3.3.1 氮的固定 课件-2025-2026学年高一上学期化学鲁科版（2019）必修第一册

绿水青山就是金山银山 / 创新、协调、绿色、开放、共享 鲁科版 第3章 物质的性质与转化 氮的循环 今天董老师非常荣幸能与同学们一起来学习氮的循环这节课。在讲授新课之前，老师想问同学们一个问题：你的肌肉是什么变来的？想知道答案吗？那就请同学们认真观看一段视频。 1 情境导入 雷雨发庄稼 【核心素养发展目标】 1、通过了解“氮的固定”和自然界“氮循环” 情境认识氮元素的常见价态，构建氮的“价-类”二维图，知道从物质类别和价态两个维度对物质分类有助于研究物质之间的转化关系，建立物质之间的转化观。 2、通过对雷雨固氮路径的探究，体会对实验现象的观察、“价—类”二维角度分析在物质转化研究中的作用，并进一步认识N2、NO、NO2的化学性质。初步了解自然界中形成硝酸的过程。培养学生尊重事实、独立思考，能基于证据推理形成结论，养成严谨求实的科学态度。 3、通过了解人类活动对氮循环的影响，知道酸雨和光化学烟雾的危害，增强环保意识，培养社会责任感。 这是本节课的核心素养发展目标，请同学们默读一下。 3 1.活动一：通过氮循环情景认识常见的含氮物质及氮元素化合价，能熟练运用“价—类”二维模型对物质进行分类 2.活动二：通过对雷雨固氮路径的探究，体会对实验现象的观察、“价—类”二维模型在物质转化中的作用，并进一步认识N2 、NO 和NO2的化学性质。诊断并发展“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”的核心素养 3.活动三：通过设计人工固氮过程，进一步加深对“价—类”二维模型的应用，提升解决真实问题的能力 学习目标 能运用价类二维模型，预测物质的性质和转化 4 活动一：自然界中的氮循环 【任务一】请你在氮的循环图中，用化学式将含N物质表示出来，并标出氮元素的化合价，总结氮在自然界中的存在形式。 N2 NO NO2 HNO3 NH3 NH3• H2O NH4Cl NaNO3 0 +2 +4 +5 -3 -3 -3 +5 【任务二】请你将上述物质分类整理在“价—类”二维图中 氢化物 单质 氧化物 碱 酸 -3 0 +2 +5 氮元素化合价 物质类别 盐 +4 NH3 NH3·H2O HNO3 NO N2 NO2 NH4+ NO3- 宏观辨识 氮的“价-类”二维图 同学们所列举的含氮物质，就是氮元素的典型物质。在学习某一元素时，必须把这种元素的典型物质、这些物质所属类别以及该元素的化合价联系起来。请同学们将你所找出的含氮物质填写在学案上的价-类二维图中。（找学生来贴卡片）1min，抬头看黑板，这位同学的分类对吗？在含氮物质中，你最熟悉的是哪种物质呢？氮气。 7 活动二：闪电固氮路径的探究 一. 氮的固定 （请阅读教材107页上的内容，了解有关固氮的知识） 游离态 → 化合态 氮的固定 人工固氮 自然固氮 闪电固氮： 生物固氮： 豆科植物 90% 氧化还原反应 10% 试举例说明闪电固氮和生物固氮？ 【视频】模拟放电条件下N2和O2反应 产生红棕色气体 现象： 模拟闪电固氮 NO：无色气体 NO2：红棕色气体 有毒！！！不要打开瓶上的橡胶塞 电闪雷鸣间，氮气究竟转化为了何种含氮物质？请同学们观看实验室模拟闪电固氮的视频，仔细观察三颈烧瓶中气体颜色的变化。播放视频1min。你看到了什么？很好。那红棕色气体是谁呢？请同学们观察一下水槽中的两瓶气体，红棕色是NO2，无色的是NO，两种气体均有毒，一定不要打开试剂瓶上的橡胶塞。