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[素养发展目标] 1.能依据氮分子的微观结构预测其化学性质。2.认识人工固氮的化学原理和社会价值。3.能从物质类别和氮元素的化合价认识氮氧化物的性质与转化。4.体会化学科学在解决人类社会面临的粮食危机中所发挥的重要作用。
一、氮分子的结构
1.氮元素的存在
在自然界中,氮元素既有______,也有______,但绝大部分氮元素以游离态的氮气分子形式存在于空气中。
2.氮气
(1)氮分子的结构
氮气分子的电子式和结构式分别为________、_______。
(2)氮气的物理性质
颜色
气味
溶解性
密度
____
____
__溶于水
比空气的____
(3)化学性质
①稳定性
通常状况下,氮气的化学性质不活泼,它很难与其他物质________。
②N2与O2的反应(表现出还原性)
闪电时或汽车引擎中发生的反应为________________________________。
N2+O2 eq \o(==========,\s\up17(放电或高温),\s\do5( )) 2NO
③N2与H2的反应(表现出氧化性)
化学方程式为________________________________。
④N2与Mg的反应(表现出氧化性)
化学方程式为N2+3Mg eq \o(=====,\s\up17(点燃),\s\do16( )) Mg3N2。
N2+3H2 eq \o(,\s\up17(高温、高压),\s\do17(催化剂)) 2NH3
【即学即练】
1.判断正误:正确的打“√”,错误的打“×”
(1)空气中N2的体积分数约为78%( )
(2)氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气( )
(3)氮原子与其他原子只能形成共价键,不能形成离子键( )
(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在高温条件与O2发生燃烧生成NO( )
二、自然固氮
1.氮的固定
将空气中游离态的氮转化成______________叫做氮的固定,简称________。
自然固氮
生物固氮:自然界中的一些微生物种群将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物,约占自然固氮的90%
高能固氮:通过闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物,约占自然固氮的10%
2.高能固氮的实例——“雷雨发庄稼”
(1)利用化学方程式解释“雷雨发庄稼”的原理:___________________________________________________________________。
雨水中的硝酸渗入土壤后与矿物质作用生成____________,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。
(2)一氧化氮和二氧化氮的性质
①物理性质:
颜色
状态
气味
毒性
水溶性
NO
____色
气态
____
____
____溶
NO2
____色
气态
_________气味
____
____溶
②化学性质
a.NO→NO2___________________ (NO表现_________)。
b.NO2→NO:__________________________ (NO2既表现_________,又表现_________)。
c.危害:大气中NO和NO2达到一定浓度时都会对人体造成伤害,能引发上呼吸道及肺部疾病。
应用:一氧化氮在调节心脑血管、神经和免疫系统等方面有着十分重要的生物学作用和医学前景,受到人们的普遍重视。二氧化氮在火箭燃料中用作氧化剂,在工业上可以用来制造硝酸。
2NO+O2===2NO2
3NO2+H2O===2HNO3+NO
【即学即练】
2.下列关于氮的氧化物的叙述正确的是( )
A.氮的氧化物只有NO、NO2
B.氮的氧化物均为红棕色气体
C.氮的氧化物均有毒
D.氮的氧化物在空气中能稳定存在
C [氮的氧化物包括NO、N2O、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等,A项错误;NO、N2O4等均为无色气体,B项错误;氮的氧化物均有毒,C项正确;NO在空气中易被O2氧化为NO2,D项错误。]
三、人工固氮——合成氨
1.合成氨
(1)合成氨的反应原理(用化学方程式表示):N2(g)+3H2(g) eq \o(,\s\up17(高温、高压),\s\do16(催化剂)) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1
(2)工业操作流程
合成氨的原料是氮气和氢气,在较高温度下将混合气体加压后送到合成塔中进行反应。该反应放出大量的热,工业上往往用来预热原料气,以达到反应
所需的温度,节约能源。合成氨达到平衡时,混合气体中氨的含量为20%左右,从中分离出氨后,将未反应的氮气、氢气送回合成塔循环使用。
