5.2 第1课时 氮气与氮的固定 一氧化氮和二氧化氮（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学必修第二册（人教版2019 不定项版）

第二节　氮及其化合物 第1课时　氮气与氮的固定　一氧化氮和二氧化氮 课程标准 核心素养目标 　　1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮气、氮氧化物的主要性质。 2．认识氮气、氮氧化物在生产中的应用和对生态环境的影响。 　　1.宏观辨识与微观探析：通过分析氮的原子结构，推断含氮物质可能的化学特性，理解结构与性质的关系。 2．科学探究与创新意识：通过实验探究，了解一氧化氮与氧气反应、二氧化氮与水反应等性质，感受化学变化的奇妙。 ◆名师点拨 自然界中氮元素的重要作用 (1)氮是生物体的重要组成元素，也是维持高等动植物生命活动的必需元素。 (2)自然界中的氮元素在不停地循环着，氮的循环涉及地球上生物圈的方方面面。 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ◆名师点拨 自然界中氮的循环 ◆拓展延伸 氮的氧化物 氮元素有＋1、＋2、＋3、＋4、＋5价，因此氮有多种氧化物。 (1)氮氧化物的类别 类别 氧化物 不成盐氧化物 N2O、NO、NO2、N2O4 酸性氧化物 N2O3、N2O5 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)任何情况下，氮气的化学性质稳定，不燃烧，也不支持燃烧(　　×　　) (2)N2O3对应的酸是HNO2(亚硝酸，弱酸)，N2O5对应的酸是HNO3(硝酸，强酸)。 (2)NO2可由N2和O2直接化合得到(　　×　　) (3)NO不能用排空气法收集，但可用排水法收集(　　√　　) (4)据2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O可知，NO2是酸性氧化物(　　×　　) 一、氮气与氮的固定 1．氮元素及在自然界中的存在 (1)氮元素的“位—构—性”关系 (2)自然界中氮元素的存在 2．氮气的结构与性质 (1)分子结构 氮分子的结构式为N≡N，两个氮原子间以共价三键结合，因此N2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，无法被大多数生物体直接吸收。 (2)化学性质 在高温、放电等条件下，N2能与镁、氧气、氢气等物质发生化合反应，写出下列反应的化学方程式。 3．氮的固定 (1)概念 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)分类 二、一氧化氮和二氧化氮 1．一氧化氮(NO) (1)物理性质 颜色 状态 水溶性 无色 气体 不溶于水 (2)化学性质 NO具有较强的还原性，在常温下很容易与氧气反应生成NO2，化学方程式为2NO＋O2===2NO2。 2．二氧化氮(NO2) (1)物理性质 色、态 气味 密度 水溶性 特性 红棕色气体 刺激性气味 密度比空气的大 易溶于水 易液化 (2)化学性质 ①NO2与水的反应 NO2溶于水生成硝酸和一氧化氮，工业上利用这一原理生产硝酸，反应的化学方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。 ②实验探究NO2溶于水(实验5－5) 实验操作 实验装置实验现象 结论 在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，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 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，观察现象 气体由无色变为红棕色 NO与空气中O2反应生成NO2 振荡注射器，再观察现象 气体变为无色，注射器活塞左移 NO2与水反应生成NO，气体体积减小 探究一__氮气的结构与化学性质 氮气是空气的主要成分之一，工业常使用分馏液态空气的方法来获得大量氮气，每年通过液化空气生产的氮气超过3 300万吨。下图是氮气在生产、生活、医疗等方面的重要应用。 [问题设计] (1)氮元素的非金属性稍弱于氧元素，而N2的化学性质很稳定，O2的化学性质活泼。