由此可知，氮气与氧气放电条件下我们看到的红棕色气体是NO2 9 模拟N2和O2在放电条件下的反应中，红棕色气体NO2的产生途径可能有哪些？ 【提出问题】 证据推理 1、 N2 NO2 O2 2、 N2 NO O2 O2 NO2 那NO2气体是如何产生的呢？N2和O2是不是也可以直接化合为NO2？到底是哪个途径？这就需要进一步的探究。在这之前，老师还有一个疑问：NO真能与氧气反应生成NO2吗？ 10 输液瓶1中盛有NO，根据实验步骤提示，完成实验。 实验步骤 实验现象 结论 用大注射器向输液瓶1中注入20mL空气，观察输液瓶内气体颜色的变化 实验结束的时候用镊子将蘸有NaOH溶液的棉花团放在瓶塞上 注意事项 （1） NO有毒，实验时，小心操作，不要打开试剂瓶上的橡胶塞 ，不要让气体泄露。 （2）用注射器向试剂瓶中添加气体和液体药品。 （3）组内分工合作，一人做实验，其他同学观察并记录实验现象，1min内完成 2NO+O2=2NO2 瓶内有红棕色气体出现 【实验探究】 科学探究 这就需要我们进行实验探究。请同学们找到盛有NO的输液瓶，举起来让我们看一下。认真听老师说：用注射器向瓶内注入20ml空气，具体操作看老师：将注射器活塞向外拉至20ml，再将针头插入橡胶塞，轻轻推动活塞。结束后，将蘸有NaOH的棉花团放在橡胶塞上。实验过程中，一人动手，其他同学注意观察气体颜色的变化并做好记录。一定注意实验安全。好，开始实验。2min。你们组看到什么现象？说明？请同学们在学案上用方程式表示物质的变化。根据此原理，我们可以来检验NO，即无色气体遇空气变成红棕色。现在，我们验证了NO与氧气的反应，那就说明两途径均可能存在。真相究竟如何？ 11 数字化模拟放电条件下N2和O2反应 2NO+O2=2NO2 N2＋O2===2NO 放电 模拟N2和O2在放电条件下的反应中，红棕色气体NO2的产生途径可能有哪些？ 【解决问题】 证据推理与模型认知 这是数字化模拟的实验数据，放电瞬间，产生大量微粒，O2浓度和气体压强都呈增加趋势，断电瞬间微粒相互作用生成新的物质，O2浓度和气体压强瞬间减小，仔细观察，断电后O2浓度进一步减小，说明什么？N2和O2放电条件下先生成NO再被氧化为NO2，请书写相关方程式。请同学们观察一下刚才注入空气的输液瓶，红棕色还在吗？NO2去哪了？ 12 NO2和水相遇红棕色变无色，原因可能是什么？ 【提出问题】 1.NO2溶于水？ 2.NO2与水反应？ 微粒？ 产物？ 验证产物？ 证据推理 瓶中有水，NO2和水相遇红棕色变无色，原因可能是什么？请独立思考1min，小组讨论1min。红棕色变无色，到底是单纯的溶解还是与水发生了反应？我们不妨来分析一下。如果只是NO2溶于水，那此时溶液中的微粒应该是？NO2分子和水分子，根据刚才的探究，我们已经知道NO2是红棕色，溶于水可能变为无色吗？不可能，那就说明不是单纯的溶解，必然是NO2与水发生了反应，生成了无色的含氮物质。那产物会是什么呢？请同学们写一下Cl2与水反应的方程式，并标出Cl的化合价。现在请同学们类比Cl2与水的反应，推测一下NO2和水的反应产物。那根据已有知识，如何设计实验证明产物？可以来检验NO，还可以用石蕊检验硝酸。那我们就通过实验来验证一下。 13 实验步骤 实验现象 结论 1.将注射器中约5mL的蒸馏水慢慢注入装有NO2的输液瓶2中，振荡，观察气体颜色变化 2.用大注射器向输液瓶注入20mL空气，观察气体颜色变化 3.将注射器中约1mL的紫色石蕊试剂注入输液瓶2，观察溶液颜色变化 实验结束的时候用镊子将蘸有NaOH溶液的棉花团放在瓶塞上 注意事项 输液瓶2中盛有NO2，根据实验步骤提示，完成实验。 