第5章 第2节 新知探究课3 氮气与氮的固定 一氧化氮和二氧化氮-【名师导航】2023-2024学年高中化学必修第二册同步讲义(人教版2019)

第二节　氮及其化合物 新知探究课3　氮气与氮的固定　一氧化氮和二氧化氮 1．结合氮元素在元素周期表中的位置和原子结构，掌握N2的主要性质和氮的固定，培养“宏观辨识与微观探析”的核心素养。 2．根据实验认识NO与NO2的主要性质，培养“科学探究与科学态度”的核心素养。 一、氮元素及氮气 1．氮元素的位置、结构及存在 (1)氮原子结构：氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族，其原子结构示意图为，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，常见化合价为－3、＋5。 (2)氮元素在自然界中的存在形态 ①游离态：主要以氮分子的形式存在于空气中。 ②化合态：存在于动植物体内的蛋白质中，土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。 2．氮气的性质 (1)物理性质：无色、无味、难溶于水，密度与空气相近，约占空气体积的4/5。 (2)化学性质 ①由于氮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，通常情况下难以与其他物质发生化学反应。 ②高温、放电条件下，能与镁、氧气、氢气等物质发生化合反应，化学方程式分别为N2＋3MgMg3N2、N2＋O22NO、N2＋3H22NH3。 二、氮的固定和循环 1．氮的固定 (1)将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程叫做氮的固定。 (2)固氮形式 ①自然固氮：大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为含氮的化合物，或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成氨。 ②人工固氮：通过控制条件，将氮气氧化或还原为氮的化合物。最重要的人工固氮途径就是工业合成氨。 2．氮的循环 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)在自然界中只有氮的化合态。 (　　) (2)N2在化学反应时只能作氧化剂。 (　　) (3)NO在空气中易被氧化为NO2，此过程属于氮的固定。 (　　) (4)豆科植物通过根瘤菌吸收空气中的氮气属于氮的固定，是化学变化。 (　　) [答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√ 三、一氧化氮和二氧化氮 1．物理性质 颜色 状态 气味 毒性 水溶性 NO 无色 气态 无味 有毒 不溶 NO2 红棕色 气态 有刺激性气味 有毒 易溶 2．化学性质 (1)NO在空气中易转化为红棕色的NO2，反应的化学方程式为2NO＋O2===2NO2。 (2)NO2与H2O反应生成HNO3和NO，反应的化学方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。 N2的性质及氮的循环 氮气是一种无色无味的气体，是空气的主要成分。氮气的应用如下图所示。 1．氮气为什么可以用作粮食、瓜果的保护气？ 提示：氮气性质稳定，可用作粮食、瓜果的保护气，减慢粮食、瓜果被氧气氧化变质的速率。 2．氮气的性质不活泼，但在一定条件下也可以发生化学反应，下列反应中属于氮的固定反应有哪几个？在属于氮的固定反应中，氮气都作氧化剂吗？ ①N2＋3MgMg3N2 ②N2＋3H22NH3 ③2NO＋O2===2NO2 ④N2＋O22NO 提示：氮的固定是单质转变成化合物，所以①②④属于氮的固定。反应中①氮气作氧化剂，反应②中氮气作氧化剂，反应④中氮气作还原剂。 1．N2的性质与氮的固定 2．氮的固定是氮单质转化为氮的化合物，氮的固定分自然固氮和人工固氮，二者一定都属于化学变化。 1．下列关于氮元素的说法中，不正确的是(　　) A．工业上氢气和氮气合成氨属于人工固氮 B．雷电时，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 D　[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，A正确；雷电时，大气中氮气转化为氮的氧化物属于氮的固定，B正确；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)，C正确；非金属单质氮气在化学反应中既能作氧化剂，也能作还原剂，如氮气与氧气反应中，氮气作还原剂，D错误。] 2．下列关于氮气性质的说法中正确的是(　　) A．点燃条件下，N2在氧气中燃烧生成NO B．点燃时，N2与金属Mg反应生成Mg3N2，N2作还原剂 C．