3.3 氮的循环 课件 2024-2025学年高一上学期化学鲁科版（2019）必修第一册

第3章 物质的性质与转化 第三节 氮的循环 第一课时 氮的循环 ——自然界中的氮循环 教学目标 1. 知道自然界中氮循环的基本过程，认识氮循环过程中的重要物质。 2. 知道氮气在一定条件下能够与氧气、氢气发生反应，了解氮的固定的相关知识。 3. 熟知一氧化氮和二氧化氮的性质，了解自然界中形成硝酸的过程。 闪电是大家非常熟悉的自然现象。你知道在电闪雷鸣的时候，空气里的氮气、部分含氮化物分别发生了哪些反应吗？这些反应产生了哪些物质？这些物质对于人类的生产和生活有什么意义？ 联想·质疑 导语 俗语说“雷雨发庄稼”，这句话隐含着什么原理？ 雷电发生时，N2和O2化合生成NO，NO迅速被氧化为NO2，NO2溶于水生成HNO3，HNO3跟土壤作用生成硝酸盐，NO3－可被植物吸收。 （1）游离态：以氮气（N2）的形式存在； （2）化合态：主要以化合物的形式存在于动植物体、土壤、水体中。 包括氮的氧化物（NO、NO2）、气态氢化物（NH3）、 酸（HNO3、亚硝酸HNO2）、碱（NH3·H2O）、 铵盐（NH4+）、硝酸盐（NO3-）、 蛋白质等。 一、自然界中的氮 1.氮元素在自然界的存在形式 一、自然界中的氮 2.自然界中氮的循环 在自然界中，大豆、蚕豆等豆科植物根部的根瘤菌能把空气中的氮气转变为硝酸盐等含氮化合物。植物的根从土壤中吸收的铵根、硝酸根，经过复杂的生物转化过程形成各种氨基酸，氨基酸最后转化成蛋白质。动物以植物为食物而获得植物蛋白，并将其转化为动物蛋白。动植物遗体中的蛋白质被微生物分解成铵根、硝酸根、氨气，又回到土壤、大气和水体中，被植物再次吸收利用、另外，在放电条件下，空气中少量的氨气与氧气化合生成氮氧化物，这些氮氧化物随降水转化成硝酸等进入土壤和水体中。 大气中氮气→硝酸盐或含氮化合物→氨基酸→植物蛋白质→动物蛋白质→铵根、硝酸根、氨气→大气、土壤等 氮气、氧气→氮氧化合物→硝酸等→土壤、水体 一、自然界中的氮 2. 自然界中氮的循环 （1）自然循环 （2）人类活动的影响 ① 氮气 → 含氮化合物(如 、 等)； ② 化石燃料和农作物秸秆燃烧产生的 参与氮的循环。 NH3 铵盐 硝酸 氮氧化合物 一、自然界中的氮 2. 自然界中氮的循环 将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。 氮的固定方式： 二、氮的固定 1. 氮的固定 氮 的 固 定 注意：① 含氮化合物之间的转化不属于氮的固定。 ② 固氮反应一定属于氧化还原反应。 N2＋O2 2NO 2. 氮气 二、氮的固定 实验 实验现象： 气体颜色由无色变为红棕色 N2＋O2 2NO 2NO + O2= 2 NO2 实验结论： 2. 氮气 二、氮的固定 （1）物理性质 N2是无色无味气体，难溶于水，密度与空气接近。 （2）化学性质 用作：保护气（焊接金属、金属热处理、大规模集成电路、保存粮食等） ② 氧化性、还原性： ① 稳定性：氮气的化学性质不活泼，通常很难与其他物质发生反应。 N2＋O2 2NO N2＋3H2 2NH3 N2＋3Mg Mg3N2 3. 氮的氧化物 二、氮的固定 （1）一氧化氮 ① 物理性质：NO是无色无味气体，难溶于水。 ② 化学性质： 2NO + O2 = 2 NO2 （气体由无色变为红色，可用来检验NO存在） 2NO + 2CO ===== N2 + 2CO2（用于汽车尾气处理） 催化剂 Ⅰ. 毒性：有毒，结合血红蛋白的能力比一氧化碳还强。 Ⅱ. 还原性： Ⅲ. 氧化性： ③ 用途：扩张血管、提高免疫力、增强记忆力。 二、氮的固定 实验 实验现象： 红棕色气体变为无色；集气瓶中水面上升，但未充满集气瓶；集气瓶内无色气体接触到空气变成红棕色。 实验结论： 3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO 3. 氮的氧化物 二、氮的固定 （2）二氧化氮 ① 物理性质：NO2是红棕色、有刺激性气味的气体，易溶于水。 ② 化学性质： 3NO2 + H2O = 2 HNO3 + NO →工业制取硝酸 2NO2 + 2SO2 = NO + SO3 Ⅰ. 毒性：有毒。 Ⅱ. 还原性和氧化性： Ⅲ. 强氧化性： ③ 用途：工业制取硝酸。 第二课时 氮的循环 ——氨的转化与生成 教学目标 1. 