专题04 氮的固定（七大题型）-【举一反三】2024-2025学年高一化学同步讲与练（苏教版2019必修第二册）

专题04 氮的固定 ◆题型01 氮气分子的结构对分子性质的影响 ◆题型02 氮的固定的判断 ◆题型03 自然固氮的途径和转化 ◆题型04 NO和NO2的性质 ◆题型05 合成氨的化学原理和工艺过程 ◆题型06 氮循环分析 ◆题型07 含氮物质转化与氧化还原反应 ◆题型01 氮气分子的结构对分子性质的影响 知识积累 1．氮元素的原子结构和性质 （1）氮元素的原子结构 氮元素位于元素周期表的第周期第ⅤA族，氮原子的原子结构示意图：________，氮原子最外层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。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。 （2）氮元素在自然界中的存在 ①游离态：主要以氮气分子的形式存在于空气中，约占78%（体积分数）。 ②化合态：存在于动植物体内的蛋白质中，土壤、海洋的硝酸盐和铵盐中。 2．氮气 （1）结构： ①分子式：N2 ②电子式： ③结构式：N≡N④球棍模型： （2）物理性质 通常情况下，氮气是无色、无味的气体，密度比空气的稍小，难溶于水（体积比=1：0.02），在压强为101KPa下，氮气在—195.8℃时变成无色液体，氮气分子在—209.9℃时变成雪花状固体。 （3）化学性质 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，通常情况下很难与其他物质发生化学反应，但在高温、放电等条件下，氮气也可以与镁、氢气、氧气等物质发生化合反应。 写出氮气与下列物质反应的化学方程式。 ①金属镁：N2＋3MgMg3N2，氮气表现氧化性；Mg3N2离子化合物，在水中强烈水解Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3↑，与盐酸反应的方程式为：Mg3N2+8HCl=3MgCl2+2NH4Cl。 ②氢气：N2＋3H22NH3，氮气表现氧化性； ③氧气：N2＋O22NO（闪电、汽车引擎中发生的反应），氮气表现还原性。 【典例1】N2是空气的重要组成部分，因此有科学家依据蒸汽机的原理，设计制造出液氮蒸汽机，即利用液态氮的蒸发来驱动机车，从而达到环境保护的目的，其原理主要依据是 A．液氮的沸点为﹣195.8℃，远低于常温 B．N2在空气中燃烧放热 C．N2的化学性质很稳定 D．N2在空气中的体积分数为78% 【变式1-1】氮气是一种不活泼的气体，其根本原因是 A．氮气有还原性 B．氮原子的半径较小 C．氮气是双原子分子 D．使氮气分子中的氮氮三键断裂需要吸收很高的能量 【变式1-2】下列关于氮气的说法中，正确的是(　　) A．通常情况下，氮气性质比较稳定 B．可在氧气中燃烧，生成一氧化氮 C．1 mol N2与3 mol H2完全反应生成2 mol NH3 D．氮元素是活泼的非金属元素，氮气在化学反应中只能作氧化剂 【变式1-3】下列关于的叙述错误的是 A．既可作氧化剂又可做还原剂 B．雷雨天，空气中的和可反应生成NO C．氮的固定是将转化成含氮化合物 D．不稳定，很活泼 ◆题型02 氮的固定的判断 知识积累 氮的固定 （1）含义：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。氮的固定分为自然固氮和人工固氮两种方式。 （2）氮的固定必须为将游离态的N2转化为化合态含氮物质的过程，为氧化还原反应，分为自然固氮（a.雷电固氮：将N2转化NO；b.根瘤菌固氮将N2转化NH4+）和人工固氮（合成氨工业，仿生固氮），氮的化合物之间的转化不能称为氮的固定。 【典例2】氮是各种生物体生命活动不可缺少的重要元素。将游离态的氮转化为氮的化合物的过程叫做氮的固定。自然界中存在的下列过程属于氮的固定的是 A．雷电作用下N2和O2反应生成NO B．蛋白质被分解为氨基酸 C．水体中的铵盐被氧化为硝酸盐 D．硝酸盐在细菌作用下生成氮气 【变式2-1】合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就，在很大程度上解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿问题，是化学和技术对社会发展与进步的巨大贡献。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。下列过程中不属于氮的固定的是 A．3Mg+N2 Mg3N2 B．N2+O2 2NO C．N2+3H22NH3 D．6NO2+8NH37N2+12H2O 【变式2-2】下列反应起到氮的固定作用的是 A．NO和反应生成 B．与在一定条件下生成 C．经催化氧化生成NO D．由制碳铵和硫铵 【变式2-3】为提高农作物产量，现代农业生产中需要大量含氮化合物作肥料。 （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．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，配平以上化学方程式 ，若转移3 mol电子则会生成 mol NH3。 ◆题型03 自然固氮的途径和转化 知识积累 自然固氮的分类： （1）生物固氮（通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化为氨）。 （2）高能固氮：高能固氮（大自然通过闪电释放能量将氮气转化为含氮的氧化物）；空气中的氮气与氧气发生反应，生成一氧化氮。一氧化氮在空气中很不稳定，易被空气中的氧气进一步氧化生成二氧化氮，二氧化氮与水反应生成硝酸。雨水中的硝酸渗人土壤后与矿物质作用生成硝酸盐，其中的硝酸根离子被植物的根系吸收，转化为植物生长所需的养料。 雷雨发庄稼:N2NONO2HNO3硝酸盐作物吸收 【典例3】在火箭燃料中作为氧化剂。下列说法正确的是 A．属于酸性氧化物 B．经转化被植物吸收，属于氮的固定 C．为红棕色且有刺激性气味的气体 D．高温时与过量的氧气反应可直接生成 【变式3-1】下列关于氮的固定，说法不正确的是 A．在雷雨天，N2可直接转化NO B．工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物的过程被称之为人工固氮 C．氮的固定的过程中氮原子有可能被氧化，也有可能被还原 D．一些豆科植物的根瘤菌可以将空气中的N2转化为硝酸盐 ◆题型04 NO和NO2的性质 知识积累 1.NO和NO的性质 氮的氧化物 NO NO2 物理 性质 颜色 无色 红棕色 毒性 有毒 有毒 溶解性 不溶于水 易溶于水 化学 性质 与O2反应 2NO＋O2===2NO2 不反应 与H2O反应 不反应 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 2.二氧化氮溶于水的实验 （1）实验过程 实验 装置 实验 操作 在如图注射器里充入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 打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹 振荡注射器 实验 现象 无明显现象 无色气体变为红棕色 红棕色气体变浅至消失，有无色气体生成，注射器活塞向内滑动 化学 方程式 　2NO+O2 === 2NO2　、　3NO2+H2O === 2HNO3+NO　 （2）对工业生产硝酸的启示 工业上生产硝酸时，向吸收后的废气中再通入适量的氧气或空气，能充分利用原料，并能减少NO的排放以保护环境。 【典例4】下列关于氮氧化物的说法正确的是 A．NO是红棕色气体 B．NO、都是有毒气体 C．与水反应时只作还原剂 D．NO可用向上排空气法收集 【变式4-1】下列对NO和NO2的描述正确的是 A．NO2与水的反应中，NO2既是氧化剂又是还原剂 B．NO是无色气体，可用向上排空气法收集 C．NO2可由N2和O2直接化合得到 D．从元素化合价角度看，NO只有还原性 【变式4-2】设为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A．一定条件下，0.1mol与足量的反应，生成的分子总数为 B．加热条件下，足量的浓硫酸与1mol铜反应，生成的分子总数为 C．0.2mol与0.1mol充分反应，生成的分子总数为 D．常温下，11.2L的分子总数为 【变式4-3】为了有效实现NO和NO2的相互转化，设计如图实验。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，使氧气进入烧瓶，观察到的现象是 ，产生此现象的化学方程式为 。 （2）关上止水夹，轻轻摇动烧瓶，观察到的现象为① ；② ，产生此现象的化学方程式为 。 （3）烧杯中盛放的是酸性高锰酸钾溶液，能吸收尾气，已知NO能与MnO在酸性条件下反应生成NO和Mn2＋，写出该反应的离子方程式 。 ◆题型05 合成氨的化学原理和工艺过程 知识积累 合成氨反应的特点 合成氨反应 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 可逆性 反应为可逆反应 焓变 ΔH＜0，是放热反应 采取措施 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去 将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度(既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应) 合成氨的意义 合成氨工业的成功，为植物生长提供足够的氮肥，在很大程度上缓解了地球上有限的耕地资源与庞大的粮食需求之间的矛盾，改变了世界粮食生产的历史，使人类免受饥荒之苦。 【知识拓展】 工业合成氨的适宜条件 压强 原理分析 ①增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向向移动，压强越大越好 ②压强越大，对设备的要求越高，压缩H2和N2所需的动力越大，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益 选用条件 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa 温度 原理分析 ①降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量 ②温度越低，反应速率越小，达到平衡所需时间越长，故温度不宜过低 ③催化剂的活性在一定温度下下最大 选用条件 