试从微观结构角度分析其原因。 提示：O2分子中存在O===O，N2分子中存在N≡N，断裂N≡N需要能量远大于断裂O===O需要能量，因此氮气的化学性质更稳定。 (2)利用N2制造氮肥(NH3)的反应原理是什么？该固氮反应中，N2体现什么性质？ 提示：N2＋3H22NH3；氧化性。 (3)利用氮气作灯泡填充气和粮食瓜果的保护气，其依据是什么？ 提示：氮气的化学性质稳定，不易发生反应，利用氮气作灯泡填充气和粮食瓜果的保护气，可隔绝空气，防止被氧化变质。 从元素价态和分子结构角度认识氮气的化学性质 (1)元素价态：氮气中氮元素显0价，处于中间价态，既具有氧化性又具有还原性。 (2)分子结构：N2分子中存在N≡N，断裂共价键需要消耗很多能量，故N2分子很稳定，在一定条件下可与Mg、H2、O2等发生反应。 【例1】 (2023·南开大学附中高一期末)下列关于氮气的性质的说法正确的是(　　　　　) 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　解析：N2不能在O2中燃烧，在高温或放电条件下，二者反应生成NO，A错误；点燃时，N2与金属Mg反应生成Mg3N2，氮元素由0价降低到－3价，则N2是氧化剂，B错误；合成氨反应中，氮元素由0价降低到－3价，则N2是氧化剂，发生还原反应，C错误；N2分子中存在N≡N，较难断裂，故N2的化学性质稳定，D正确。 1．(2023·儋州高一期末)关于氮气的性质的说法错误的是(　　　　　) A．通常情况下，氮气的化学性质很不活泼 B．氮气可在氧气中燃烧生成NO C．氮气的性质比较稳定，其原因是两原子间的共价键比较牢固 D．氮气与氢气在一定条件下发生反应，氮气是氧化剂 B　解析：N2与O2在高温或放电条件下化合生成NO，但N2不能在氧气中燃烧。 探究二__一氧化氮和二氧化氮的性质 北京时间2023年1月9日06时00分，我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭，成功将实践二十三号卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。长征系列运载火箭常使用四氧化二氮(N2O4)和偏二甲肼(C2H8N2)作推进剂，反应生成N2、CO2和H2O。 [问题设计] (1)试写出火箭发射时N2O4和C2H8N2反应的化学方程式，并指明N2O4表现的性质。 提示：2N2O4＋C2H8N23N2＋2CO2＋4H2O；氧化性。 (2)已知N2O4受热易分解生成NO2。火箭发射时尾部产生“红棕色烟”，试推测其可能的原因。 提示：①高温下，N2与O2生成NO，NO被O2氧化生成NO2；②N2O4受热分解生成NO2。 (1)比较两种氧化物(NO和NO2)的性质 氮氧化物 NO NO2 物理性质 通常为无色、无味的气体，不溶于水 通常为红棕色、有刺激性气味的气体，易溶于水 毒性 有毒(跟血红蛋白结合) 有毒 与水反应 不反应(不溶于水) 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 与氧气反应 2NO＋O2===2NO2 不反应 收集方法 常用排水法 常用向上排空气法 (2)氮氧化物溶于水的计算 ①根据化学方程式进行计算 ②根据“守恒法”进行计算 项目 具体操作 氮原子守恒 若反应后无NO剩余，则有n(HNO3)＝n(NO2)＋n(NO) 得失电子守恒 O2作氧化剂，氮氧化物作还原剂，则有4n(O2)＝n(NO2)＋3n(NO) 【例2】 (2023·滨州高一期末)将V mL NO和NO2的混合气体通过水吸收后，得到无色气体X。将此无色气体X与等体积的O2通入水中充分吸收后，得到5 mL无色气体Y，下列说法不正确的是(　　　　　) A．X气体是NO，Y气体是O2 B．X气体的体积是20 mL C．V的取值范围是20＜V＜60 D．