(3)合成氨的意义
为植物生长提供足够的氮肥,有效帮助解决粮食短缺问题。
2.自然界中的氮循环
【即学即练】
3.下列关于自然界中氮循环(如图)的说法错误的是( )
A.碳、氢、氧三种元素也参加了氮循环
B.含氮的无机物和含氮的有机物可以相互转化
C.仿生固氮和根瘤菌固氮均为自然固氮
D.氮元素有的发生氧化反应,有的发生还原反应
C [仿生固氮是模仿生物将大气中的氮固定,非自然固氮,故C错误。]
一、探究氮气的性质与作用
氮气是一种无色无味的气体,是空气的主要成分。在标准大气压下,冷却至-195.8 ℃时,气态氮变成没有颜色的液体,冷却至-209.8 ℃时,液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质不活泼,常被用来制作防腐剂。但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化,用来制取对人类有用的新物质。
3.合成氨反应是最重要的人工固氮途径,写出反应的化学方程式,并分析反应中的氧化剂、还原剂。
提示: N2+3H2 eq \o(,\s\up17(高温、高压),\s\do16(催化剂)) 2NH3,氧化剂是氮气,还原剂是氢气。
1.请你根据上图推测: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,可以减慢粮食瓜果被氧气氧化变质。
2.与同学交流或查阅资料,分析液氮用于医疗手术的原理是什么。
提示: 液氮汽化吸收热量,使温度迅速下降。通过极速冷冻将病区细胞迅速杀死,使病区恢复正常。
1.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。
2.氮气性质的“一惰性、两反应”。氮气化学性质很稳定,通常状况下,很难与其他物质反应,但是在一定条件下也能与氢气、氧气等反应。
3.氮气的制备
(1)工业制备:液态空气分离法
利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点低,先将空气加压降温变成液态,然后再加热,由于液氮的沸点比氧气的沸点低,首先从液态空气中蒸发出来是氮气。
(2)实验室制备
实验室制备少量氮气是通过亚硝酸钠与氯化铵的饱和溶液相互作用:NH4Cl + NaNO2 eq \o(=====,\s\up17(加热),\s\do16( )) NaCl +2H2O+N2↑。
1.(2022·常州市教育学会下学期期中)下列反应中,不属于氮的固定的是( )
A.空气中的N2与O2放电时生成NO
B.NO遇空气中的O2生成NO2
C.N2和H2在一定条件下合成NH3
D.豆科植物把N2转化为化合态的氮
B [A.雷雨闪电时空气中的N2与O2化合生成NO,是将游离态的氮转化为化合态的氮的过程,属于氮的固定,A项正确;B.NO和O2生成NO2是氮的化合物之间的转化过程,不属于氮的固定,B项错误;C.N2和H2在一定条件下合成NH3,是将游离态的氮转化为化合态的氮的过程,属于氮的固定,C项正确;D.豆科植物把N2转化为化合态的氮,是将游离态的氮转化为化合态的氮的过程,属于氮的固定,D项正确;答案选B。]
2.(2023·盐城市滨海县五汛中学期中)下列有关氮气的叙述中错误的是( )
A.氮气可作贮存水果、粮食的保护气
B.氮气既可作氧化剂,又可作还原剂
C.在雷雨天,空气中的N2和O2反应生成NO
D.氮的非金属性比磷强,所以常温下氮气的化学性质比磷活泼
D [A.氮气很稳定,氮气可作贮存水果、粮食的保护气,故A正确;B.氮气中N元素为0价,既可以得电子又可以失电子,所以既可作氧化剂,又可作还原剂,故B正确;C.N2和O2在放电时可以生成NO,在雷雨天,N2和O2反应生成NO,故C正确;D.氮的非金属性比磷强,但是常温下氮气分子存在N≡N,化学性质很稳定,故D错误;故答案为D。]
二、氮的氧化物性质探究
信使分子——NO
在1998年三位美国药理学家发现“NO是心血管系统的信号分子”,而获得诺贝尔医学奖。三位科学家发现NO在人体血管内具有传递信号的功能,使血管处于持续的舒张状态,血压降低,NO可抑制VSMC和心肌细胞增殖,维持其正常的有丝分裂。
3.把一支充满10 mL NO的试管倒置在水槽中,需向试管中通入多少mL O2才能使水充满试管?
提示: 根据反应:2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO,得总反应:4NO+3O2+2H2O===4HNO3可知V(O2)= eq \f(3,4) V(NO)=7.5 mL。
1.NO和NO2是否属于酸性氧化物?写出属于酸性氧化物的化学式。
提示: NO和NO2不属于酸性氧化物 氮的氧化物中属于酸性氧化物的为N2O3 N2O5
2.实验室如何收集NO气体和NO2气体?
提示: 用排水法收集NO,用向上排空气法收集NO2。
4.把一支充满NO2气体的10 mL试管倒置在水槽中充分反应后,水能否充满试管?最后液体进入试管的体积占试管体积的比例是多少?