目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃(此温度下催化剂的活性最大) 催化剂 原理分析 即使在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 使用催化剂在较低温度时能较快进行反应 选用条件 通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒 (为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化) 浓度 原理分析 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取措施 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去 将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度(既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应) 【典例5】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其合成原理为，下列有关合成氨反应的说法正确的是 A．和的总能量小于的总能量 B．若恒容密闭容器中混合气体平均摩尔质量不再变化，则反应达到平衡状态 C．降低的浓度能增大反应速率 D．密闭容器中充入和充分反应放出热量为 【变式5-1】工业合成氨的反应为  。下列说法正确的是 A．工业合成氨属于自然固氮 B．反应过程中能量变化可用右图表示 C．、的物质的量之比为1:3时，合成氨达到反应限度 D．与足量发生合成氨反应，放出的热量为92.4kJ 【变式5-2】氨是生产化肥和其它化工产品的重要原料，工业上通过人工固氮合成氨，反应的热化学方程式为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH=－92.4kJ·mol－1。根据合成氨反应的热化学方程式，下列关于反应说法正确的是 A．化学反应中的能量变化主要是由化学键的变化引起的 B．反应物总能量小于生成物总能量 C．因为该反应是放热反应，故不必加热反应就能发生 D．反应结束时，N2的反应速率降为0 【变式5-3】以天然气为原料合成氨是新的生产氮肥的方法，其工艺流程如下，下列说法不正确的是 A．反应①的化学方程式为 B．反应②是氧化还原反应 C．反应③理论上当时，恰好完全反应 D．生成1.0mol至少需要0.75mol ◆题型06 氮循环分析 知识积累 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。 【典例6】下图是自然界中的氮循环过程。下列有关叙述错误的是 A．反应①、反应②及工业合成氨均属于氮的固定 B．反应④中，生成至少需要提供 C．反应③的反应方程式为 D．过程中参与循环的元素有氮元素，还有氢和氧元素 【变式6-1】根据下图简单描述氮在自然界的循环过程，并思考和讨论以下问题。 （1）氮在自然界中主要以哪些形式存在_______？ （2）人体蛋白质中的氮是从哪里来的_______？ （3）自然界中有哪些固定氮的途径________？ （4）人类的哪些活动参与了氮的循环___________？ ◆题型07 含氮物质转化与氧化还原反应 【典例7】低温等离子体(NTP)技术可有效脱除烟气中的NO，其原理是在高压放电条件下，O2产生自由基(O·)，自由基将NO氧化为NO2，再用Na2CO3溶液吸收，实验装置如下图所示。下列说法不正确的是 A．氮元素既有被氧化的过程又有被还原的过程 B．高压电源的功率越大，NO的脱除效果一定越好 C．尾气吸收采用气、液逆流的方式可提高NO2脱除率 D．单位时间内生成的自由基(O·)越多，越有利于NO的转化 【变式7-1】在NO2与水的反应中，下列判断正确的是 (　　) A.氮元素的化合价不发生变化 B.氧化剂与还原剂的质量比为2∶1 C.NO2只是还原剂 D.3 mol NO2参加反应转移2 mol电子 【变式7-2】工业上以氮气为主要原料制备硝酸，其转化过程如下所示，其中氮元素只被还原的一步是 N2NH3NONO2HNO3 A．① B．② C．③ D．④ 【变式7-3】将氮氧化物直接排入空气中会污染空气，可用酸性溶液吸收，反应原理为，下列说法正确的是 A．每吸收，反应中转移电子 B．氧化性：酸性溶液<稀硝酸 C．可使酸性溶液褪色，体现了的漂白性 D．汽车发动机燃料燃烧产生的易溶于水 【变式7-4】氮元素在人类生产生活中扮演着重要角色。回答下列问题： （1）氨氮废水中的氮元素多以形式存在，某研究团队设计的处理流程如下： ①过程：在微生物作用下利用实现转化，称为硝化过程，该过程中氨氮废水被 (填“氧化”或“还原”)。 ②过程：一定条件下向废水中加入甲醇()可实现转化，称为反硝化过程，该过程中甲醇作 剂(填“氧化”或“还原”)。 （2）氮氧化物排入大气中会产生硝酸型酸雨。一种用氧化消除氮氧化物的方法主要包括两步反应：无污染的气体，反应的化学方程式为，反应的化学方程式为 ；标准状况下，处理气体生成“无污染的气体”的体积为 L(不考虑转化过程的损耗)。