第5章 第2节 第1课时 氮气和氮的氧化物-【金版教程】2024-2025学年高中化学必修第二册创新导学案word（人教版2019 不定项版）

第二节　氮及其化合物 第一课时　氮气和氮的氧化物 [学习目标]　1．能从分子结构的角度认识氮气的化学稳定性，熟知氮气与镁、氧气、氢气的化学反应及其条件，了解氮的固定和自然界中氮的循环。2．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，熟知工业制硝酸的反应原理，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。 一、氮气与氮的固定 1．氮的结构及存在 (1)氮原子的结构 氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族。氮原子最外电子层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。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 氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素以化合物的形式存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。 2．氮气的性质 (1)氮气无色、无味、不溶于水。 (2)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。但在高温、放电等条件下，氮气能够与镁、氧气、氢气等发生化合反应： 3．氮的固定 (1)定义：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。 (2)类别 二、一氧化氮与二氧化氮 1．物理性质 物质 颜色 状态 气味 水溶性 NO 无色 气体 无味 不溶于水 NO2 红棕色 气体 刺激性 易溶于水 2．相互转化 NONO2 写出下列转化的化学方程式： ①NO→NO2：2NO＋O2===2NO2。 ②NO2→NO：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，该反应中NO2既表现氧化性，又表现还原性，工业上利用这一原理生产硝酸。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)氮原子与其他原子只能形成共价键，不能形成离子键。(　　) (2)氮的固定中氮元素一定被氧化。(　　) (3)由于NO极易与O2反应，并且其密度与空气相差不多，因此收集NO要用排水法。(　　) (4)NO2能与碱反应生成硝酸盐、亚硝酸盐和水，是酸性氧化物。(　　) (5)N2与O2反应时，不论O2是否足量，其一步反应都只能得到NO，不能生成NO2。(　　) (6)NO和NO2都是有刺激性气味的有毒气体，它们都是大气污染物。(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)× 1980年美国药理学家发现NO可在生物体内发挥信号传递作用，对人体的呼吸、免疫系统等有良好的作用，因此NO在1992年被《Science》评选为“年度分子”。 [问题探究] 1．如何验证某无色气体是NO? 提示：向无色气体中通入O2(或空气)，无色气体变为红棕色，则该气体是NO。 2．NO是汽车尾气主要污染物之一，NO是如何形成的？ 提示：在机动车发动机中，燃料燃烧产生的高温条件会使空气中的N2与O2反应生成NO。 3．已知NO2可与水反应生成HNO3，所以NO2是酸性氧化物，对吗？若不对，请说明理由。 提示：不对。NO2中的N为＋4价，HNO3中的N为＋5价，且NO2与H2O反应不仅生成HNO3，还生成了NO。 知识点一　NO与NO2的性质探究 [重点讲解] 1．NO与NO2的性质比较 物质 NO NO2 色、态、味、毒性 无色、无臭、有毒气体，密度比空气略大 红棕色、有刺激性气味、有毒气体，密度比空气大，易液化 水溶性 不溶于水 易溶于水 与氧气反应 2NO＋O2===2NO2(还原性) 不反应 与水反应 不反应 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO(自身氧化还原) 与氧气、水同时作用 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 氧化性 6NO＋4NH35N2＋6H2O 6NO2＋8NH37N2＋12H2ONO2能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝 2．氮的氧化物与水反应的实验探究 (1)操作方法 将充满NO2、NO的试管分别倒置于水槽中，并通过导管通入适量的氧气。 