提示: 不能。NO2与水反应的化学方程式为3NO2+H2O===2HNO3+NO,由此可知最后水只能充满整个试管体积的2/3。
1.NO、NO2性质的比较
性质
一氧化氮
二氧化氮
物
理
性
质
颜色
无色
红棕色
状态
气体
气体
气味
无味
有刺激性气味
密度
比空气略大
比空气大
溶解性
微溶于水
与水反应
毒性
有毒
有毒
性质
一氧化氮
二氧化氮
化学性质
与氧气反应2NO+O2===2NO2
与水反应3NO2+H2O===2HNO3+NO
2.氮的氧化物溶于水的计算
(1)计算依据
3NO2+H2O===2HNO3+NO ①
2NO+O2===2NO2 ②
①×2+②⇒4NO2+O2+2H2O===4HNO3 ③
①×2+②×3⇒4NO+3O2+2H2O===4HNO3 ④
(2)氮的氧化物与氧气混合后溶于水的情况分析
①NO2和O2的混合气体溶于水(足量)时,情况分析见下表:
气体比例
剩余气体情况
V(NO2)∶V(O2)=4∶1时
恰好反应,无气体剩余
V(NO2)∶V(O2)<4∶1时
剩余氧气
V(NO2)∶V(O2)>4∶1时
NO2过量,剩余气体为NO,且其体积为过量NO2体积的 eq \f(1,3)
②NO和O2同时通入水(足量)中时,情况分析见下表:
气体比例
剩余气体情况
V(NO)∶V(O2)=4∶3时
恰好反应,无气体剩余
V(NO)∶V(O2)<4∶3时
剩余氧气
V(NO)∶V(O2)>4∶3时
剩余NO
1.(2022·江苏省马坝高级中学下学期期中)病毒学研究证实,一氧化氮对病毒有直接控制作用。下列关于一氧化氮的叙述正确的是( )
A.一氧化氮是一种红棕色气体
B.一氧化氮易溶于水,不能用排水法收集
C.一氧化氮可由氮气和氧气在放电条件下直接化合得到
D.常温常压下,一氧化氮不能与空气中的氧气直接化合
C [A.一氧化氮是一种无色气体,A错误;B.一氧化氮微溶于水,可以用排水法收集,B错误;C.氮气和氧气在放电条件下生成一氧化氮,C正确;D.常温常压下,一氧化氮与空气中的氧气直接反应生成二氧化氮,D错误;故选C。]
2.下列对NO、NO2的描述,正确的是( )
A.NO是红棕色气体,易溶于水,是酸性氧化物
B.NO2可用排水法收集,且可由N2和O2化合而得到
C.NO、NO2在一定条件下可相互转化,且二者都是大气污染物
D.NO密度比空气大,可用排空气法收集
C [NO是无色微溶于水的气体,不与碱反应,不是酸性氧化物,A项错误;NO2能与水反应:3NO2+H2O===2HNO3+NO,N2和O2反应生成NO,B项错误;NO和O2发生反应:2NO+O2===2NO2,NO2与H2O反应生成NO,NO、NO2都是大气污染物,C项正确;NO易与O2反应,不能用排空气法收集,D项错误。答案:C]
3.(2022·哈尔滨市第三中学校第一次验收)在相同温度和压强下,向两支不同体积的试管中分别通入9 L NO2和一定体积NO的混合气体,并将试管倒立于盛有水的水槽中,待试管内液面不变后再分别通入6L O2充分反应后,均剩余1.5 L气体,则原NO体积可能为( )
①2 L ②3 L ③4 L ④4.5 L ⑤6.5 L
A.①③ B.①⑤ C.③④ D.②⑤
D [4NO2+O2+2H2O===4HNO3
4 1
9 2.25
则一定体积的NO和3.75 L体积的氧气发生反应:4NO+3O2+2H2O===4HNO3①若剩余气体为NO,则由反应可知,消耗NO为5 L,则原NO的体积为1.5 L+5 L=6.5 L;②若剩余气体为氧气,则4NO+3O2+2H2O===4HNO3中反应的氧气为2.25 L,则原NO的体积为2.25× eq \f(4,3) =3 L。故选D。]
1.(2022·孝义市下学期第一次月考)下列关于N2的说法错误的是( )
A.N2可在电焊时作保护气
B.N2的质量约占空气总质量的 eq \f(4,5)
C.氮气的电子式为
D.氮气的结构式为N≡N
B [A.构成氮气的两个氮原子间是氮氮三键,键能很大,通常情况下,氮气的性质稳定,可在电焊时作保护气,故A正确;B.N2的体积约占空气总体积的 eq \f(4,5) ,故B错误;C.氮原子最外层有5个电子,两个氮原子之间共用三对电子,可以使得每个氮原子达到8电子稳定结构,则氮气的电子式为
2.下列关于氮及其化合物的说法正确的是( )
A.N2化学性质稳定,可用作保护气
B.NO、NO2均为大气污染气体,在大气中可稳定存在
C.NO、NO2均易溶于水
D.NO、NO2均能与水发生反应
A [氮气的化学性质稳定,因此可作为大多数物质的保护气,A项正确;一氧化氮会与氧气反应,因此不能在空气中稳定存在,B项错误;一氧化氮微溶于水,C项错误;一氧化氮不与水发生反应,D项错误。]