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题04 氮的固定 ◆题型01 氮气分子的结构对分子性质的影响 ◆题型02 氮的固定的判断 ◆题型03 自然固氮的途径和转化 ◆题型04 NO和NO2的性质 ◆题型05 合成氨的化学原理和工艺过程 ◆题型06 氮循环分析 ◆题型07 含氮物质转化与氧化还原反应 ◆题型01 氮气分子的结构对分子性质的影响 知识积累 1．氮元素的原子结构和性质 （1）氮元素的原子结构 氮元素位于元素周期表的第二周期第ⅤA族，氮原子的原子结构示意图：,氮原子最外层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。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。 （2）氮元素在自然界中的存在 ①游离态：主要以氮气分子的形式存在于空气中，约占78%（体积分数）。 ②化合态：存在于动植物体内的蛋白质中，土壤、海洋的硝酸盐和铵盐中。 2．氮气 （1）结构： ①分子式：N2 ②电子式： ③结构式：N≡N ④球棍模型： （2）物理性质 通常情况下，氮气是无色、无味的气体，密度比空气的稍小，难溶于水（体积比=1：0.02），在压强为101KPa下，氮气在—195.8℃时变成无色液体，氮气分子在—209.9℃时变成雪花状固体。 （3）化学性质 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，通常情况下很难与其他物质发生化学反应，但在高温、放电等条件下，氮气也可以与镁、氢气、氧气等物质发生化合反应。 写出氮气与下列物质反应的化学方程式。 ①金属镁：N2＋3MgMg3N2，氮气表现氧化性；Mg3N2离子化合物，在水中强烈水解Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3↑，与盐酸反应的方程式为：Mg3N2+8HCl=3MgCl2+2NH4Cl。 ②氢气：N2＋3H22NH3，氮气表现氧化性； ③氧气：N2＋O22NO（闪电、汽车引擎中发生的反应），氮气表现还原性。 【典例1】N2是空气的重要组成部分，因此有科学家依据蒸汽机的原理，设计制造出液氮蒸汽机，即利用液态氮的蒸发来驱动机车，从而达到环境保护的目的，其原理主要依据是 A．液氮的沸点为﹣195.8℃，远低于常温 B．N2在空气中燃烧放热 C．N2的化学性质很稳定 D．N2在空气中的体积分数为78% 【答案】A 【解析】液氮的沸点很低，极易汽化，汽化时吸收热量，体积膨胀而驱动机车转动，此过程中不产生污染物，保护了环境，跟氮气的化学性质及在空气中的体积分数无关，故选A。 【变式1-1】氮气是一种不活泼的气体，其根本原因是 A．氮气有还原性 B．氮原子的半径较小 C．氮气是双原子分子 D．使氮气分子中的氮氮三键断裂需要吸收很高的能量 【答案】D 【解析】氮气是一种不活泼的气体，原因为氮气分子中存在氮氮三键，氮氮三键断裂需要吸收很高的能量，因此氮气的化学性质较稳定，与其具有还原性、原子半径较小、是双原子分子无关，答案选D。 【变式1-2】下列关于氮气的说法中，正确的是(　　) A．通常情况下，氮气性质比较稳定 B．可在氧气中燃烧，生成一氧化氮 C．1 mol N2与3 mol H2完全反应生成2 mol NH3 D．氮元素是活泼的非金属元素，氮气在化学反应中只能作氧化剂 【答案】A 【解析】氮气分子中含有氮氮三键，性质比较稳定，A项正确；N2不能在O2中燃烧，N2与O2在放电或高温条件下反应生成NO，B项错误；N2与H2的反应是可逆反应，1 mol N2与3 mol H2不可能完全反应生成2 mol NH3，C项错误；氮气中氮元素的化合价为0价，在化学反应中既可以升高也可以降低，既可作氧化剂，也可作还原剂，D项错误。 【变式1-3】下列关于的叙述错误的是 A．既可作氧化剂又可做还原剂 B．雷雨天，空气中的和可反应生成NO C．氮的固定是将转化成含氮化合物 D．不稳定，很活泼 【答案】D 【解析】A．N元素最高价为+5、最低价为-3，既可作氧化剂又可做还原剂，故A正确；B．雷雨天，空气中的和在放电条件下生成NO，故B正确；C．氮的固定是将转化成含氮化合物，故C正确；D．分子中含有氮氮三键，性质稳定，故D错误；选D。 ◆题型02 氮的固定的判断 知识积累 氮的固定 （1）含义：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。氮的固定分为自然固氮和人工固氮两种方式。 （2）氮的固定必须为将游离态的N2转化为化合态含氮物质的过程，为氧化还原反应，分为自然固氮（a.雷电固氮：将N2转化NO；b.根瘤菌固氮将N2转化NH4+）和人工固氮（合成氨工业，仿生固氮），氮的化合物之间的转化不能称为氮的固定。 【典例2】氮是各种生物体生命活动不可缺少的重要元素。将游离态的氮转化为氮的化合物的过程叫做氮的固定。自然界中存在的下列过程属于氮的固定的是 A．雷电作用下N2和O2反应生成NO B．蛋白质被分解为氨基酸 C．水体中的铵盐被氧化为硝酸盐 D．硝酸盐在细菌作用下生成氮气 【答案】A 【解析】A．雷电作用下N2和O2反应生成NO是氮元素的单质转化为化合物的过程，因此属于氮的固定，A正确；B．蛋白质被分解为氨基酸是氮元素的化合物之间的转化，不属于氮的固定，B错误；C．水体中的铵盐被氧化为硝酸盐是氮元素的化合物之间的转化，不属于氮的固定，C错误；D．