实验装置 实验现象 试管充满水需满足的条件 红棕色气体逐渐减少，试管内液面上升，持续通入适量O2，试管内可充满水 V(NO2)∶V(O2)＝4∶1 无色气体变红棕色，后逐渐减少，试管内液面上升，持续通入适量O2，试管内可充满水 V(NO)∶V(O2)＝4∶3 (2)相关反应原理 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ① 2NO＋O2===2NO2 ② 由方程式①×2＋②得： 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 ③ 由方程式①×2＋②×3得： 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 ④ [知识拓展]　(1)氮的氧化物中属于酸性氧化物的只有N2O3、N2O5；N2O、NO、NO2、N2O4都不是酸性氧化物。 (2)NO2和N2O4是两种不同的氧化物，通常情况下，NO2能进行自身二聚：2NO2(红棕色)N2O4(无色)，故NO2中总混有N2O4。 [对点练习] [练1]　如图所示，试管中盛装的是红棕色气体，当倒扣在盛有水的水槽中时，试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中水柱继续上升，经过多次重复后，试管内完全被水充满，对原试管中盛装气体的说法正确的是(　　) ①可能是N2与NO2的混合气体　②可能是NO2气体　③可能是NO与NO2的混合气体 ④只可能是NO2一种气体 A．①② B．②③ C．③④ D．①④ 答案　B 解析　试管中盛装的是红棕色气体，那么一定有二氧化氮的存在，与水反应后生成一氧化氮，所以没有充满试管，继续通入氧气，最终充满试管，N2不溶于水，在溶液中不能与氧气反应，则①错误；③中通入足量的氧气，NO也可以全部被吸收，故②③正确。 [练2]　NO与NO2中氮元素的化合价均处于中间价态，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，其化学方程式为__________________________________________________。 答案　(1)还原　2NO＋O2===2NO2　4NH3＋6NO5N2＋6H2O (2)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　1∶2　2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O [易错警示] 1．实验室里收集NO气体是用排水法而不能用排空气法。 2．检验NO气体的方法是向气体中通入O2(或空气)，气体由无色变为红棕色。 3．氮的氧化物都是大气污染物，NO2是造成光化学烟雾的主要物质，实验中产生的NO2尾气可用NaOH溶液吸收，发生反应：2NaOH＋2NO2===NaNO2＋NaNO3＋H2O。 4．氮的固定为将游离态的N2转化为化合态含氮物质的过程，一定为氧化还原反应。 知识点二　氮的氧化物与水反应的计算规律 [重点讲解] 1．NO2单独溶于水(按反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO计算) 剩余气体是NO，V(NO)＝V(NO2)。 2．NO2与O2的混合气体溶于水(按反应4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3计算) 3．NO与O2的混合气体溶于水(按反应4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3计算) [知识拓展]　氮的氧化物溶于水的计算的其他方法——原子守恒法 4NO2＋O2和4NO＋3O2从组成上均相当于2N2O5的组成，都与N2O5＋H2O===2HNO3等效。当NO、NO2、O2的混合气体溶于水时，利用混合气体中N、O原子个数比进行分析判断。 n(N)∶n(O) [对点练习] [练3]　在一定温度和压强下，将一容积为15 mL的试管充满NO2后，倒置于一个盛有水的水槽中。当试管内液面上升至一定高度不再变化时，在相同条件下再通入O2，若要使试管内液面仍保持在原高度，则通入O2的体积为(　　) A．3．75 mL B．7．5 mL C．8．75 mL D．10．5 mL 答案　C 解析　15 mL NO2与水反应后生成5 mL NO，根据反应4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，使5 mL NO完全被氧化需O2体积为5 mL×＝3．75 mL。根据题意，通入的O2应过量5 mL，则共需通入O2 8．