

4 mol     3 mol

设初始时NO和O2的物质的量均为4 mol，则4 mol NO反应掉3 mol O2，还剩余1 mol O2，则剩余O2为原气体的。

答案：C