硝酸盐在细菌作用下生成氮气的过程是氮元素的化合物转化为其单质氮气，不是氮元素的化合物转化为氮元素的单质，因此不属于氮的固体，D错误；故合理选项是A。 【变式2-1】合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就，在很大程度上解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿问题，是化学和技术对社会发展与进步的巨大贡献。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。下列过程中不属于氮的固定的是 A．3Mg+N2 Mg3N2 B．N2+O2 2NO C．N2+3H22NH3 D．6NO2+8NH37N2+12H2O 【答案】D 【分析】将游离态的氮转化为氮的化合物的过程叫做氮的固定，据此分析； 【解析】A．3Mg+N2 Mg3N2，游离态的氮转化为氮的化合物，符合氮的固定定义，A错误；B．N2+O2 2NO，游离态的氮转化为氮的化合物，符合氮的固定定义，B错误；C．N2+3H22NH3，游离态的氮转化为氮的化合物，符合氮的固定定义，C错误；D．6NO2+8NH37N2+12H2O，氮的化合物转化为游离态的氮，不符合氮的固定定义，D正确；故选D。 【变式2-2】下列反应起到氮的固定作用的是 A．NO和反应生成 B．与在一定条件下生成 C．经催化氧化生成NO D．由制碳铵和硫铵 【答案】B 【分析】氮的固定是指将游离态的氮元素转化为化合态的氮元素的过程，即将氮气转化为含氮化合物。 【解析】A．NO与O2反应生成NO2是含氮化合物之间的转化，不属于氮的固定，A错误；B．N2与H2在一定条件下反应生成NH3的过程，是将游离态的氮元素转化为化合态的氮元素的过程，属于氮的固定，B正确；C．氨的催化氧化是含氮化合物之间的转化，不属于氮的固定，C错误；D．由氨气制碳铵和硫铵是含氮化合物之间的转化，不属于氮的固定，D错误；答案选B。 【变式2-3】为提高农作物产量，现代农业生产中需要大量含氮化合物作肥料。 （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．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，配平以上化学方程式 ，若转移3 mol电子则会生成 mol NH3。 【答案】（1）A （2） 1 【解析】（1）合成氨属于人工固氮，闪电固氮属于自然固氮，根瘤菌固氮属于生物固氮，用氨气合成尿素不属于氮的固定，故选A。 （2）在该反应中，N从0价到-3价，得到电子，C从0价到+4价失去电子，根据电子转移守恒，配平化学方程式，2mol氮气反应共转移12e－：，每转移3 mol电子，则生成1 mol氨气。 ◆题型03 自然固氮的途径和转化 知识积累 自然固氮的分类： （1）生物固氮（通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化为氨）。 （2）高能固氮：高能固氮（大自然通过闪电释放能量将氮气转化为含氮的氧化物）；空气中的氮气与氧气发生反应，生成一氧化氮。一氧化氮在空气中很不稳定，易被空气中的氧气进一步氧化生成二氧化氮，二氧化氮与水反应生成硝酸。雨水中的硝酸渗人土壤后与矿物质作用生成硝酸盐，其中的硝酸根离子被植物的根系吸收，转化为植物生长所需的养料。 雷雨发庄稼:N2NONO2HNO3硝酸盐作物吸收 【典例3】在火箭燃料中作为氧化剂。下列说法正确的是 A．属于酸性氧化物 B．经转化被植物吸收，属于氮的固定 C．为红棕色且有刺激性气味的气体 D．高温时与过量的氧气反应可直接生成 【答案】C 【解析】A．NO2与氢氧化钠溶液反应生成硝酸钠、亚硝酸钠和水，故不属于酸性氧化物，A错误；B．氮的固定是指N2转化为化合物，B错误；C．为红棕色且有刺激性气味的气体，C正确；D．高温时与过量的氧气反应生成NO，NO和O2反应生成，D错误；故选C。 【变式3-1】下列关于氮的固定，说法不正确的是 A．在雷雨天，N2可直接转化NO B．工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物的过程被称之为人工固氮 C．氮的固定的过程中氮原子有可能被氧化，也有可能被还原 D．一些豆科植物的根瘤菌可以将空气中的N2转化为硝酸盐 【答案】B 【解析】A项，雷雨天，氮气和氧气能反应生成一氧化氮，正确；B项，工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物，是不同氮的化合物之间的转化，不属于氮的固定，不是人工固氮，错误；C项，氮的固定的过程中，氮元素化合价有可能升高，如氮气变为一氧化氮，也有可能降低，如氮气变为氨气，即氮原子有可能被氧化，也有可能被还原，正确；D项，一些豆科植物的根瘤菌可以将空气中的N2转化为硝酸盐，形成氮肥，属于生物固氮，正确。 ◆题型04 NO和NO2的性质 知识积累 1.NO和NO的性质 氮的氧化物 NO NO2 物理 性质 颜色 无色 红棕色 毒性 有毒 有毒 溶解性 不溶于水 易溶于水 化学 性质 与O2反应 2NO＋O2===2NO2 不反应 与H2O反应 不反应 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 2.