75 mL。 [练4]　将10 mL充满NO2和O2的混合气体的试管，倒置在水槽中，反应停止后试管内剩余2 mL的无色气体，求原混合气体中NO2和O2各多少毫升？(写出计算过程) 答案　剩余的2 mL气体可能是NO或O2，分两种情况讨论：(1)剩余的是NO，可以看成先发生了反应：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，剩余的NO2又与水作用，最终有2 mL NO产生。由反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO得剩余的NO2体积为2 mL×3＝6 mL。则原有O2体积为(10 mL－6 mL)×＝0．8 mL，NO2体积为10 mL－0．8 mL＝9．2 mL。 (2)剩余的是O2，则参加反应的NO2和O2的混合气体有10 mL－2 mL＝8 mL，按反应：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3进行计算。所以NO2的体积为8 mL×＝6．4 mL，O2体积为10 mL－6．4 mL＝3．6 mL。 [易错警示] NO、O2难溶于水，但NO2易溶于水且与水反应，所以氮氧化物溶于水的各种情况中，剩余气体可为NO或O2，但不可能是NO2或NO与O2同时剩余。 1．下列关于氮的氧化物的说法中，正确的是(　　) A．氮的氧化物都是酸性氧化物 B．氮的氧化物都既有氧化性，又有还原性 C．NO2与H2O反应生成HNO3，所以NO2是酸性氧化物 D．NO和NO2均有毒 答案　D 2．氮的循环在自然界元素的循环中具有重要的意义，有些氮的转化是从氮气转化为含氮的化合物，有的转化发生在含氮的化合物之间。下列过程中，属于氮的固定的是(　　) A．汽车尾气中的氮氧化物形成酸雨 B．硝化细菌的硝化过程 C．动物尸体腐烂 D．豆科植物的根瘤菌固氮 答案　D 3．NO对于心脑血管系统功能的改善具有重要作用。下列关于NO的描述不正确的是(　　) A．不溶于水 B．可由氮气和氧气在放电条件下反应生成 C．常温下能与氧气化合 D．红棕色气体 答案　D 4．对3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反应的下列说法正确的是(　　) A．氧化剂与还原剂的质量比为1∶2 B．氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2 C．NO2是氧化剂，H2O是还原剂 D．在反应中若有6 mol NO2参与反应时，有3 mol电子发生转移 答案　A 5．将盛有30 mL NO和NO2混合气体的试管倒置于放满水的水槽中，最后试管中气体的体积是20 mL，则原混合气体中NO的体积是(　　) A．24 mL B．15 mL C．18 mL D．12 mL 答案　B 解析　NO2与水反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，设原混合气体中NO与NO2的体积分别为x、y，则剩余气体体积20 mL是原NO气体与上述反应生成的NO气体的总体积，列方程，即可得NO和NO2体积都是15 mL。 课时作业 [学习·理解] 本组内选择题只有1个选项符合题意。 1．二十四节气是中国独有的传统文化，农谚“雷雨肥田”“雨生百谷”描述的都是谷雨节气。下列元素在自然界中的转化与“雷雨肥田”有关的是(　　) A．K B．P C．N D．O 答案　C 2．氮气能大量存在于空气中的根本原因是(　　) A．氮气性质稳定，即使在高温下也不与其他物质发生反应 B．氮气比空气轻且不溶于水 C．氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定 D．氮气既无氧化性，也无还原性，不与其他物质反应 答案　C 3．下列关于NO的说法中正确的是(　　) A．NO是无色气体，易溶于水，是酸性氧化物 B．NO在人体内可做“信使分子”，能扩张血管，提高免疫力等，因此大气中的NO对人体无害 C．NO在空气中可以转化为NO2，二者都是大气污染物 D．NO在化学反应中，只能作还原剂，不能作氧化剂 答案　C 4．关于二氧化硫和二氧化氮叙述正确的是(　　) A．两种气体都是无色有毒的气体，且都可用水吸收以消除对空气的污染 B．二氧化硫与过量的二氧化氮混合后通入水中能得到两种常用的强酸 C．两种气体都具有强氧化性，因此都能够使品红溶液褪色 D．两种气体溶于水都可以与水反应，且只生成相应的酸 答案　B 解析　A中二氧化氮为红棕色气体，二氧化氮与水反应生成的NO也是大气污染物之一；B中二氧化氮跟水反应，生成了硝酸，硝酸氧化亚硫酸生成硫酸，能得到两种常用的强酸；C中二氧化硫的漂白原理不是利用强氧化性，二氧化硫也不具有强氧化性；D中二氧化氮跟水反应，还生成了一氧化氮。 