3.(2022·河南省大联考下学期阶段性测试三)同温同压下,将三组气体(组内两种气体等体积混合而成):①NO+O2,②NO2+N2,③NH3+H2,分别通入体积相同的试管中,待气体充满试管后立即倒立于水槽中(如图所示),试管内液面稳定后,剩余气体体积最少的是( )
A.①
B.②
C.③
D.无法确定
A [①中发生的反应为4NO+3O2+2H2O===4HNO3,根据方程式可知,氧气有剩余,参加反应的氧气的总体积为 eq \f(3,4) ,一氧化氮全部参加反应,所以混合气体减少的体积为试管体积的 eq \f(7,8) ,剩余气体体积为试管体积 eq \f(1,8) ;②中发生的反应为3NO2+H2O===2HNO3+NO,氮气不反应,根据方程式可知,气体减少的体积为二氧化氮体积的 eq \f(2,3) ,氮气占混合气体的 eq \f(1,2) ,所以试管内气体减少的
体积为试管体积的 eq \f(1,3) ,剩余气体体积为试管体积的 eq \f(2,3) ;③中氨气全部溶于水,氢气不溶,所以试管内气体减少的体积为试管体积的 eq \f(1,2) ,剩余气体体积为试管体积的 eq \f(1,2) ;综上所述剩余气体体积最少的是①,故答案为A。]
4.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,观察现象Ⅰ。打开弹簧夹,快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹,振荡注射器,再观察现象Ⅱ。下列说法错误的是( )
A.现象Ⅰ为无明显现象,现象Ⅱ为吸入空气后气体变为红棕色,再振荡后气体又变为无色,同时注射器的活塞向内移动
B.吸入10 mL空气后,NO无剩余
C.若吸入过量的空气后,所得溶液的溶质的浓度约为0.18 mol/L(假设气体均处于标准状况)
D.向吸入过量的空气后所得溶液中滴加紫色石蕊溶液,溶液呈红色
B [A.NO微溶于水、不与水反应,通入氧气后NO被氧化生成红棕色气体NO2,NO2能与水反应,3NO2+H2O===2HNO3+NO,为气体体积减小的反应,可观察到气体又变为无色,同时注射器的活塞向内移动,故A正确;B.NO与水不反应,有氧气存在,发生反应4NO+3O2+2H2O===4HNO3,20 mL NO反应需要15 mL氧气,吸入10 mL空气后,氧气不足,NO有剩余,故B错误;C.空气足量,能将NO充分转化为硝酸,反应方程式为4NO+3O2+2H2O===4HNO3,标准状况下20 mL NO物质的量为n= eq \f(V,Vm) = eq \f(20×10-3L,22.4 L/mol ) =
eq \f(5,56) ×10-2 mol ,n(HNO3)= n(NO)= eq \f(5,56) ×10-2 mol ,所得溶液的溶质HNO3的浓度约为c= eq \f(n,V) = eq \f(\f(5,56)×10-2 mol ,5×10-3L) ≈0.18 mol/L,故C正确;D.NO与水不反应,吸入过量的空气有氧气存在,发生反应4NO+3O2+2H2O===4HNO3,将注射器中的NO充分转化为硝酸,滴加紫色石蕊溶液,溶液呈红色,故D正确;故选B。]
5.NO与NO2中氮元素的价态均处于中间价态,则NO与NO2均既有氧化性又有还原性。
(1)NO极易与氧气反应表现________性,化学方程式为________________;在一定条件下与氨气发生归中反应生成N2,其化学方程式为_______________
_________________________________________________________________。
(2)NO2可发生自身歧化反应,NO2与H2O反应的化学方程式为________________,氧化剂和还原剂的物质的量之比为________,NO2与NaOH溶液反应可生成两种盐,其中一种是NaNO3,化学方程式为______________
________________________________________________________________。
答案: (1)还原 2NO+O2===2NO2 4NH3+6NO eq \o(=========,\s\up17(一定条件),\s\do16( )) 5N2+6H2O
(2)3NO2+H2O===2HNO3+NO 1∶2 2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O
$$