合成氨反应中，N2发生氧化反应 D．氮气的化学性质稳定，其原因是两个氮原子之间以共价三键结合 D　[氮气在放电或高温条件下生成一氧化氮，A错误；点燃时，N2与金属Mg反应生成Mg3N2，N2得电子化合价降低作氧化剂，B错误；合成氨反应中，N2得电子化合价降低发生还原反应，C错误；氮气的化学性质稳定，其原因是两个氮原子之间以共价三键结合，键能大，不易断裂，化学性质稳定，D正确。] NO、NO2的化学性质及其转化 NO、NO2溶于水的实验探究，填写下表中的空白。 实验操作 实验现象 实验结论 如图所示，在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，然后吸入5 mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器 无明显现象 NO不溶于水 打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹 注射器中气体由无色变为红棕色，注射器塞子向左移动 NO与空气中的O2发生反应生成红棕色的NO2：2NO＋O2===2NO2(填化学方程式) 振荡注射器 注射器中气体由红棕色变为无色，注射器塞子继续向左移动 NO2与水发生反应生成了无色的NO：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 1．常温下能用排空气法收集一氧化氮吗？为什么？实验室中应该怎样收集NO气体？ 提示：不能。因为2NO＋O2===2NO2。实验室中应该用排水法收集NO气体。 2．为了有效实现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。 (1)打开止水夹，推动针筒活塞，使O2进入烧瓶。关上止水夹，首先观察到烧瓶中的现象是什么？产生此现象的化学反应方程式怎样书写？ 提示：烧瓶中气体由无色变为红棕色，化学方程式为2NO＋O2===2NO2。 (2)轻轻摇动烧瓶，观察到烧瓶中的现象是怎样的？利用化学方程式解释产生这种现象的原因是什么？ 提示：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，且烧瓶内压强减小，烧杯中的水倒吸到烧瓶内，导致烧瓶中液面上升。 (3)假设烧瓶内充有100 mL NO，通入多少O2才能使水充满整个烧瓶？ 提示：已知2NO＋O2===2NO2 ① 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ② 由方程式①×3＋②×2得： 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3， 即当NO和O2的体积比为4∶3时水可以充满烧瓶，需通入75 mL O2。 1．NO和NO2的性质对比 NO NO2 色、态、味、毒性 无色、无味 红棕色、刺激性气味 有毒气体 水溶性 不溶 易溶且与水反应 与O2反应 2NO＋O2===2NO2 — 与H2O反应 — 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 与O2、H2O 共同反应 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 氧化性 6NO＋4NH35N2＋6H2O 6NO2＋8NH37N2＋12H2O，NO2＋SO2===SO3＋NO，NO2能使湿润的淀粉KI试纸变蓝 2．氮的氧化物溶于水的计算规律 (1)相关反应原理 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO① 2NO＋O2===2NO2② 由化学方程式①×2＋②得： 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3③ 由化学方程式①×2＋②×3得： 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3④ (2)氮的氧化物溶于水的三种类型 ①NO2气体：NO2气体溶于水时仅涉及反应①，剩余气体为NO。 ②NO2和O2的混合气体：NO2和O2的混合气体溶于水时涉及反应③。 x＝ 0<x< x＝ x> 反应情况 O2过量并剩余 恰好完全反应 NO2过量又发生反应①，剩余NO ③NO和O2的混合气体：NO和O2的混合气体溶于水时涉及反应④： x＝ 0<x< x＝ x> 反应情况 O2过量并剩余 恰好完全反应 NO过量并剩余 3．随着汽车销量的增加，空气受到了污染。汽车尾气处理装置中，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如图所示。下列说法中，正确的是(　　) A．反应中 NO 为氧化剂，N2为氧化剂 B．汽车尾气的主要污染成分包括 CO、NO和N2 C．NO 和 O2必须在催化剂表面才能反应 D．