知道自然界中氮循环的基本过程，认识氮循环过程中的重要物质。 2. 知道氮气在一定条件下能够与氧气、氢气发生反应，了解氮的固定的相关知识。 3. 熟知一氧化氮和二氧化氮的性质，了解自然界中形成硝酸的过程。 1. 氨气的物理性质 三、氨的转化与生成 NH3是无色、有刺激性气味的气体； 易液化； 标准状况下，密度比空气小； 极易溶于水且能快速溶解，常温常压下1体积水能溶解约700体积氨气。 2. 氨气的用途 三、氨的转化与生成 （1）液氨（纯净物）汽化时要吸收大量的热，可以做制冷剂。 （2）氨是氮肥工业和硝酸工业的重要原料。 化学氮肥 铵态氮肥：主要成分NH4+ 硝态氮肥：主要成分NO3- 有机态氮肥：尿素 氮元素是植物体内氨基酸和蛋白质的必需组成元素，也是叶绿素的组成成分之一。氮肥能够促进作物生长，并提高作物中蛋白质的含量。 3. 氨气的化学性质 三、氨的转化与生成 （1）氨气到其他含氮化合物的转化 ① 氨气与水的反应 预期转化 设计思路 选取试剂 实验现象 结论 NH3 --> NH3·H2O NH3与水反应，然后测溶液的酸碱性 NH3、水、酚酞溶液 氨水使酚酞溶液变红 氨气与水反应生成NH3·H2O，氨水呈碱性 实验原理：NH3+H2O NH3·H2O 其中：NH3·H2O是一元弱碱，电离方程式：NH3·H2O NH4++OH- NH3·H2O不稳定，受热易分解：NH3·H2O NH3↑+H2O 3. 氨气的化学性质 三、氨的转化与生成 （1）氨气到其他含氮化合物的转化 ① 氨气与水的反应——喷泉实验 实验操作：在干燥的圆底烧瓶里充满氨气，用带有玻璃管和滴管（滴管里预先吸入水）的塞子塞进瓶口。倒置烧瓶，使玻璃管插入盛有水的烧杯（预先在水里滴入少量酚酞溶液）中。打开止水夹并轻轻挤压滴管，使少量水进入烧瓶。 现象：烧杯中的水由玻璃导管进入烧瓶，形成美丽的喷泉，烧瓶内液体呈红色。 说明：氨气极易溶于水、氨水显碱性、烧杯中的水在大气压作用下进入烧瓶 3. 氨气的化学性质 三、氨的转化与生成 （1）氨气到其他含氮化合物的转化 ② 氨气与氯化氢气体的反应 预期转化 设计思路 选取试剂 实验现象 结论 NH3 --> NH4Cl NH3与氯化氢反应生成氯化铵 NH3、氯化氢 有白烟生成 氨气与氯化氢反应生成氯化铵固体 实验原理：NH3+HCl = NH4Cl 注意：浓盐酸、浓硝酸等挥发性酸遇氨会产生白烟，利用这点可以检验浓氨水或氨的存在。硫酸等难挥发性酸虽能与氨反应生成铵盐，但不会产生白烟。 3. 氨气的化学性质 三、氨的转化与生成 （1）氨气到其他含氮化合物的转化 ③ 氨气的催化氧化 氨具有还原性： 4NH3+5O2 4NO+6H2O 拓展：工业制硝酸 第一步：4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O 第二步：2NO + O2 = 2NO2 第三步：3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 4. 氨气的生成 三、氨的转化与生成 —— 氮气和其他含氮化合物到氨气的转化 （1） N2 --> NH3 N2＋3H2 2NH3 （2） 铵盐 --> NH3 铵盐是由铵根离子和酸根离子形成的化合物叫铵盐。 4. 氨气的生成—— 氮气和其他含氮化合物到氨气的转化 三、氨的转化与生成 （2） 铵盐 --> NH3 ① 铵盐受热会分解： NH4HCO3 NH3 ↑ + CO2 ↑ + H2O NH4Cl NH3 ↑ + HCl ↑ 实验现象：固体逐渐消失，产生有刺激性气味气体，试管口有水珠生成。 实验现象：固体逐渐消失，产生有刺激性气味气体，试管口有白色固体出现。 4. 氨气的生成—— 氮气和其他含氮化合物到氨气的转化 三、氨的转化与生成 （2） 铵盐 --> NH3 ① 铵盐与碱共热： 实质：NH4+ + OH- NH3 ↑ + H2O 实验室用于检验溶液中的铵根离子。 检验方法：取少量溶液于小试管中，滴加浓氢氧化钠溶液，加热， 若产生的气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，就可以判断 该物质含有NH4+ 4. 氨气的实验室制法 三、氨的转化与生成 实验原理： 实验装置： 收集装置： 验满方法： 干燥装置： 尾气处理： 2NH4Cl + Ca(OH) 2 2NH3 ↑ + CaCl2 + H2O 固固加热型 向下排空气法 将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，若变蓝则收集满。 