红棕色气体 逐渐消失 出现红棕色气体 溶液变红 NO2溶于水后生成无色气体NO NO2溶于水生成 硝酸 【实验探究】 （1） NO有毒，实验时，小心操作，不要打开试剂瓶上的橡胶塞 ，不要让气体泄露。 （2）用注射器向试剂瓶中添加气体和液体药品。 （3）组内分工合作，一人做实验，其他同学观察并记录实验现象，1min内完成 科学探究 请同学们找到盛有NO2的输液瓶，先将注射器中的水注入，振荡，观察气体颜色变化，看到现象后，向瓶内注入5ml空气，继续观察气体颜色的变化；最后向瓶内注入1ml石蕊，观察溶液颜色变化。结束后，将蘸有NaOH的棉花团放在橡胶塞上。好，开始实验。2min。你们组看到什么现象？说明？请同学们在学案上用方程式表示物质的变化。 14 【解决问题】 +4 +5 +2 3NO2+H2O= 2HNO3+NO 黑板书写方程式，标价态， 15 农谚说“雷雨发庄稼”，现在你知道原因了吗？ 闪电 空气N2 和O2 NO O2 NO2 雨水 HNO3 NO 土壤中矿物质 硝酸盐 植物生长 【答疑解惑】 了解了理论知识，再让我们回到生产实际。农谚说“雷雨发庄稼”，现在你知道原因了吗？硝酸不能直接被植物吸收，需与土壤中的矿物质转化为硝酸盐，从而被植物吸收，补充氮肥，促进植物的生长。但雷电不是天天有，自然固氮受到条件的限制，远远不能满足粮食对氮的需求。那我们还能将N2转化为哪些含氮物质呢？同学们看黑板，闪电固氮中，我们知道N2可以被氧气氧化，表现还原性；那氮气是不是也可以表现氧化性，被某些物质还原呢？比如氢气。 科学家也为此进行了大量研究，请同学通过视频感受一下这一划时代的发现。 16 特点：不能进行到底，反应物、生成物同时存在 可逆反应 工业合成氨（NH3） 科学态度与社会责任 这边是哈伯合成氨的原理，以氮气和氢气为原料，在高温、高压和有催化剂的条件下合成氨。以合成氨为基础的化肥工业对粮食增产的贡献率占50%左右，使人类免受饥荒之苦。同学们看这个方程式与我们之前学得方程式有什么不同？对，可逆号。这说明这类反应不能进行到底，反应物生成物同时存在，我们将这类反应称为可逆反应。 17 N2 归纳总结1 化学性质很稳定 高温高压催化剂，放电 氮的化合物 N2作保护气 N N 结构决定性质 性质决定用途 宏观辨识与微观探析 现在让我们观察一下氮气参与的两个反应的反应条件，均需要很高的能量，这是为什么呢？这是由氮气的结构决定的，两个氮原子之间以三键的形式存在，要破坏这种牢固的结构，需要很高的能量，所以氮气常温下性质稳定，而此性质也决定了氮气可以用作粮仓或食品的保护气。 18 人工固氮 自然固氮 闪电固氮： 10% 生物固氮：豆科植物 90% 氮的固定 归纳总结2 仿生固氮（常温常压） 工业合成氨 N2性质如此稳定，要将其转化并非易事，除了合成氨这种人工固定方式，科学家还模仿根瘤菌，实现了常温常压固氮，即仿生固氮。 19 2017年，Chem杂志以封面文章的形式报道了中国科学院长春应用化学研究所在Li-N2可充电电池固氮领域的新突破，提供了电化学固氮的新前景！ 固氮技术与电池革新的完美结合 科学态度与社会责任 除此之外，2017年，中国科学院长春研究所变将固氮技术与电池革新完美结合，提供了电化学固氮的新前景。随着固氮方式的革新，人类将更多的N2转化为了含氮物质，但绝不是越多越好。 20 传递神经信息的“信使分子” 神舟13号使用N2O4和偏二甲肼做推进剂 环节三、辩证认识氮循环 氮氧化物的“功”与“过” 硝酸型酸雨 正如马克思哲学中提到：万事万物都有两面性，我们要辩证认识氮循环，合理评判氮氧化物的功与过。