催化转化总化学方程式为2NO＋O2＋4CO4CO2＋N2 D　[反应2NO＋O2===2NO2中，N元素化合价升高，则NO是还原剂；NO2与CO反应生成N2时，N元素化合价降低，NO2作氧化剂，N2是还原产物，A错误；汽车尾气的主要污染成分包括 CO、NO，汽车尾气中的N2不是污染物，B错误；NO和O2的反应不需要催化剂，C错误；根据题中的图示，可将反应的过程分成如下两步：2NO＋O2===2NO2，2NO2＋4CO===N2＋4CO2，将两步反应式合并可得催化转化总化学方程式为2NO＋O2＋4CO4CO2＋N2，D正确。] 4．有一支充有20 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12 mL无色气体，则原混合气体中NO和NO2体积比为(气体体积均在相同状况下测得)　(　　) A．2∶3　 B．3∶2　　 C．1∶4　　 D．4∶1 A　[二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，一氧化氮和水不反应且不溶于水，所以，剩余的气体为一氧化氮，设混合气体中二氧化氮的体积为V，则： 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　气体体积减少 3 1 2 V 20 mL－12 mL＝8 mL 所以V＝＝12 mL，即二氧化氮的体积为12 mL，则混合气体中一氧化氮的体积为20 mL－12 mL＝8 mL，则原混合气体中NO和NO2体积比为8 mL∶12 mL＝2∶3。] 1．明辨氮及其氧化物的易错点： (1)氮气与氧气反应只生成一氧化氮。 (2)NO、NO2均不是酸性氧化物。 (3)实验室收集NO和NO2气体的方法：收集NO时用排水法；收集NO2用向上排空气法。 2．熟记四个重要的化学方程式： 2NO＋O2===2NO2； 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO； 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3； 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。 1．下列反应中，不属于氮的固定的是(　　) A．N2和H2在一定条件下合成NH3 B．豆科植物把空气中的氮气转化为化合态的氮 C．雷电时，空气中的N2与O2反应生成NO D．由NH3制碳酸氢铵 D　[氮的固定是由游离态的氮转化为化合态的氮，D项是由化合态的氮转化为化合态的氮，不属于氮的固定。] 2．下列用途中应用氮气稳定性的是(　　) A．以氮气为原料制造硝酸 B．合成氨气后，制氮肥 C．金属焊接时的保护气　 D．镁可以和氮气反应 C　[氮气的化学性质相对稳定，因此氮气常作金属焊接时的保护气，与氮气的稳定性有关，C符合题意。] 3．将体积为V的试管充满NO气体，按如图所示进行实验。相同条件下，当通入O2 49 mL时，液面仍在原来位置，则试管体积V为(　　) A．49 mL　　　 B．28 mL C．30 mL D．24.5 mL B　[通入氧气发生4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，如NO过量，则体积不可能与原来相等，应为氧气过量，则 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3， V V 49 mL－V＝V，V＝28 mL。] 4．自然界的氮循环如图所示，回答下列问题。 (1)①、②、③中，属于氮的固定的是________(填序号)。 (2)N2转化为HNO3的流程如下。 N2NONO2HNO3 ①N2转化为NO的化学方程式是_______________________________________ ___________________________________________________________________。 ②NO2转化为HNO3的反应中，NO2体现________性。 (3)N2也可以转化为NH3，写出工业合成氨的化学方程式：___________________。 (4)任意写出一个以稀硝酸为原料，制备KNO3的反应的化学方程式：_________________________________________________________________________________________________________________________________。 [解析]　(1)①、②、③中，属于氮的固定的是①和②。(2)①N2和O2生成NO，化学方程式为N2＋O22NO。②NO2转化为HNO3，反应方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，N元素化合价从＋4价变为＋2价和＋5价；既表现出氧化性也表现出还原性。