7.1 氮的固定（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学必修第二册（苏教版2019）

第一单元　氮的固定 课程标准 核心素养目标 1.能依据氮分子的微观结构预测其性质。 2．掌握N2、NO、NO2的重要性质，通过比较NO和NO2的性质，学会类比的科学方法。 3．了解氮的固定的含义和方法，认识人工固氮的化学原理和社会价值。 4．体会化学科学在解决人类社会问题中所发挥的作用。 1.(证据推理与模型认知)建立认知模型，并能运用模型解释氮氧化物与水的反应。 2．(科学态度与社会责任)具有安全意识和严谨求实的科学态度，认识氮氧化物的污染。 [对应学生用书P28] 一、氮分子的结构和性质 1．氮元素的存在 在自然界中，既有游离态，也有化合态，绝大部分氮元素以游离态的氮气存在于空气中。 2．氮分子的结构 氮气分子是由两个氮原子通过共用三对电子结合而成的，氮气分子中存在氮氮三键。氮气分子的电子式为∶N⋮⋮N∶，结构式为N≡N。 3．氮气的化学性质 (1)氮气的化学性质稳定，通常情况下不易发生反应。在放电或高温条件下，氮气可与氧气化合，化学方程式为N2＋O22NO。 (2)镁能在氮气中燃烧，化学方程式为3Mg＋N2Mg3N2。 二、氮的固定 1．概念 将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫做氮的固定。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮两种方式。 2．自然固氮 (1)生物固氮：自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根瘤菌)将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物。 豆科植物的小根瘤能将空气中的游离氮转化为化合物形态的氨(或铵态氮肥)。 (2)高能固氮：通过闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物。 (3)“雷雨发庄稼”涉及的反应过程(用化学方程式表示)：N2＋O22NO、2NO＋O2===2NO2、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。 3．人工固氮——合成氨 (1)工业上合成氨的反应为N2＋3H22NH3。 (2)合成氨的原料是氮气和氢气，该反应放出大量的热，工业上用来预热原料气。合成氨达到平衡时，混合气体中氨的含量为20%左右，分离出氨后，将未反应的氮气和氢气送回合成塔循环使用。 (3)合成氨的意义 ①为植物生长提供足够的氮肥； ②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。 三、氮的氧化物 1．一氧化氮 (1)一氧化氮是一种无色、无味、有毒的气体，微溶于水。 (2)NO易被空气中的氧气氧化，化学方程式为2NO＋O2===2NO2，实验室收集NO时，应该用排水集气法。 2．二氧化氮 (1)二氧化氮是一种红棕色，有刺激性气味的有毒气体，能与水反应。 (2)NO2与水反应的化学方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，实验室收集NO2时，应该用向上排空气法。 3．氮氧化物的应用 大气中的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，人体中极少量的NO有助于促进血管扩张，防止血管栓塞。二氧化氮在火箭燃料中用作氧化剂，在工业上可用来制造硝酸。 微诊断(判断正误) (1)豆科植物通过根瘤菌吸收空气中的氮属于氮的固定，是化学变化(　　√　　) (2)汽车尾气中的氮氧化合物是由游离态氮转化来的(　　√　　) (3)氮元素有负化合价、正化合价和零价，因而常温下，N2既能与氧气反应，又能与H2反应(　　×　　) (4)在实验室里，NO和NO2均用排水集气法收集(　　×　　) [对应学生用书P29] 探究一__氮气的化学性质 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，液态氮变成雪花状的固体。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。 [问题探究] (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，可以减小粮食瓜果被氧气氧化的速率。 (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：液氮挥发吸收热量，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。 (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＋3H22NH3，氧化剂是氮气，还原剂是氢气。 【例1】 已知氮化镁与水反应生成NH3和氢氧化镁。 (1)写出氮化镁与水反应的化学方程式__________________________________________ (2)0.3 mol Mg在空气中点燃，完全反应后生成的固体质量大于10 g，请分析原因________________________________________________________________________。 答案：(1)Mg3N2＋6H2O===3Mg(OH)2↓＋2NH3↑ (2)镁与空气中的氧气、二氧化碳和氮气反应，生成固体的质量大于10 g 解析：(1)Mg3N2与水反应的化学方程式是Mg3N2＋6H2O===3Mg(OH)2↓＋2NH3↑。 (2)金属镁在空气中和氧气、氮气、二氧化碳反应，0.3 mol Mg与氧气反应生成氧化镁12 g，与氮气反应生成氮化镁质量是10 g，和二氧化碳反应生成物的质量是13.8 g，Mg与三种气体的混合气反应，产物质量大于与纯氮气反应产物的质量，即大于10 g。 实验室用空气和下列药品、仪器装置制取少量氮化镁。 装置的正确顺序是________________(用接口字母填写)。 答案：GHFEDCMNABD 解析：挤压G端排出空气，然后先除去二氧化碳，干燥后除去氧气，最后与镁反应，同时防止吸收空气中的水蒸气，因此装置的连接顺序是GHFEDCMNABD。 探究二__氮的氧化物__NO、NO2 化学兴趣小组的同学利用下面的简易反应装置探究氮的氧化物与水的反应。 [问题探究] (1)把一支充满NO2气体的试管倒置在水槽中充分反应后，水能否充满试管？说明原因。 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的。 (2)若一支试管中充满NO2和O2的混合气体，二者体积之比大于4∶1，将试管倒置在水槽中充分反应后得到的气体为NO2吗？说明原因。 提示：不是。NO2和O2体积之比大于4∶1时，NO2过量，过量的NO2与水反应生成HNO3和NO，所以最后得到的气体为NO。 (3)向一支充有10 mL NO的试管中通入多少mL O2才能使水充满整个试管？(写出计算过程) 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时水可以充满试管，故需通入7.5 mL O2。 1．反应原理 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　① 2NO＋O2===2NO2　② 由化学方程式①×2＋②得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3　③ 由化学方程式①×2＋②×3得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3　④ 2．计算类型 (1)NO2气体：NO2气体溶于水时仅涉及反应①，剩余气体为NO。 (2)NO2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 (3)NO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.利用原子个数比分析氮氧化物与氧气的混合气体溶于水 化学方程式：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3和4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3中的“4NO2＋O2”和“4NO＋3O2”从组成上均相当于“N2O5”的组成，也就是N、O的原子个数比符合2∶5时，氮的氧化物和氧气均无剩余，这两种情况均可利用混合气体中N、O的原子个数比来分析： N(N)∶N(O) 4．NO、NO2性质比较 性质 NO NO2 物理性质 无色、无味的有毒气体，难溶于水 红棕色、有刺激性气味的有毒气体 毒性 有毒 (跟血红蛋白结合) 有毒 与水反应 不反应 (难溶于水) 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 与氧气反应 2NO＋O2===2NO2 不反应 实验室制备 铜与稀硝酸反应 铜与浓硝酸反应 收集方法 常用排水法 常用向上排空气法 其他 — 2NO2⥫⥬N2O4 对环境影响 导致光化学烟雾和酸雨，破坏臭氧层 【例2】 N2O、NO和NO2等氮氧化物是空气污染物，含有氮氧化物的尾气需处理后才能排放。 (1)N2O的处理。N2O是硝酸生产中氨催化氧化的副产物，用特种催化剂能使N2O分解。NH3与O2在加热和催化剂作用下生成N2O的化学方程式为_____________________________ ___________________________________________。 (2)NO和NO2的处理。已除去N2O的硝酸尾气可用NaOH溶液吸收，主要反应为 NO＋NO2＋2OH－===2NO＋H2O 2NO2＋2OH－===NO＋NO＋H2O ①下列措施能提高尾气中NO和NO2去除率的有______(填标号)。 A.加快通入尾气的速率 B.采用气、液逆流的方式吸收尾气 C.吸收尾气过程中定期补加适量NaOH溶液 ②吸收后的溶液经浓缩、结晶、过滤，得到NaNO2晶体，该晶体中的主要杂质是______(填化学式)；吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是________(填化学式)。 答案：(1)2NH3＋2O2N2O＋3H2O (2)①BC　②NaNO3　NO 解析：(1)NH3与O2在加热和催化剂作用下发生氧化还原反应生成N2O，根据得失电子守恒和原子守恒可知反应有水生成，配平化学方程式为2NH3＋2O2N2O＋3H2O。 (2)①加快通入尾气的速率，不能提高尾气中NO和NO2的去除率，A不符合题意；采用气、液逆流的方式吸收尾气，可使气液充分接触，能提高尾气中NO和NO2的去除率，B符合题意；定期补充适量的NaOH溶液可增大反应物浓度，能提高尾气中NO和NO2的去除率，C符合题意。②由吸收反应：NO＋NO2＋2OH－===2NO＋H2O，2NO2＋2OH－===NO＋NO＋H2O可知，反应后得到NaNO2和NaNO3混合溶液，经浓缩、结晶、过滤得到NaNO2和NaNO3晶体，因此得到的NaNO2中混有NaNO3；由吸收反应可知，若NO和NO2的物质的量之比大于1∶1，NO不能被吸收，因此，吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是NO。 [对应学生用书P31] 1．下列说法正确的是(　　) A.氮元素的非金属性小于碳元素，化学性质不活泼 B.氮气与足量的氧气反应生成NO2 C.可以用排空气法收集氮气 D.密闭容器中氮气、氢气合成氨，1 mol N2反应生成NH3的物质的量小于2 mol D　解析：氮元素的非金属性大于碳元素，A错误；氮气与足量的氧气反应生成NO，B错误；氮气的密度与空气接近，不能用排气法收集，C错误；氮气和氢气合成氨，反应可逆，1 mol N2反应生成NH3的物质的量小于2 mol，D正确。 2．下列说法不正确的是(　　) A.可以用水鉴别溴蒸气和NO2 B.反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，被氧化和被还原的氮原子物质的量之比是2∶1 C.NO2与氢氧化钠溶液反应生成NaNO2 D.从氧化还原的角度，氨和NO2在一定条件下可发生反应 C　解析：从氧化还原的角度，NO2与氢氧化钠溶液反应生成NaNO2和NaNO3，C错误。 3．对3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反应的说法正确的是(　　) 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 A　解析：该反应中NO2既是氧化剂又是还原剂，还原剂(NO2)与氧化剂(NO2)的物质的量之比为2∶1，A正确，C错误；HNO3为氧化产物，NO为还原产物，HNO3与NO的物质的量之比为2∶1，B错误；若有6 mol NO2参与反应，则转移电子4 mol，D错误。 4．自然界中的氮循环如下图所示，下列叙述不正确的是(　　) A.④维持大气中氮元素含量稳定 B.①是野生植物生长所需氮元素的重要来源 C.⑤为硝化过程、④为反硝化过程，都是氮元素的还原反应过程 D.②是氮肥工业基础，科学家努力将固氮变化条件趋近于生物固氮 C　解析：④为土壤中的硝酸盐被细菌分解转化为氮气，氮气返回大气中，维持大气中氮元素含量稳定，A正确；①是在放电条件下，空气中的氮气与氧气反应生成氮氧化物，是野生植物生长所需氮元素的重要来源，B正确；⑤为氨或铵盐转化为亚硝酸盐，进一步转化为硝酸盐的过程，氮元素化合价升高，发生氧化反应，C错误；②是合成氨的反应，属于工业固氮，是氮肥工业基础，由于需要高温、高压和催化剂的条件，为解决耗能多的问题，科学家努力将固氮变化条件趋近于生物固氮，D正确。 [课时梯级训练(5)见P134] 学科网（北京）股份有限公司 $$