二氧化氮溶于水的实验 （1）实验过程 实验 装置 实验 操作 在如图注射器里充入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 打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹 振荡注射器 实验 现象 无明显现象 无色气体变为红棕色 红棕色气体变浅至消失，有无色气体生成，注射器活塞向内滑动 化学 方程式 　2NO+O2 === 2NO2　、 　3NO2+H2O === 2HNO3+NO　 （2）对工业生产硝酸的启示 工业上生产硝酸时，向吸收后的废气中再通入适量的氧气或空气，能充分利用原料，并能减少NO的排放以保护环境。 【典例4】下列关于氮氧化物的说法正确的是 A．NO是红棕色气体 B．NO、都是有毒气体 C．与水反应时只作还原剂 D．NO可用向上排空气法收集 【答案】B 【解析】A．NO是无色气体，A错误；B．NO、都是有刺激性气味的有毒气体，B正确；C．与水反应时既作还原剂也做还原剂，C错误；D．NO与氧氯反应，不能用排空气法收集，D错误；故选B。 【变式4-1】下列对NO和NO2的描述正确的是 A．NO2与水的反应中，NO2既是氧化剂又是还原剂 B．NO是无色气体，可用向上排空气法收集 C．NO2可由N2和O2直接化合得到 D．从元素化合价角度看，NO只有还原性 【答案】A 【解析】A．与水发生反应：，氮元素由+4价变为+5价和+2价，则既是氧化剂又是还原剂，A项正确； B．NO易与反应生成，不能用排空气法收集，只能采用排水法收集NO，B项错误； C．和在高温或放电条件下反应生成NO，不能直接得到，C项错误； D．NO中氮元素显+2价，处于中间价态，则NO既有氧化性又有还原性，D项错误； 故选A。 【变式4-2】设为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A．一定条件下，0.1mol与足量的反应，生成的分子总数为 B．加热条件下，足量的浓硫酸与1mol铜反应，生成的分子总数为 C．0.2mol与0.1mol充分反应，生成的分子总数为 D．常温下，11.2L的分子总数为 【答案】B 【解析】A．二氧化硫和氧气反应是可逆反应，因此一定条件下，0.1mol与足量的反应，生成的分子总数小于，故A错误； B．根据Cu＋2H2SO4(浓) CuSO4＋SO2↑＋2H2O，加热条件下，足量的浓硫酸与1mol铜反应，生成的分子总数为，故B正确； C．0.2mol与0.1mol充分反应生成0.2mol，由于部分反应生成，则分子总数小于，故C错误； D．常温下，11.2L的物质的量不是0.5mol，因此分子总数不等于，故D错误； 综上所述，答案为B。 【变式4-3】为了有效实现NO和NO2的相互转化，设计如图实验。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，使氧气进入烧瓶，观察到的现象是 ，产生此现象的化学方程式为 。 （2）关上止水夹，轻轻摇动烧瓶，观察到的现象为① ；② ，产生此现象的化学方程式为 。 （3）烧杯中盛放的是酸性高锰酸钾溶液，能吸收尾气，已知NO能与MnO在酸性条件下反应生成NO和Mn2＋，写出该反应的离子方程式 。 【答案】（1）气体由无色变为红棕色 2NO＋O2=2NO2 （2）烧瓶中红棕色气体又变为无色 烧杯中导气管中液面上升 3NO2＋H2O=2HNO3＋NO （3）5NO＋3MnO＋4H＋=5NO＋3Mn2＋＋2H2O 【解析】（1）无色的NO能与O2反应产生红棕色的NO2，反应的化学方程式为：2NO+O2=2NO2； （2）NO2与水接触反应生成硝酸和NO，化学方程式为3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，红棕色NO2气体又变为无色NO气体，烧瓶中气体物质的量减小导致烧瓶中气体压强减小，烧杯中溶液进入导气管； （3）NO能与MnO在酸性条件下反应生成NO和Mn2+，一氧化氮被氧化生成硝酸盐，反应的离子方程式为：5NO＋3MnO＋4H＋=5NO＋3Mn2＋＋2H2O。 ◆题型05 合成氨的化学原理和工艺过程 知识积累 合成氨反应的特点 合成氨反应 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1 可逆性 反应为可逆反应 焓变 ΔH＜0，是放热反应 采取措施 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去 将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度(既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应) 合成氨的意义 合成氨工业的成功，为植物生长提供足够的氮肥，在很大程度上缓解了地球上有限的耕地资源与庞大的粮食需求之间的矛盾，改变了世界粮食生产的历史，使人类免受饥荒之苦。 