第07讲 氮的固定-【寒假自学课】2022年高一化学寒假精品课（苏教版必修第二册）

第07讲 氮的固定 【学习目标】 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 1.能依据氮分子的微观结构预测其性质； 2.认识人工固氮的化学原理和社会价值； 3.体会化学科学在解决人类社会问题中所发挥的重要作用。 【课前引入】 观察下面空气的组成成分，说一说空气的主要组成成分是什么？ 思考：空气的组成稳定，其总体积中约78%是氮气，约21%是氧气。氮气可能具有怎样的性质？ 【基础知识】 【氮分子的结构】 在自然界中，绝大部分氮元素以游离态的氮气分子形式存在于空气中。实验证明，在通常情况下，氮气与大多数物质很难发生化学反应，说明氮气的化学性质很不活泼。一般认为，氮气分子是由两个氮原子通过共用三对电子结合而成的，氮气分子中存在氮氮三键。氮气分子的电子式和结构式分别为： 【知识拓展1】 【自然固氮】 氮、磷、钾是植物生长的必需元素。充足的氮能使植物枝叶茂盛，叶片增大，光合作用增强，促进氨基酸和蛋白质的形成，从而使农作物的产量和产品质量得以提高。 将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫做氮的固定，简称固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮两种方式。植物通过自然固氮可以从空气中获得化合态的氮，但这不能满足许多植物生长的需要。 例如： 豆科植物的根部常附有小根瘤、其中含有固氮菌，能把空气中的游离氮转化为化合物形态的氨（或铵态氮肥）作为自身的养分。 【知识拓展2】 自然界中并不是所有种类的植物都可以像豆科植物那样能利用根瘤自行固氮。在人类合成氮肥之前，大部分植物对化合态氮元素的需求，除动物粪便等有机肥在微生物作用下进入土壤中的成分外，主要依赖于闪电条件下大气中氮元素的转化。 【知识拓展3】 NO和NO2性质比较 氮氧化物 NO NO2 色、味、态 无色无味气体 红棕色、有刺激性气味气体 溶解性 不溶于水 易溶于水且与水反应 氧化物类别 非酸性氧化物(不成盐氧化物) 非酸性氧化物(不成盐氧化物) 氧化性或还原性 具有氧化性、还原性，主要表现强还原性 具有氧化性、还原性，主要表现强氧化性，能氧化SO2、KI等物质 毒性 有毒(易结合血红蛋白使人中毒) 有毒(刺激腐蚀呼吸道黏膜) 相互转化 NONO2 【人工固氮】 思考：人工固氮能否以大气中约4/5体积的氮气作为原料，将其转化为氮的化合物？虽然氮气资源丰富、廉价，适合大规模生产，但氮气分子结构稳定，难以发生化学反应。那么，人工固氮需要什么条件才能实现呢？ 哈伯和博施(C. Bosch，1874—1940)等化学家经过无数次的失败和不懈努力，最终用锇催化剂1.75×10 Pa、550℃的条件下以氮气和氢气为原料，得到浓度为8%的氨，为合成氨的工业化奠定了基础。此后，他们又经过数千次实验的尝试，改变反应条件，并寻找到廉价易得的多种含铁化合物组成的催化剂，并于1913年建成了世界上第一座合成氨厂。哈伯和博施也因此在1918年和1931年分别荣获诺贝尔化学奖。 其中△H=-94.2kJ·mol 。 【氮循环】 氮循环是自然界中一种重要的循环，对生态系统的调节起着重要的作用。为了促进氮的良性循环，我们要注意维护生态平衡，保护森林，植树绿化，增强生态系统对有害物质的吸收能力；不能过度使用含氮化肥以免污染土壤和水体；控制化石燃料燃烧排放的氮氧化物进入大气。 思考1：汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物，已成为城市空气的主要污染源。汽油和柴油中基本不含氮元素，那么汽车尾气中的NO是如何产生的？写出有关反应的化学方程式。(忽略空气中二氧化碳) 提示　汽车尾气中的NO是由空气中的氮气和氧气在内燃机中高温条件下反应而生成，N2＋O22NO。 思考2：金属镁在空气(忽略空气中二氧化碳)中燃烧可生成哪些产物？写出有关反应的化学方程式。 提示　可生成氧化镁和氮化镁。2Mg＋O2Mg3N2。 2MgO,3Mg＋N2 思考3：氮在自然界中的循环如下图所示。 (1)氮在自然界中主要存在形式有哪些？ 提示　大部分以氮气的形式存在，少部分以化合物的形式(如硝酸盐、铵盐、蛋白质等)存在。 (2)人体里的蛋白质中的氮元素是从哪儿来的？ 提示　人体里蛋白质中的氮是从外界摄入的，特别是肉类、蛋类物质等。若溯本求源，则来自大气中的N2。 (3)自然界中有哪些固定氮的途径？ 提示　自然界中固氮主要有自然固氮和人工固氮，自然固氮有高能固氮(雷电作用)、生物固氮(豆科植物)。 (4)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，有的则产生负面作用，请举例说明。 提示　①对人类有益的有：人工固氮如合成氨，不仅为农作物的生长提供了必需的氮元素，而且为其他化工产品的生产提供了重要的原料。②对人类有害的有：工业废气、汽车尾气中的氮氧化物会造成大气污染等；工厂