5．某混合气体中可能含有Cl2、O2、SO2、NO、NO2中的两种或多种。现将此无色透明的混合气体通过品红溶液后，品红溶液褪色，把剩余气体排入空气中，很快变为红棕色。对于原混合气体成分的判断中正确的是(　　) A．肯定有SO2和NO B．肯定没有Cl2、O2和NO C．可能有Cl2和O2 D．肯定只有NO 答案　A 解析　由题意可知，混合气体无色，故无Cl2(黄绿色)、NO2(红棕色)；能使品红溶液褪色，说明有SO2；剩余气体排入空气中，很快变为红棕色，说明产生了NO2，进而说明原混合气体中有NO，故无O2。 6．将盛有N2和NO2混合气体的试管倒立于水中，经过足够长的时间后，试管内气体的体积缩小为原来的一半，则原混合气体中N2和NO2的体积比是(　　) A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．3∶1 答案　C 解析　设NO2的体积为x，N2的体积为(1－x)，由题意结合化学方程式3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，可得x＋(1－x)＝，x＝，1－x＝，N2和NO2的体积比为1∶3。 7．将盛有12 mL NO2和O2的混合气体的量筒倒立于水槽中，充分反应后，还剩余2 mL无色气体，则原混合气体中O2的体积和剩余的2 mL气体可能分别是(　　) A．1．2 mL，NO B．2．4 mL，O2 C．3．5 mL，O2 D．4 mL，NO 答案　A 解析　解题依据的化学反应原理为4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。设O2的体积为x。剩余的气体有两种可能：①若剩O2，则V剩＝x－(12 mL－x)＝2 mL，解得x＝4 mL，B、C不正确。②若剩NO，则V剩＝[(12 mL－x)－4x]＝2 mL，解得x＝1．2 mL，A正确。 8．以下是氮循环的一部分： (1)NO2的颜色是________。 (2)反应①的化学方程式是______________________________________________________。 (3)NO2易溶于水，并和水发生化学反应。该反应中，氧化剂是________。 (4)化合物A的化学式是________。 (5)治理汽车尾气的一种方法是用催化剂使NO与CO发生反应：2NO＋2CO2CO2＋N2。当生成2 mol N2时，被还原的NO为________mol。 答案　(1)红棕色　(2)N2＋O22NO　 (3)NO2　(4)HNO3　(5)4 [应用·实践] 本组内选择题有1个或2个选项符合题意。 9．氮是动植物生长不可缺少的元素，含氮化合物也是重要的化工原料。自然界中存在如图所示的氮元素的循环过程，下列说法不正确的是(　　) A．过程①“雷电作用”中发生的反应是N2＋2O22NO2 B．过程③“固氮作用”中，氮气被还原 C．⑤中涉及的反应可能有2NO＋O2===2NO D．⑥中涉及的反应可能有2NO＋12H＋===N2↑＋6H2O 答案　AD 10．实验室以空气和镁为原料制备Mg3N2的装置如图所示(夹持和加热装置略去)： 下列说法正确的是(　　) A．装置A、B中可依次加入浓硫酸、NaOH溶液 B．若去掉装置C，对产品纯度无影响 C．实验时应先加热C，通入一段时间空气后再加热D D．E中碱石灰的作用是吸收尾气 答案　C 解析　要制备Mg3N2，需要除去空气中的O2、CO2和H2O，则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸，A错误；若去掉装置C，Mg与O2反应会生成MgO，影响产品纯度，B错误；装置E中的碱石灰是为了吸收空气中的CO2和H2O，D错误。 11．在一定条件下，将6体积的NO2和一定体积的NO置于试管中，并将试管倒置于水中，当通入4．5体积的O2充分反应后，剩余1．5体积气体，则原NO体积为(　　) A．3体积 B．4体积 C．2体积 D．5体积 答案　C 解析　剩余的1．5体积气体可能是一氧化氮，也有可能是氧气。若是一氧化氮，则氧气全部反应，二氧化氮完全反应用掉了1．5体积氧气，剩余3体积应该被一氧化氮消耗，所以一氧化氮体积为4体积＋1．5体积＝5．5体积；若剩余的为氧气，则过程中一氧化氮消耗的氧气为1．5体积，所以一氧化氮的体积是2体积。 12．在容积为672 mL的烧瓶里充满NO、NO2的混合气体，将其倒立在水槽里，去塞后再通入280 mL氧气，恰好完全反应，且水充满烧瓶(气体体积都折合成标准状况下)。假设烧瓶内液体不扩散，下列有关叙述中，正确的是(　　) A．总反应可能为NO＋NO2＋O2＋H2O===2HNO3 B．总反应可能为4NO＋8NO2＋5O2＋6H2O===12HNO3 C．