【知识拓展】 工业合成氨的适宜条件 压强 原理分析 ①增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向向移动，压强越大越好 ②压强越大，对设备的要求越高，压缩H2和N2所需的动力越大，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益 选用条件 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa 温度 原理分析 ①降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量 ②温度越低，反应速率越小，达到平衡所需时间越长，故温度不宜过低 ③催化剂的活性在一定温度下下最大 选用条件 目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃(此温度下催化剂的活性最大) 催化剂 原理分析 即使在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 使用催化剂在较低温度时能较快进行反应 选用条件 通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒 (为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化) 浓度 原理分析 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取措施 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去 将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度(既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应) 【典例5】工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其合成原理为，下列有关合成氨反应的说法正确的是 A．和的总能量小于的总能量 B．若恒容密闭容器中混合气体平均摩尔质量不再变化，则反应达到平衡状态 C．降低的浓度能增大反应速率 D．密闭容器中充入和充分反应放出热量为 【答案】B 【解析】A．该反应为放热反应，所以1molN2和3molH2的总能量大于2molNH3的总能量，A错误； B．反应前后都是气体，反应后气体的物质的量在减小，混合气体平均摩尔质量在增大，不再变化时达到了化学平衡状态，B正确； C．降低N2的浓度能减小反应速率，C错误； D．该反应为可逆反应，所以密闭容器中充入1molN2和3molH2充分反应放出热量小于92.4kJ，D错误； 故选B。 【变式5-1】工业合成氨的反应为  。下列说法正确的是 A．工业合成氨属于自然固氮 B．反应过程中能量变化可用右图表示 C．、的物质的量之比为1:3时，合成氨达到反应限度 D．与足量发生合成氨反应，放出的热量为92.4kJ 【答案】B 【解析】A．工业合成氨是N2与H2在一定条件下反应生成NH3，属于人工固氮，A错误； B．工业合成氨是放热反应，其能量变化可用右图表示，B正确； C．当两种物质的投料比为1:3时，则在反应过程中、的物质的量之比总是1:3时，则此时无法证明合成氨达到反应限度，C错误； D．该反应为可逆反应，则与足量发生合成氨反应，放出的热量小于92.4kJ，D错误； 故选B。 【变式5-2】氨是生产化肥和其它化工产品的重要原料，工业上通过人工固氮合成氨，反应的热化学方程式为：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)  ΔH=－92.4kJ·mol－1。根据合成氨反应的热化学方程式，下列关于反应说法正确的是 A．化学反应中的能量变化主要是由化学键的变化引起的 B．反应物总能量小于生成物总能量 C．因为该反应是放热反应，故不必加热反应就能发生 D．反应结束时，N2的反应速率降为0 【答案】A 【解析】A．断裂化学键时需要吸收能量，形成化学键时会放出热量，所以化学反应中的能量变化主要是由化学键的变化引起的，故A正确； B．由方程式可知，该反应是反应物总能量大于生成物总能量的放热反应，故B错误； C．合成氨为催化剂作用下氮气与氢气高温高压条件下反应生成氨气，故C错误； D．合成氨反应为可逆反应，反应达到平衡时消耗氮气的正反应速率和生成氮气的逆反应速率相等，但不为0，故D错误； 故选A。 【变式5-3】以天然气为原料合成氨是新的生产氮肥的方法，其工艺流程如下，下列说法不正确的是 A．反应①的化学方程式为 B．反应②是氧化还原反应 C．反应③理论上当时，恰好完全反应 D．生成1.0mol至少需要0.75mol 【答案】B 【解析】A．根据工艺流程示意图可知，反应①为CH4和H2O转化为CO2和H2，配平可得反应的化学方程式为，故A正确； B．反应②为CO2和NH3在一定条件下转化为，该反应前后化合价没有发生变化，故该反应是非氧化还原反应，故B错误； C．氨气与氧气反应生成硝酸铵的过程中，根据电子守恒和元素守恒可得总反应为，所以理论上时恰好完全反应，故C正确； D．结合反应方程式，，，，可知，则生成1.0mol至少需要0.75mol，故D正确； 故选B。 ◆题型06 氮循环分析 知识积累 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。 【典例6】下图是自然界中的氮循环过程。下列有关叙述错误的是 A．反应①、反应②及工业合成氨均属于氮的固定 B．反应④中，生成至少需要提供 C．反应③的反应方程式为 D．过程中参与循环的元素有氮元素，还有氢和氧元素 【答案】B 【解析】A．