用蘸取浓盐酸的玻璃棒靠近试管口，若有白烟生成则收集满。 碱石灰 在试管口放一团用水或稀硫酸浸湿的棉花。 4. 氨气的实验室制法 三、氨的转化与生成 思考： 制取氨气，为什么用氯化铵而不用硝铵、硫酸铵？为什么用熟石灰而不用氢氧化钠？ （1）硝铵受热分解易发生爆炸；硫酸铵与熟石灰反应生成的硫酸钙呈块状， 不利于氨气的逸出，且反应后试管难清洗。 （2）氢氧化钠易吸水结块，对玻璃的腐蚀性较强。 三、氨的转化与生成 思考： 根据所学知识，铵态氮肥如何保存？ 1、受热易分解 ——> 密封包装并放在阴凉处； 2、与碱反应降低肥效 ——> 不与碱性物质混用 第三课时 氮的循环 ——硝酸的性质 人类活动对氮循环 和环境的影响 1. 硝酸的物理性质 四、硝酸 （1）纯净的硝酸是无色、易挥发，有刺激性气味的 液体；熔点-42℃，沸点83℃，密度1.5g/cm3 。 （2）硝酸能以任意比溶解与水。 （3）质量分数为69%以上的硝酸为浓硝酸； 质量分数为95%以上的浓硝酸，在空气中挥发出 硝酸蒸气会产生“发烟”现象，通常又叫作发烟硝 酸。 2. 硝酸的化学性质 四、硝酸 （1）具有酸的通性 ① 与指示剂作用： 稀硝酸使紫色石蕊溶液变红；浓硝酸使紫色石蕊溶液先变红后褪色。 ② 与碱发生中和反应：NaOH+HNO3=NaNO3+H2O ③ 与碱性氧化物反应：CuO+2HNO3=Cu(NO3)2+H2O ④ 与盐反应：CaCO3+2HNO3=Ca(NO3)2+H2O+CO2↑ 2. 硝酸的化学性质 四、硝酸 （2）不稳定性 硝酸受热或见光分解会产生二氧化氮气体，实验室长期保存硝酸， 可使用棕色试剂瓶，并放置在阴凉处。 4HNO3 4NO2 ↑ + O2 ↑ + 2H2O 2. 硝酸的化学性质 四、硝酸 （3）强氧化性 实验：在两个装置中各放入一小块铜片，分别加入少量稀硝酸（4mol/L） 和浓硝酸（15mol/L），观察发生的现象。 将上述实验中的铜片换成铁片进行相同的实验，观察发生的现象。 2. 硝酸的化学性质 四、硝酸 （3）强氧化性 硝酸具有强氧化性，能与除金、铂、钛以外的大多数金属反应，其还原产物与 硝酸的浓度有关。通常，浓硝酸与金属反应生成的还原产物主要是NO2， 稀硝酸与金属反应生成的还原产物主要是NO。 ① 硝酸与大部分的金属反应 例如：铜与硝酸反应 Cu + 4HNO3（浓）= Cu(NO3)2 + 2NO2 ↑ + 2H2O 3Cu + 8HNO3（稀）= 3Cu(NO3)2 + 2NO ↑ + 4H2O 2. 硝酸的化学性质 四、硝酸 （3）强氧化性 ② 钝化 ③ 硝酸与许多非金属单质反应 常温下，浓硝酸能使Fe、Al表面形成致密的氧化膜而钝化，所以可以用铝制或铁质容器盛放浓硝酸。 加热条件下，浓硝酸能和碳、硫、磷等非金属单质反应，并将碳等非金属单质氧化到最高价态。 4HNO3（浓）+ C CO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O 2. 硝酸的化学性质 四、硝酸 （3）强氧化性 ④ 与还原性物质反应 如：与S2-、H2S、SO2、SO32-、Fe2+、I-等反应 2HNO3（浓）+ SO2 = H2SO4 + 2NO2 6HNO3（浓）+ 3FeSO4 = Fe2(SO4)3 +Fe(NO3)3 + 3NO2 ↑+ 3H2O 1. 活化氮的量大大增加原因 五、人类活动对氮循环和环境的影响 ① 化石燃料的消耗量急剧增加 ② 化学合成氮肥的量迅速上升 ③ 豆科植物的栽种面积在扩大 ④ 人类的固氮活动 2. 含氮物质主要来源 五、人类活动对氮循环和环境的影响 ① 化石燃料的燃烧 ② 植物体的焚烧 ③ 农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化 ④ 水体中氮元素来源于工业废水、生活污水、农田灌溉及水产养殖所投入的肥料和饵料 3. 含氮物质对环境影响 五、人类活动对氮循环和环境的影响 ① 形成光化学烟雾 ② 形成雾霾 ③ 形成酸雨 ④ 造成水体富营养化 4. 减少人类活动对氮循环和环境的影响措施 五、人类活动对氮循环和环境的影响 ① 控制进入大气、土壤和水体中含有氮元素的物质的量 ② 增强生态系统对含有氮元素的物质的吸收能力 $$