比如NO有毒，但却是传递神经信息的信使分子，神舟13号使用四氧化二氮作为火箭推进剂。当然，氮氧化物的过度排放也确实造成了严重的环境问题：硝酸型酸雨，有毒的光化学烟雾。直观感受一下，疫情防控期间我们NO2浓度变化，“封城”限制出行后，汽车尾气少了，空气质量得到改善。但封城毕竟不是长久之计， 21 请你借助“价-类”二维图提出合理的转化途径，实现氮氧化物的改“过”自新？ 氢化物 单质 氧化物 碱 酸 -3 0 +2 +5 氮元素化合价 物质类别 盐 +4 NH3 NH3·H2O HNO3 NO N2 NO2 NH4+ NO3- 【迁移应用】 那就需要同学们借助价类二维提出合理的转化途径，实现氮氧化物的改“过”自新？氮氧化物可以转化为什么呢？思考交流1min。同学们的想法真不错，其实在刚才的实验中我们就用到了物质转化思想。 22 为什么实验结束的时候用镊子将蘸有NaOH溶液的棉花放在瓶塞上？ 2NO2+2NaOH==NaNO3+NaNO2+H2O NO2+NO+2NaOH==2NaNO2+H2O 【答疑解惑】 还记得瓶塞上的棉花团吗？它的作用是吸收溢出的NO和NO2，将其转化为无毒物质。原理涉及到两个氧化还原反应，请同学先了解一下。 23 金属有机框架（MOF）材料高效清除氮氧化物 沸点为21.2℃ 同样是运用物质转化的思想，2019年，曼彻斯特大学的科研团队还开发了一种金属有机框架MOF材料，可以快速，高效吸附二氧化氮，将其转化为热门工业原料-硝酸，转化率可达100%，从而消除氮氧化物。 24 氢化物 单质 氧化物 碱 酸 -3 0 +2 +5 氮元素化合价 物质类别 盐 +4 NH3 NH3·H2O HNO3 NO N2 NO2 NH4+ NO3- 课堂小结 在本节课的学习中，我们认识了自然界中的氮循环，学习了氮及其化合物的转化，现在我们一起来梳理一下。要实现不同含氮物质之间的转化，首先要抓住价类二维图这条主线，然后利用好氧化还原反应，借助于价态变化选择合适的氧化剂和还原剂，从而实现物质之间的转化。即基于价态找物质，基于氧还找原理。 25 2、能不能用排空气法收集一氧化氮？为什么？ 3、如何除去一氧化氮气体中混有的少量二氧化氮？ 因为NO易被空气中O2氧化成NO2 ，且NO与空气密度接近， 所以不能用排空气法收集。 将混合气体通过盛有水的洗气瓶。 1、如何检验一氧化氮？ 无色气体遇空气立即变为红棕色，即为NO。 【迁移应用】 现在老师来考考同学们，三个小问题：这就是洗气瓶，为了充分吸收杂质气体，必须长进短出。 26 1、通过了解“氮的固定”和自然界“氮循环” 情境认识氮元素的常见价态，构建氮的“价-类”二维图，知道从物质类别和价态两个维度对物质分类有助于研究物质之间的转化关系，建立物质之间的转化观。 2、通过对雷雨固氮路径的探究，体会对实验现象的观察、“价—类”二维角度分析在物质转化研究中的作用，并进一步认识N2、NO、NO2的化学性质。初步了解自然界中形成硝酸的过程。培养学生尊重事实、独立思考，能基于证据推理形成结论，养成严谨求实的科学态度。 3、通过了解人类活动对氮循环的影响，知道酸雨和光化学烟雾的危害，增强环保意识，培养社会责任感。 你的目标达成了吗？ 本节课你的目标达成了吗？请同学们将学案完善一下，3min。 27 通过与同学们一起学习，老师发现同学们对化学充满了浓厚的兴趣，对未来充满了无限的向往。毛主席曾说：世界是你们的，也是我们的，但归根结底是你们的！愿同学们学好化学，保护碧水蓝天，共建绿色家园，将绿水青山变成金山银山！ 28 $$