反应①、反应②及工业合成氨均是将游离态氮转化成化合态氮，均属于氮的固定，A正确； B．反应④中，生成，N化合价升高失去8mol电子，而1mol氧气转移4mol电子，故至少需要提供，B错误； C．反应③为NO被O2氧化生成硝酸，反应方程式为，C正确； D．分析此过程中参与循环的元素有氮元素，还有氢和氧元素，D正确； 故选B。 【变式6-1】根据下图简单描述氮在自然界的循环过程，并思考和讨论以下问题。 （1）氮在自然界中主要以哪些形式存在_______？ （2）人体蛋白质中的氮是从哪里来的_______？ （3）自然界中有哪些固定氮的途径________？ （4）人类的哪些活动参与了氮的循环___________？ 【答案】（1）以游离态和化合态存在 （2）从动植物等食物中获取 （3）人工固氮、自然固氮 （4）工农业生产中的人工固氮、人类排泄物及遗体等参与了氮的循环 【解析】 （1）氮元素在氮气中以游离态存在，在氨、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐等中一化合态存在；故氮在自然界中主要以游离态和化合态存在。 （2）由图示可知，人体蛋白质中的氮从动植物等食物中获取。 （3）自然界中固定氮的途径有人工固氮、自然固氮。 （4）人类的工农业生产中的人工固氮、人类排泄物及遗体等参与了氮的循环。 ◆题型07 含氮物质转化与氧化还原反应 【典例7】低温等离子体(NTP)技术可有效脱除烟气中的NO，其原理是在高压放电条件下，O2产生自由基(O·)，自由基将NO氧化为NO2，再用Na2CO3溶液吸收，实验装置如下图所示。下列说法不正确的是 A．氮元素既有被氧化的过程又有被还原的过程 B．高压电源的功率越大，NO的脱除效果一定越好 C．尾气吸收采用气、液逆流的方式可提高NO2脱除率 D．单位时间内生成的自由基(O·)越多，越有利于NO的转化 【答案】B 【解析】A．NO→NO2时氮元素被氧化，用Na2CO3溶液吸收NO2生成硝酸钠和亚硝酸钠，氮元素既被氧化又被还原，故A正确；B．高压电源的功率越大，氮气和氧气可能会生成NO，烟气中NO的脱除效果将减弱，故B错误；C．尾气吸收采用气、液逆流的方式使气体与溶液充分接触，可提高NO2脱除率，故C正确；D．自由基(O·)将NO氧化为NO2，单位时间内生成的自由基(O·)越多，越有利于NO的转化，故D正确；故选B。 【变式7-1】在NO2与水的反应中，下列判断正确的是 (　　) A.氮元素的化合价不发生变化 B.氧化剂与还原剂的质量比为2∶1 C.NO2只是还原剂 D.3 mol NO2参加反应转移2 mol电子 【解析】选D。。 【变式7-2】工业上以氮气为主要原料制备硝酸，其转化过程如下所示，其中氮元素只被还原的一步是 N2NH3NONO2HNO3 A．① B．② C．③ D．④ 【答案】A 【分析】 氮元素只被还原，表明含氮物质作氧化剂，氮元素化合价降低。 【解析】 ①N2→NH3，N元素的化合价降低，①符合题意； ②NH3→NO，N元素的化合价升高，②不合题意； ③NO→NO2，N元素的化合价升高，③不合题意； ④NO2→HNO3，N元素的化合价一部分升高，一部分降低，④不合题意； 综合以上分析，只有①符合题意；故选A。 【变式7-3】将氮氧化物直接排入空气中会污染空气，可用酸性溶液吸收，反应原理为，下列说法正确的是 A．每吸收，反应中转移电子 B．氧化性：酸性溶液<稀硝酸 C．可使酸性溶液褪色，体现了的漂白性 D．汽车发动机燃料燃烧产生的易溶于水 【答案】A 【解析】A．由方程式可知，酸性高锰酸钾溶液吸收5mol一氧化氮，反应转移电子的物质的量为15mol，则吸收30g一氧化氮时，反应转移电子的物质的量为×3=3mol，故A正确；B．由方程式可知，反应中锰元素的化合价降低被还原，高锰酸钾是反应的氧化剂，氮元素的化合价升高被氧化，硝酸根离子是氧化产物，由氧化剂的氧化性强于氧化产物可知，酸性高锰酸钾溶液的氧化性强于稀硝酸，故B错误；C．由方程式可知，氮元素的化合价升高被氧化，一氧化氮是反应的还原剂，则一氧化氮使酸性高锰酸钾溶液褪色，体现了一氧化氮的还原性，故C错误；D．一氧化氮是难溶于水的无色气体，故D错误；故选A。 【变式7-4】氮元素在人类生产生活中扮演着重要角色。回答下列问题： （1）氨氮废水中的氮元素多以形式存在，某研究团队设计的处理流程如下： ①过程：在微生物作用下利用实现转化，称为硝化过程，该过程中氨氮废水被 (填“氧化”或“还原”)。 ②过程：一定条件下向废水中加入甲醇()可实现转化，称为反硝化过程，该过程中甲醇作 剂(填“氧化”或“还原”)。 （2）氮氧化物排入大气中会产生硝酸型酸雨。一种用氧化消除氮氧化物的方法主要包括两步反应：无污染的气体，反应的化学方程式为，反应的化学方程式为 ；标准状况下，处理气体生成“无污染的气体”的体积为 L(不考虑转化过程的损耗)。 【答案】（1）氧化 还原 （2） 5.6 【解析】（1）①N元素的化合价升高，故硝化过程中氨氮废水被氧化； ②N的化合价降低被甲醇还原，故甲醇作还原剂； （2）反应Ⅱ为亚硫酸钠与二氧化氮反应生成无污染的氮气和硫酸钠，故化学方程式为；根据化学方程式可知，4NO~2NO2~N2，标准状况下，处理气体生成“无污染的气体”氮气0.25mol，体积为5.6L。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$