第3章 第3节 第1课时 自然界中的氮循环 氮循环中物质的性质及物质之间的转化-【创新教程】2025-2026学年高中化学必修第一册五维课堂同步课件PPT（鲁科版2019）

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重难突破释疑惑 课后素养提升练 随堂自测夯基础 素养培优三 化学（LK）· 必修第一册 教材梳理探新知 重难突破释疑惑 课后素养提升练 随堂自测夯基础 素养培优三 第三节　氮的循环 第1课时　自然界中的氮循环　氮循环中物质的性质及物质之间的转化 学业水平目标 学科核心素养 1.能列举、描述、辨识氮气、一氧化氮、二氧化氮的重要物理性质、化学性质及实验现象 2.能进行NO、NO2、O2溶于水的简单计算 1.通过NO、NO2、O2溶于水的简单计算的学习培养学生证据推理与模型认知水平 2.通过氮的循环的学习，让学生理解变化观念与平衡思想 [知识梳理] 1．自然界中的氮循环 (1)氮元素在自然界中的存在形式：　游离　态和　化合　态。 (2)自然界中氮的循环 (3)人类活动对自然界氮循环的影响 ①氮气eq \o(――→,\s\up7(化学方法))　氨　→氮肥、硝酸等含氮化合物。 ②燃烧反应产生的　氮氧化物　参与氮的循环。 2．氮的固定 (1)氮的固定及类型 ①定义：使空气中　游离态　的氮转化为　含氮化合物　的过程。 ②固氮类型 氮的固定eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(　自然固氮　\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(闪电固氮,生物固氮)),　人工固氮　\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(合成氨,仿生固氮)))) (2)氮气的性质 ①物理性质 颜色 气味 状态 水溶性 　无色　 　无味　 　气体　 　难溶　于水 ②化学性质 化学性质不活泼，很难与其他物质发生反应。但在一定条件下能与下列物质发生反应： a．与氧气反应：　N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NO　， b．与氢气反应： ③可逆反应 在　相同　条件下，同时向　正反　两个方向进行的反应属于可逆反应。 (3)一氧化氮和二氧化氮 ①NO、NO2的物理性质 名称 一氧化氮 二氧化氮 颜色、状态 　无色气体　 　红棕色气体　 气味 无味 　刺激性气味　 溶解性 　难溶　于水 　易溶　于水 毒性 　有毒　 　有毒　 ②NO、NO2的化学性质 a．NO与O2反应：　2NO＋O2===2NO2　，颜色由　无色　变为　红棕色　。 b．NO2与H2O反应：　3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　，工业上利用这一原理制　硝酸　。 (4)氮的固定中氮及其化合物的转化关系 ①体现的性质 将N2转化为含N的氧化物或NH3，实现了N元素化合价的升高或降低，体现了N2的　还原性和氧化性　。 ②转化关系 [预习质检] 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)化合态的氮元素只显一种价态。( × ) (2)N2在通常状况下与O2反应生成NO2。( × ) (3)合成氨反应属于自然固氮中的高能固氮。( × ) (4)NO在空气中易转化为红棕色NO2。( √ ) (5)NO2与H2O的反应，NO2只作氧化剂。( × ) 2．下列叙述中与氮的固定无关的是(　　) A．工业合成氨 B．工业上将氨转化成硝酸和其他氮的氧化物 C．豆科植物的根瘤菌吸收空气中的氮气使之转化成植物蛋白质 D．电闪雷鸣的雨天，N2与O2会发生反应并最终转化为硝酸盐被植物吸收 解析：B　[氮的固定过程是使游离态的氮转化为含氮化合物的过程，B项，NH3转化为HNO3和其他氮的氧化物与氮的固定无关。] 3．宇宙飞船的运载火箭的推进器引燃后发生剧烈反应，产生大量高温气体，从火箭尾部喷出。引燃后的高温气体成分有CO2、H2O、N2、NO等，这些气体均无色，但在卫星发射现场看到火箭喷射出大量的红色物质，产生红色的原因是(　　) A．高温下N2遇空气生成NO2 B．NO与空气反应生成NO2 C．CO2遇NO反应生成NO2 D．NO遇H2O反应生成NO2 解析：B　[根据原高温气体均为无色，但现场却能看到红色可推知，是因为发生反应：2NO＋O2===2NO2。] 氮气的性质、用途 [问题探究] (1)氮气为什么可以用作保护气？ 提示：因为氮气的化学性质稳定，在通常情况下，氮气不容易与其他物质反应，也不会和食物反应而使之变质。氮气本身无毒无害，不会直接对人体产生伤害。 (2)实验室可以通过向下排空气法收集氮气吗？ 提示：不能。由于氮气的密度与空气的接近，所以既不能用向上排空气法也不能用向下排空气法收集，应用排水法收集。 (3)在化学反应中氮气只做氧化剂吗？ 提示：不是。氮气是非金属单质，在化学反应中既可以做氧化剂也可以做还原剂，如与H2、Mg反应时N2做氧化剂，与O2反应时N2做还原剂。 [深化拓展] 氮气的性质及工业制法 (1)氮气的密度与空气的接近，只能用排水法收集。 (2)在高温、高压、放电等条件下，N2能与H2、O2、Mg等发生化学反应。 ①氮气与氢气反应：N2＋3H22NH3，该反应是工业合成氨的原理。 ②氮气与氧气反应：N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NO。 ③氮气与镁反应：3Mg＋N2eq \o(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2。 (3)工业制法：空气中含有大量的氮气，空气是工业制氮气的主要来源，生产方法主要是分离液态空气，并制得液态氧。 [方法规律]氮元素的存在与氮的固定 [典例剖析] [例1]　下列有关氮气的说法正确的是(　　) A．氮气是由氮原子构成的双原子分子，所以化学性质不活泼 B．医学上常用液氮做冷冻剂，在冷冻麻醉条件下做手术，是利用氮气化学性质的不活泼性 C．H2与N2在一定条件下反应生成NH3，反应中N2体现氧化性 D．电闪雷鸣的雨天，雨水中会含有一定量的硝酸，其中可能发生的反应有N2＋2O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NO2 [解析]　C　[A项，氮气性质稳定的原因是两个氮原子之间的作用力比较强，破坏这种作用力时需要很高的能量；B项，液氮汽化时需要吸收大量的能量，使周围环境温度降低，与其化学性质的不活泼无关；C项，反应的化学方程式为N2＋3H22NH3，反应中氮元素化合价降低，氮气做氧化剂；D项，N2和O2在放电条件下生成NO，不能直接生成NO2。] [变式训练] 1．下列关于氮气性质的说法中，错误的是(　　) A．通常情况下，氮气性质很不活泼 B．可在氧气中燃烧，生成一氧化氮 C．通常情况下，氮气在水中的溶解度很小 D．跟氢气在一定条件下发生反应时，氮气是氧化剂 解析：B　[N2不能在O2中燃烧，与O2在放电条件下反应生成NO，B错；氮气与氢气反应时，氮元素的化合价降低，氮气做氧化剂，D对。] 氮的氧化物溶于水的计算 [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？ 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eq \f(2,3)。 2．向一支充有10 mL NO的试管中通入多少O2才能使水充满整个试管？ 提示：已知2NO＋O2===2NO2　①， 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　②， 由反应的化学方程式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，需通入7.5 mL O2。 [深化拓展] 氮的氧化物溶于水的计算 (1)氮的氧化物溶于水的反应分析。 2NO＋O2===2NO2① 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO② 由①＋②×2得4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3， 当体积比V(NO2)∶V(O2) eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(＜4∶1　O2过量，剩余气体为O2,＝4∶1　恰好完全反应,＞4∶1　NO2过量，剩余气体为NO,过量NO2与H2O反应生成NO)) 由①×3＋②×2　得4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3， 当体积比V(NO)∶V(O2) eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(＜4∶3　O2过量，剩余气体是O2,＝4∶3　恰好完全反应,＞4∶3　NO过量，剩余气体是NO)) (2)氮氧化物与O2混合溶于水的计算。 反应的化学方程式：2NO＋O2===2NO2 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO① 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3② 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3③ 不同情况及剩余气体的体积： [误区警示]　因为水溶液中发生反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，所以无论何种情况下水溶液中不会剩余NO2。 [典例剖析] [例2]　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体积可能为(　　) ①3体积　②4体积　③5体积　④5.5体积 ⑤2体积 A．③　　　　　　　 B．⑤ C．④或⑤ D．②或⑤ [解析]　C　[本题的关键在于理解剩余的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，二氧化氮完全反应消耗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，则反应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。] [易错警示]　有关NO、NO2、O2混合气体与H2O反应后剩余气体的问题，NO2与H2O反应，NO与O2反应、所以剩余的气体只可能为NO或O2中的一种，绝对不会剩余NO2。 [变式训练] 2．如图所示，当向试管内通入21 mL O2时，最后试管中的液面仍在原来的位置，则原试管中NO体积为(　　) A．6 mL B．12 mL C．16 mL D．18 mL 解析：B　[当V(NO)∶V(O2)＝4∶3时，混合气体完全与水反应，无气体剩余；当V(NO)∶V(O2)≠4∶3时，可能有O2剩余或NO剩余。据题意可推知O2剩余，且剩余量与原NO体积相同。设原试管中NO体积为x，则有4∶3＝x∶(21 mL－x)，解得x＝12 mL，所以B项正确。] 1．氮气及其化合物在自然界中大量存在，下列有关说法错误的是(　　 ) A．氮气的密度比空气的小，且难溶于水 B．含氮化合物普遍存在于植物及动物体内 C．汽车排放的尾气中不含氮的化合物 D．森林或农作物的枝叶燃烧会产生氮氧化物 解析：C　[氮气的相对分子质量为28，空气的平均相对分子质量为29，故氮气的密度比空气的小，且氮气难溶于水，A项正确。植物与动物体内均含蛋白质，B项正确。汽车排放的尾气中含一定量的氮氧化合物，C项错误。植物中因为含蛋白质等，故燃烧时会产生氮氧化物，D项正确。] 2．下列关于自然界中氮的循环(如图)的说法不正确的是(　　) A．氮元素均被氧化 B．工业合成氨属于人工固氮 C．含氮无机物和含氮有机物可相互转化 D．碳、氢、氧三种元素也参与了氮循环 解析：A　[人工固氮是N2转化为NH3的过程，氮元素化合价由0价降低至－3价，被还原，故A项错误。工业合成氨是典型的人工固氮方法，故B项正确。根据图知，通过生物体可以将铵盐和硝酸盐与蛋白质相互转化，实现了含氮的无机物和有机物的转化，故C项正确。生物体合成蛋白质的过程也有碳、氢、氧元素的参与，故D项正确。] 3．下列关于NO和NO2的说法中正确的是(　　 ) A．NO2是红棕色气体，易溶于水，属于酸性氧化物 B．NO2可由N2和O2直接化合得到 C．NO和NO2均既可以用排空气法收集又可以用排水法收集 D．NO和NO2在一定条件下可以相互转化 解析：D　[A项，NO2不是酸性氧化物；B项，在高温或放电条件下，N2和O2直接化合生成NO；C项，NO易与空气中的氧气反应生成NO2，只能用排水法收集，NO2能与水反应，只能用排空气法收集；D项，NO和氧气反应生成NO2，NO2与水反应生成HNO3和NO。] 4．在NO2与水的反应中，水的作用是(　　) A．是还原剂 B．既是氧化剂又是还原剂 C．是氧化剂 D．既不是氧化剂又不是还原剂 答案：D 5.如图所示，将一瓶充满NO2气体的试管倒扣在水槽中，气体颜色由　______　逐渐变为　______　色，试管内的液面会逐渐　________　；当反应停止后向试管中缓慢通入氧气，气体颜色又由　________　色逐渐变为　________　色，之后又变为　________　色，试管内的液面会　________　，用化学方程式表示试管中发生的化学反应_____________________________________________ _____________________________________________________， _____________________________________________________。 解析：NO2气体为红棕色，二氧化氮气体易与水反应生成硝酸(HNO3)和一氧化氮，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，NO为无色，所以气体颜色由红棕色逐渐变为无色，气体体积减少，试管内的液面会逐渐上升，当反应停止后向试管中缓慢通入氧气，一氧化氮常温下就易与空气中的O2反应生成红棕色的二氧化氮气体，2NO＋O2===2NO2；气体颜色又从无色逐渐变为红棕色，4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，之后又变为无色，试管内的液面会继续上升。 答案：红棕色　无　上升　无　红棕　无　继续上升 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　2NO＋O2===2NO2　4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 [课堂小结] [素养培优三]　氮氧化物与O2、H2O反应的计算 [核心素养] 通过氮氧化物与H2O反应及氮氧比物、O2与H2O反应原理的分析和探究建立氮氧化物与O2、H2O反应计算的模型，培养证据推理与模型认知核心素养的形成。 1．计算模板 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO① 2NO＋O2===2NO2② 由方程式①×2＋②得： 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3③ 由方程式①×2＋②×3得： 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3④ 2．基本类型 (1)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。 