将盛有体积比为4∶1 的NO2和O2混合气体的烧瓶倒立于水槽中充分反应后，烧瓶中所得溶液的物质的量浓度为 mol/L D　解析：NO不与水反应，NO2能与水发生反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，则无色气体X为NO；无色气体X与等体积的O2混合通过水后发生反应：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，可知O2过量，则无色气体Y为O2，A正确；由于过量氧气为5 mL，而开始反应时NO与O2的体积相等，根据反应4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，剩余O2体积占通入水中的O2总体积的，可知NO的体积为V(NO)＝V(O2)＝＝20 mL，B正确；由B项分析可知，NO2与水反应产生的NO和原来的NO共20 mL，若NO全部来源于原气体，则V＝20；若NO全部是由NO2与水反应产生，根据反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO可知V＝3×20＝60，则V的取值范围是20＜V＜60，C正确；将盛有体积比为4∶1的NO2和O2的混合气体的烧瓶倒立于水槽中充分反应，发生反应为4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，恰好完全转化为硝酸，但由于未指明气体所处的外界状况，不能确定气体摩尔体积，故不能计算气体的物质的量及其形成的硝酸的浓度，D错误。 解答本题的思路如下： (1)根据NO和NO2的性质、气体X与O2等体积及发生的反应气体X、Y的成分； (2)根据气体Y的体积及反应原理(4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3)混合气体体积V的取值范围。 2．将等体积的NO2和N2的混合气体置于试管中，并将试管倒立于水槽中，充分反应后，剩余气体体积约为原总体积的(　　　　　) A． B． C． D． D　解析：假设NO2和N2的体积均为1 L，发生反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，剩余 L NO和1 L N2，则剩余气体的体积为 L＋1 L＝ L，故剩余气体体积约为原总体积的＝。 1．(2024·黑龙江佳木斯市三校期中联考)NO2是典型的氮氧化物，危害人体健康。下列关于NO2叙述正确的是(　　　　　) A．有毒气体 B．难溶于水 C．黄绿色气体 D．密度比空气小 A　解析：常温下二氧化氮是红棕色有毒气体，有刺激性气味；气体密度比空气大，易溶于水，A正确。 2．(2023·江苏海安高级中学期中)属于人工固氮作用的是(　　) A．工业合成氨 B．硝酸工厂用NH3氧化制NO C．雷雨时空气中的N2转化为NO D．由NH3制碳铵(NH4HCO3) A　解析：工业合成氨是通过人工方法将氮气转化为氨，A正确；NH3氧化制NO，是氮的化合物之间的转化，B错误；雷雨时空气中的N2转化为NO，不是人工的方法，C错误；由NH3制碳铵，是氮的化合物之间的转化，D错误。 3．氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分，大气与土壤中氮元素转化如图所示，下列说法不正确的是(　　　　　) A．将N2转化为化合物的过程称为氮的固定 B．无机物与有机物中的氮元素可相互转化 C．硝化细菌将NH转化为NO可能需要O2参与 D．在硝化细菌、反硝化细菌作用下氮元素均发生氧化反应 D　解析：NH→NO过程中氮元素化合价升高，发生氧化反应，故可能需要O2参与，C正确；在硝化细菌作用下，NH被氧化生成NO，在反硝化细菌作用下，NO则被还原生成N2，D错误。 4．(2023·合肥高一期末)植物对氮元素的吸收过程如下，下列说法正确的是(　　) A．高温有利于加快过程① B．浇水和松土有利于过程② C．过程③中NO被还原 D．过程④叫做氮的固定 B　解析：过程①有根瘤菌参与催化，不能在高温下进行，A错误；过程②是NH3/NH和O2反应生成NO，浇水和松土有利于过程②的进行，B正确；过程③中NO转化为NO，N的化合价由＋3升高到＋5，NO作还原剂被氧化，C错误；氮的固定是将空气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程，过程④是氮的化合物被吸收，D错误。 5．(2023·华东师大二附中高一期末)将m mL NO2、n mL NO和n mL O2(m＞n)混合气体通入过量水，剩余气体体积为(　　　　　) A． B． C． D． B　解析：根据化学方程式计算： 该反应生成NO，原混合气体中NO和O2的体积相同，则NO的体积大于O2，假设NO、氧气和水的反应中O2不足，则 [课时梯级训练(4)见P162] 学科网（北京）股份有限公司 $$