生成HNO3的物质的量浓度接近0．03 mol·L－1 D．生成HNO3的物质的量浓度约为0．045 mol·L－1 答案　BD 解析　根据得失电子守恒知：3n(NO)＋n(NO2)＝4n(O2)，且由题意知n(NO)＋n(NO2)＝＝0．03 mol，n(O2)＝＝0．0125 mol，解得n(NO)＝0．01 mol，n(NO2)＝0．02 mol，则总反应为4NO＋8NO2＋5O2＋6H2O===12HNO3。V(NO2＋NO)∶V(O2)＝12∶5，因烧瓶中的气体最终均生成了HNO3，故所得溶液的体积与溶解的NO2、NO体积之和相等，且由N原子守恒知n(HNO3)＝n(NO)＋n(NO2)，故浓度为[V(NO2＋NO)÷22．4 L·mol－1]÷V瓶＝ mol·L－1≈0．045 mol·L－1。 13．为了避免NO、NO2、N2O4对大气的污染，常采用NaOH溶液进行吸收处理(反应化学方程式：2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O；NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O)。现有由a mol NO、b mol NO2、c mol N2O4组成的混合气体恰好被V L NaOH溶液吸收(无气体剩余)，则此NaOH溶液的物质的量浓度为(　　) A． mol·L－1 B． mol·L－1 C． mol·L－1 D． mol·L－1 答案　B 解析　由钠离子守恒可知，n(NaOH)＝n(NaNO3)＋n(NaNO2)，根据N原子守恒可知，n(NaNO3)＋n(NaNO2)＝n(NO)＋n(NO2)＋2n(N2O4)，n(NaOH)＝n(NO)＋n(NO2)＋2n(N2O4)＝a mol＋b mol＋2c mol＝(a＋b＋2c) mol，氢氧化钠溶液浓度＝＝ mol·L－1。 14．为了探究气态氧化物(SO2、NO2)的性质，某同学设计了一组实验： 用三只集气瓶收集满二氧化硫、二氧化氮气体，然后将其倒置在水槽中。分别缓慢通入适量O2或Cl2，如图A、B、C所示。一段时间后，A、B装置的集气瓶中充满溶液，C装置的集气瓶中还有气体剩余。 (1)写出装置B中反应的离子方程式：____________________________________。 (2)假设该实验条件下，气体摩尔体积为a L·mol－1。则装置A的集气瓶中所得溶液溶质的物质的量浓度为____________(假设瓶内液体不扩散)。 (3)通入氧气前在C装置的水槽里滴加几滴紫色石蕊溶液，观察到的现象是______________，通入氧气后，可能观察到的实验现象是______________________，写出反应的总化学方程式：__________________________________________________。 答案　(1)Cl2＋SO2＋2H2O===4H＋＋2Cl－＋SO　(2) mol·L－1 (3)溶液呈浅红色　溶液红色加深　2SO2＋O2＋2H2O===2H2SO4 解析　(2)设充满NO2的集气瓶容积为V L，n(NO2)＝＝ mol，倒置于水槽中通入O2形成 mol HNO3，溶液体积也为V L，故集气瓶中c(HNO3)＝＝ mol·L－1。 [创新·提高] 15．将物质的量为a mol的NO2充满体积为V mL的试管后倒扣在水中，如图所示。 (1)NO2与水反应的化学方程式为______________________________。 (2)缓慢通入氧气，使试管中NO2恰好完全被水吸收，则通入氧气的体积(标准状况下)为________ L。最终试管中所得硝酸的物质的量浓度为________ mol·L－1(假设溶质不扩散)。 (3)为了消除NO2的污染，可使它与氨气在一定条件下反应，生成水和一种无污染的物质，该物质是空气的主要成分之一，该反应的化学方程式为__________________________________。 答案　(1)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO (2)5．6a　 (3)6NO2＋8NH37N2＋12H2O 解析　(2)由化学方程式2NO＋O2===2NO2、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，可推出4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，使试管中a mol NO2恰好完全被水吸收，需要通入氧气的物质的量为a mol，其在标准状况下的体积为5．6a L，根据化学方程式可知，最终试管中所含的硝酸的物质的量浓度为＝ mol·L－1。 13 学科网（北京）股份有限公司 $$