其计算如下表： x＝eq \f(VNO2,VO2) 0＜x＜eq \f(4,1) x＝eq \f(4,1) x＞eq \f(4,1) 反应情况 O2过量，剩余气体为O2 恰好完全反应 NO2过量，剩余气体为NO (2)NO和O2的混合气体 NO、O2的混合气体溶于水时涉及反应④。 其计算如下表： x＝eq \f(VNO,VO2) 0＜x＜eq \f(4,3) x＝eq \f(4,3) x＞eq \f(4,3) 反应情况 O2过量，剩余气体为O2 恰好反应，无气体剩余 NO过量，剩余气体为NO (3)NO、NO2、O2混合气体通入水中 ①可先求出NO2和H2O反应生成的NO的体积，然后按(2)进行分析计算。 ②也可认为NO与O2先反应生成NO2，NO2再与水反应。若O2过量，则按(1)计算；若转化后无O2，则按差量法计算。 [例题]　现把盛有48 mL NO、NO2混合气体的容器倒置于水中(同温同压)，待液面稳定后。容器内气体体积变为24 mL，则： (1)原混合气体中，NO是　________　 mL，NO2是 　________　 mL。 (2)若在剩余的24 mL气体中，通入6 mL O2，待液面稳定后，容器内气体体积变为　________　 mL。 (3)若在剩余的24 mL气体中，通入24 mL O2，待液面稳定后，容器内气体体积变为　________　 mL。 (4)若在原48 mL NO和NO2气体中，通入____________________ mL O2，倒置于水面上，气体会全部被吸收。 [解析]　(1)设混合气体中NO2的体积为x。 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　ΔV 3 2 x (48－24)mL 解得x＝36 mL，则V(NO)＝12 mL。 (2)根据反应的化学方程式有 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 8 mL　6 mL 容器内剩余气体为NO，体积为(24－8)mL＝16 mL。 (3)根据4NO～3O2知，24 mL NO只需消耗18 mL O2，所以反应后容器内剩余O2的体积为(24－18)mL＝6 mL。 (4)根据反应的化学方程式有 4NO　＋　3O2＋2H2O===4HNO3 12 mL 9 mL 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 36 mL 9 mL 故通入O2的体积为18 mL。 [答案]　(1)12　36　(2)16　(3)6　(4)18 [探究体验] 实验室可用下列几组试剂制取少量NH3：①固体Ca(OH)2和NH4Cl；②浓氨水和固体CaO；③浓氨水 请回答下列问题： (1)用上述三组试剂制取少量NH3，需要加热的是　________　(填序号)，第②组试剂中产生NH3的化学方程式可表示为___________________________________________________。 (2)下面的制取装置图中，方法①应选用装置　________　(填“A”或“B”，下同)，方法②应选用装置　________　。 (3)在制取后，如果要干燥氨气，应选用的干燥剂是　________　。 A．稀硫酸 B．固体氢氧化钠　C．五氧化二磷 D．碱石灰 E．固体CaO F．无水CaCl2 (4)检验集气瓶中是否收集满氨气的方法是__________________ ______________________________________________________。 (5)为防止环境污染，以下装置(盛放的液体为水)可用于吸收多余NH3的是　________　(填序号)。 解析：(1)①③需要加热，①组反应为2NH4Cl＋Ca(OH)2eq \o(=====,\s\up7(△))CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。 ②组反应为NH3·H2O＋CaO===Ca(OH)2＋NH3↑，由于CaO＋H2O===Ca(OH)2既消耗水，又放出热量，Ca(OH)2电离出OH－，增大了c(OH－)，减少了NH3的溶解，因此不必加热，即放出NH3。③组反应为NH3·H2Oeq \o(=====,\s\up7(△))NH3↑＋H2O。(2)A装置适用于固体与固体加热制气体，B装置适用于液体与固体(或液体)不加热制气体。(3)NH3只能用碱性干燥剂，可以用B、D、E干燥。(4)检验NH3一般用湿润的红色石蕊试纸。(5)装置①没有出气导管，装置③易引起倒吸。 答案：(1)①③　NH3·H2O＋CaO===Ca(OH)2＋NH3↑　(2)A　B　(3)B、D、E (4)将湿润的红色石蕊试纸靠近集气瓶口，若试纸变蓝，说明NH3已集满(或其他合理答案) (5)②④ [变式训练] 4．下面是实验室制取氨气的装置和选用的试剂，其中错误的是(　　) A．①③ B．②③ C．①④ D．②④ 解析：A　[实验室制取氨气的方法有：铵盐与碱加热制取氨气，常用NH4Cl与Ca(OH)2反应，固体与固体反应，因为有水生成，试管口应略向下倾斜，③错误；在浓氨水中加入CaO，CaO与水反应使溶液中c(OH－)增大，消耗了水，并且放出大量的热，使NH3·H2O分解放出氨气，②正确；加热浓氨水，加快氨气挥发，④正确；①是错误的，因为氯化铵分解生成的NH3与HCl冷却后又生成NH4Cl，不能得到NH3。] $$