(3)N2也可以转化为NH3，工业合成氨的化学方程式为N2＋3H22NH3。(4)稀硝酸为原料，制备KNO3，可用稀硝酸与氢氧化钾反应，化学方程式为HNO3＋KOH===KNO3＋H2O。 [答案]　(1)①、②　(2)N2＋O22NO　氧化性和还原　(3)N2＋3H22NH3　(4)HNO3＋KOH===KNO3＋H2O 新知探究课固基练(三)　氮气与氮的固定　一氧化氮和二氧化氮 1．我国科学家实现了用氮气、二氧化碳和水在常温下合成尿素。该方法属于(　　) A．人工固氮　　　 B．自然固氮 C．大气固氮 D．生物固氮 A　[用氮气、二氧化碳和水在常温下合成尿素，该方法是通过化学方法将氮气转化为化合态的尿素，属于人工固氮。] 2．薯条等膨化食品的袋子里填充的是食品级氮气。下列有关氮及其氧化物的说法正确的是(　　) A．N2、NO和NO2均为无色气体　 B．N2既具有氧化性，又具有还原性 C．雷雨天，空气中的N2和O2反应生成NO2 D．NO和NO2都可稳定存在于空气中 B　[NO2为红棕色气体，A错误；N2中的N元素为0价，既能升高到＋2价，也能降低到－3价，故既具有氧化性，又具有还原性，B正确；雷雨天，放电条件下，空气中的N2和O2反应生成NO，C错误；NO不能稳定存在于空气中，易被氧化为NO2，D错误。] 3．下列关于氮气的说法中错误的是(　　) A．通常情况下氮气性质很稳定，所以氮气可以在电焊时作保护气 B．N2＋O22NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一 C．氮气在空气中约占质量比的 D．在反应3Mg＋N2Mg3N2中，氮气作氧化剂 C　[氮气分子中含有氮氮三键，通常情况下N2性质很稳定，可在电焊时作保护气，A正确；氮气与氧气在高温下生成一氧化氮，一氧化氮有毒，为空气污染物，B正确；N2在空气中约占总体积的，C错误；在反应3Mg＋N2Mg3N2中，氮气中氮元素化合价降低，所以N2作氧化剂，D正确。] 4．将盛有12 mL一氧化氮和36 mL 二氧化氮混合气体的烧瓶倒置于水中，通入一定氧气，完全反应后，剩余气体的体积为 4 mL，则通入的氧气的体积可能约为(　　) A．19 mL B．20 mL C．21 mL D．22 mL D　[已知4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3；若剩余气体为氧气，则通入的氧气总体积为4 mL＋12 mL×＋36 mL×＝22 mL；若剩余气体为NO，则通入的氧气总体积为8 mL×＋36 mL×＝15 mL。] 5．无色的混合气体甲，可能含NO、CO2、NO2、N2中的几种，将一定量的气体甲经过如图实验的处理，结果得到酸性溶液，而几乎无气体剩余，则气体甲的组成为(　　) A．NO2、N2 B．NO、CO2 C．NO2、CO2 D．NO、CO2、N2 B　[混合气体无色，说明气体中不含NO2；气体通过Na2O2后显红棕色，说明原混合气体中含有NO，且有与Na2O2反应生成O2的气体CO2；通入水中，溶液呈酸性，且几乎无气体剩余，说明原气体中不含N2。] 6．某化学学习小组为探究NO2和SO2的反应，特进行如下实验(如下图所示)。 (1)图1两集气瓶中________(填“上”或“下”)瓶颜色深。 (2)图2中反应的现象是________________________________________________。 (3)图3中“有红棕色气体产生”说明SO2和NO2反应的产物中有________，说明NO2在该反应中显________性。 (4)由图2和图3中的现象写出NO2和SO2反应的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________。 [解析]　图3中反应生成的气体遇空气显红棕色，说明图2中反应生成了NO，即NO2和SO2反应，NO2转化为NO，表现氧化性，而SO2则表现还原性，被氧化，S元素化合价升高，只能变成＋6价，应转化为SO3。 [答案]　(1)下　(2)两气体混合后，颜色消失　(3)NO　氧化　(4)NO2＋SO2===NO＋SO3 7．自然界中的氮循环部分过程如图所示，有关循环过程的说法中，正确的是(　　) A．固氮过程中，N2可能作还原剂 B．硝化过程也是固氮过程 C．反硝化过程中，必须有O2的参与 D．氮元素可通过氨化过程从无机物转移到有机物中 A　[由题图可知，固氮过程中，氮气转化为硝酸根离子、亚硝酸根离子时，氮元素的化合价升高被氧化，氮气为反应的还原剂，A正确；硝化过程中氮从化合态转化为化合态，不是固氮过程，B错误；反硝化过程中，硝酸根离子、亚硝酸根离子转化为氮气，氮元素的化合价降低被还原，应有还原剂参与，不可能有氧气参与，C错误；由题图可知，氮元素可通过氨化过程从有机物转移到无机物中，D错误。] 8．有m mL NO2、n mL NO、n mL O2(m＞n)混合气体通入过量水，剩余气体体积为(　　) A． B． C． B　[根据方程式可知 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 3 1 m 假设NO和氧气的反应中氧气不足，则 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 4 3 n n 所以剩余NO的体积为(n＋n)mL＝ mL＞0，假设成立。] 9．汽车尾气中氮氧化物和碳氢化合物受紫外线作用可产生二次污染物光化学烟雾，其中某些反应过程如图所示。下列说法正确的是(　　) A．烟雾是一种固溶胶，其分散剂是空气 B．O2变成O3是氧化还原反应 C．反应Ⅰ属于氧化还原反应　 D．NO2是酸性氧化物 C　[烟雾是一种气溶胶，其分散剂是空气，故A错误；O2变成 O3是化学变化，但不是氧化还原反应，故B错误；NO与O3反应生成NO2，反应Ⅰ中存在元素化合价的升降，属于氧化还原反应，故C正确；与水反应只生成对应酸的氧化物属于酸性氧化物，NO2与水反应生成硝酸和NO，不是酸性氧化物，故D错误。] 10．(素养题)如图所示，在注射器里吸入20 mL NO(标准状况)，然后吸入5 mL水。若再吸入30 mL空气(标准状况，按O2占空气体积计算)，夹住弹簧夹，让内外大气压相同，观察。下列叙述不正确的是(　　) A．可观察到注射器内气体由无色变成红棕色，最后变成无色 B．可观察到注射器的活塞缓缓向右移动 C．最终剩余气体体积约为36 mL D．所得硝酸溶液的浓度约为0.07 mol/L B　[一氧化氮与氧气发生反应生成二氧化氮，二氧化氮与水发生反应生成硝酸和一氧化氮，故可观察到注射器内气体由无色变成红棕色，最后变成无色，A正确；在注射器中发生的反应为2NO＋O2===2NO2和3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，可以看出均为气体分子数减小的反应，故活塞缓缓向左移动，B错误；标准状况下，气体体积之比等于其物质的量之比，根据2NO＋O2===2NO2可以列出2NO～O2～2NO2，消耗的氧气为30 mL×＝6 mL，参与反应的一氧化氮为12 mL，生成了12 mL二氧化氮，此反应中气体体积减小6 mL，根据3NO2＋H2O===2HNO3＋NO可以列出3NO2～NO，12 mL的二氧化氮参与反应生成了4 mL的一氧化氮，故此反应中气体体积减小了8 mL，最终剩余体积约为20 mL＋30 mL－6 mL－8 mL＝36 mL，C正确；根据C选项中分析可得，参与反应的二氧化氮体积为12 mL，根据方程式3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，可以列出3NO2～2HNO3，故硝酸的浓度＝≈0.07 mol/L，D正确。] 11．汽车尾气(含CO2、N2、CO、SO2、NOx等)是城市空气的污染源之一。 (1)汽车尾气对环境的危害主要有温室效应、雾霾、________等。 (2)在一定条件下，NH3可将NOx转化为无污染的物质。写出NH3与NO2在一定条件下反应的化学方程式：__________________________________________。 消耗34 g氨气转移电子的物质的量是________mol。 (3)NOx储存还原技术可有效降低柴油发动机在空气过量条件下NOx的排放。如图所示NOx的储存和还原在不同时段交替进行，通过BaO和的相互转化实现NOx的储存和还原。储存时，部分NO发生反应的化学方程式为______________________________________________________________________________________________________________________________________； 储存NOx的物质是________。 [解析]　(1)汽车尾气中含有二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、固体悬浮微粒等，对环境的危害主要有温室效应、雾霾、酸雨(由氮氧化物和二氧化硫形成)等。(2)在一定条件下，NH3可将NOx转化为无污染的物质(N2和水)，则NH3与NO2在一定条件下反应的化学方程式：8NH3＋6NO27N2＋12H2O；由化学方程式，可建立如下关系式：NH3～3e－，n(NH3)＝＝2 mol，则转移电子的物质的量是2 mol×3＝6 mol。(3)从题图中可以看出，储存时，NO与O2反应生成NO2，NO2与BaO反应生成Ba(NO3)2，则部分NO发生反应的化学方程式为2NO＋O2===2NO2；储存NOx的物质是BaO。 [答案]　(1)酸雨　 (2)8NH3＋6NO27N2＋12H2O　6 (3)2NO＋O2===2NO2　BaO 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $$