第3节 氮的循环 第1课时（教学设计）化学鲁科版2019必修第一册

第三节 氮的循环 第1课时 自然界中氮的循环 一、知识目标 1.了解自然界中氮的循环过程和氮的固定方式，明确自然固氮和人工固氮的化学变化本质。 2.掌握氮气的物理性质和化学性质，理解其化学性质稳定的原因及在特定条件下的反应。 3.熟悉氮的氧化物的种类、化合价，重点掌握(NO)和(NO2)的物理性质、化学性质及相关反应方程式。 4.学会氮的氧化物溶于水的相关计算，能根据不同气体体积比判断反应结果。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识自然界中氮的循环现象，从微观角度理解氮原子的结构特点对氮气和氮的氧化物性质的影响。 2.证据推理与模型认知：通过实验现象推理NO、NO2等物质的性质，建立氮的氧化物反应的化学模型，掌握相关计算方法。 3.科学探究与创新意识：通过对氮的循环、氮气和氮的氧化物性质的实验探究，培养科学探究能力和创新思维，了解人工固氮的发展历程和重要意义。 一、教学重点 1.自然界中氮的循环、氮的固定。 2.氮气、NO和NO2的性质。 3.氮的氧化物溶于水的计算。 二、教学难点 1.氮气化学性质的理解和应用。 2. 氮的氧化物溶于水计算中不同情况的分析和判断。 本节教学内容源于新课标人教版（2019 年版）高中化学必修第二册第五章《化工生产中的重要非金属元素》第一节《硫及其化合物》的第一课时《硫 二氧化硫》。硫及其化合物是高中化学重要的元素化合物知识，在化工生产和日常生活中有着广泛应用，对于学生理解化学与生活、化学与工业的紧密联系具有重要意义。 教材先介绍硫的存在和性质，从硫元素在自然界的存在形式引入，引导学生了解硫单质的物理性质、原子结构及化学性质，为后续学习二氧化硫奠定基础。接着重点阐述二氧化硫的性质，通过实验探究，让学生直观认识二氧化硫的物理性质和化学性质，包括酸性氧化物通性、氧化性、还原性及漂白性等，同时引入可逆反应概念，深化学生对化学反应的认识。教材内容编排由浅入深，注重理论与实践结合，有助于培养学生的科学探究能力和化学学科核心素养。 教学对象是初高中阶段的学生，处于知识积累和思维发展的关键时期。在知识基础方面，学生在初中已经对氮元素有了初步认识，了解了一些常见的含氮物质，但对于氮的循环以及氮的化合物之间的转化关系认识较为模糊。 在思维能力上，初中学生以形象思维为主，高中学生正逐渐从形象思维向抽象思维过渡，但仍需要借助实验和实例来理解抽象的化学概念和原理。 由于氮的循环涉及到自然界中的多个环节和复杂的化学反应，对于学生来说具有一定的难度。在教学过程中，教师应充分利用学生已有的知识经验，结合生活实例和实验探究，引导学生逐步构建氮的循环知识体系。同时，要注重培养学生的科学思维和探究能力，让学生在学习过程中学会观察、分析和解决问题。 此外，学生在学习过程中可能会对一些抽象的概念和复杂的化学反应感到困惑，教师要及时给予指导和帮助，确保学生能够顺利掌握本节课的内容。 教学环节一 新课导入 【问题】同学们，在开始今天的化学学习之前，老师想问问大家，在农业生产和日常生活中，你们有没有听说过一些和氮元素相关的俗语或者现象呢？开动你们的小脑袋，大胆说一说。（给学生一些思考和发言时间，学生可能会提到“雷水发庄稼”等） 【学生回答】“种豆子不上肥，连种几年地更肥” 【讲解】大家说得都很不错。其实，硫在我们生活和历史中都有着重要的身影。你们知道吗？中国古代四大发明之大家说得非常棒，看来平时都很善于观察生活。就拿“雷水发庄稼”来说，在雷电交加的时候，天空中会发生一系列奇妙的化学反应。空气中的氮气（）和氧气（）在放电的条件下会发生反应生成一氧化氮（），化学方程式为。一氧化氮（）很容易和空气中的氧气进一步反应生成二氧化氮（），反应方程式是。而二氧化氮（）又能溶于水生成硝酸（），化学方程式为。生成的硝酸（）会随着雨水落到土壤中，和土壤中的矿物质反应生成硝酸盐，这些硝酸盐可是植物生长所必需的氮肥，能促进庄稼的生长。再看“种豆子不上肥，连种几年地更肥”，这是因为豆科植物的根瘤中有根瘤菌，它能把空气中的氮气转化为含氮的化合物，从而增加土壤的肥力。那么，自然界中氮元素到底是如何循环的，氮气、氮的氧化物又具有哪些性质呢？让我们一起走进今天的学习——自然界中氮的循环。 设计意图 1.激发学生兴趣：通过问题学生熟知的和氮元素相关的俗语或现象，能迅速吸引学生的注意力，激发他们的好奇心和表达欲望，使学生积极主动地参与到课堂讨论中来。 2.联系生活实际：详细讲解俗语背后的化学原理，将抽象的化学知识与农业生产实际紧密联系起来，让学生感受到化学在生活中的广泛应用，增强学生对化学学科的认同感和学习热情。 3.引发思考，导入新课：由俗语原理引出关于自然界中氮循环以及氮气、氮的氧化物性质的问题，自然地过渡到本节课的主题，让学生明确学习方向，带着问题去探索新知识，提高学习的主动性和积极性。 教学环节二 自然界中氮的循环 活动一：课堂思考引入 【引入】同学们，在开始今天的课程之前，请大家思考一个问题：自然界是怎样通过氮的循环为生物体提供氮元素的呢？现在请观看一张图片，总结一下相关内容。 设计意图 通过有关氮的循环的图片引入，激发学生的好奇心和学习兴趣，让学生带着问题进入新知识的学习。 活动二：氮元素的价类二维图 【问题】首先请大家思考，自然界中的氮循环涉及许多氮及其化合物，它们的物质类别和其中氮元素的化合价是怎样的呢？大家完成下面表格。 物质类别 氢化物 单质 氧化物 氧化物 氧化物 氧化物 氧化物 酸 盐 盐 物质 NH3 N2 N2O5 NO2 N2O3 NO N2O HNO3 NO3- NH4+ 化合价 【学生回答】 物质类别 氢化物 单质 氧化物 氧化物 氧化物 氧化物 氧化物 酸 盐 盐 物质 NH3 N2 N2O5 NO2 N2O3 NO N2O HNO3 NO3- NH4+ 化合价 -3 0 +2 +4 +3 +2 +1 +5 +5 -3 【讲解】非常好。我们通过表格可以构建以下氮元素的价类二维图： 【问题】同学们，自然界中的氮循环对人类的生活、生产有益，有的则产生了负面影响，你能举例说明吗？ 【学生回答】益处：1.为农业生产提供必需养分2.维持食物链的物质循环；负面影响：1.水体富营养破坏水生生态与水质2.大气污染，引发酸雨与光化学烟雾 设计意图 让学生通过梳理及其化合物的类别和化合价，构建氮元素的价类二维图，加深对氮循环中物质的认识。并让学生总结氮循环对人类生产生活的正面与负面影响，加深学生对氮循环的理解。 活动三：氮原子的结构 【问题】我们知道物质的性质与其结构有关，氮原子的结构有什么特点呢？ 【学生回答】氮原子的最外电子层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。氮元素位于元素周期表的第二周期、第VA族。 【讲解】同学们回答的很正确，氮原子的结构决定了它的性质。氮原子一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质，主要化合价有-3，0，+2，+4，+5。 设计意图 通过对氮原子结构的分析，培养学生从结构推测性质的化学思维能力。 活动四：氮的固定 【问题】氮的固定是怎样的过程呢？ 【学生回答】氮的固定是将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程，包括自然固氮和人工固氮，且自然固氮和人工固氮都是化学变化。自然固氮中闪电占10%，豆科植物占90%，人工固氮如工业合成氨N2+ 3H2=2NH3 。 【讲解】同学们回答的很正确，自然固氮和人工固氮都是化学变化。 设计意图 让学生理解氮的固定的概念和方式，构建知识体系。 活动五：实验模拟闪电固氮、认识氮及其化合物 【实验展示】播放实验视频，学生观察实验现象并记录。 1. N2与O2反应 2. NO转化为NO2 3. NO2溶于水的实验，让学生观察实验现象并记录。 【问题】实验现象是什么，大家又能得出什么结论呢？ 【学生回答】 1. N2与O2在放电条件下发生反应N2+O2=2NO ，无明显现象 2. NO转化为NO2时，有红棕色气体生成，反应方程式为2NO + O2 = 2NO2 3. NO2溶于水时，红棕色气体变为无色气体，集气瓶中水面上升到原体积的约三分之一处，集气瓶内无色气体接触到空气又变成红棕色，反应方程式为3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 。 设计意图 通过实验让学生直观感受氮及其化合物的性质变化，培养学生的观察能力和分析能力。 教学环节三 氮气的性质 活动一：氮气的物理性质 【引入】同学们，在我们生活的空气中，氮气占据了约 78%的体积，它虽然看似普通，却有着独特的性质和重要的作用。那氮气到底有哪些性质呢？下面我们先来了解它的物理性质。 【问题】请同学们观察教材上关于氮气的描述以及相关实验现象，思考氮气在颜色、状态、气味、密度、溶解性等方面有什么特点？ 【学生回答】 1.回答：氮气是无色气体，无味，密度比空气稍小，难溶于水。 2.因为氮气的密度与空气接近，所以只能用排水法收集。 【讲解】同学们回答得很准确。氮气无色无味且难溶于水的性质，使得它在很多实验和工业生产中有着特殊的应用。由于其密度与空气接近，用排空气法收集很难得到纯净的氮气，所以排水法是收集氮气的合适方法。同时，氮气还可以用作制冷剂，这和它的物理性质也是密切相关的。 设计意图 通过阅读教材了解氮气的物理性质，培养学生的阅读能力，同时为接下来的学习做好准备。 活动二：氮气的化学性质 【引入】我们已经了解了氮气的物理性质，那它的化学性质又是怎样的呢？氮气在通常情况下化学性质很稳定，但在一些特定条件下也能发生反应。 【问题】 1. 请同学们根据教材内容，写出氮气与金属镁、氢气、氧气反应的化学方程式，并分析氮气在这些反应中表现出的性质。 2.为什么氮气在通常情况下化学性质稳定，而在高温、放电等条件下又能发生反应呢？ 【学生回答】 1.(1)氮气与金属镁反应：，氮气表现氧化性。 (2)氮气与氢气反应：，氮气表现氧化性。 (3)氮气与氧气反应：，氮气表现还原性。 2. 氮分子内两个氮原子间以共价三键结合，断开该化学键需要较多的能量，所以通常情况下难以与其他物质发生化学反应；而在高温、放电等条件下，氮分子获得了足够的能量，使断裂，就可以和一些物质发生化学反应。 【讲解】同学们书写的化学方程式和分析都很正确。氮气在不同反应中表现出不同的性质，这取决于它与其他物质的得失电子情况。氮气化学性质的稳定性和活泼性与氮分子的结构密切相关，共价三键的存在使得它在一般条件下稳定，而特殊条件下又能参与反应。 设计意图 引导学生思考氮气的相关反应，从而引出氮气的化学性质，让学生直观的感受到氮气的化学性质，培养学生的思考能力。 教学环节四 氮的氧化物 活动一：氮的氧化物的种类 【引入】氮元素可以形成多种氧化物，它们在生活和环境中都有着不同的影响。下面我们来了解一下氮的氧化物的种类和它们的化合价。 【问题】请同学们阅读教材，找出氮的氧化物有哪几种，并确定它们的化合价。 【学生回答】氮的氧化物有笑气、、、、、六种，其化合价分别是 +1，+2，+3，+4，+4，+5。 【讲解】同学们找得很准确。这些氮的氧化物都有毒，是大气污染物，我们要关注它们对环境的影响。其中是无色有甜味的气体，在室温下稳定，有轻微麻醉作用，并能致人发笑，已被列入《危险化学品目录》。 设计意图 引导学生了解氮的氧化物的种类，引出接下来的学习内容。 活动二：和的物理性质 【引入】在氮的氧化物中，和是比较常见且重要的两种。下面我们来了解一下它们的物理性质。 【问题】请同学们对比教材中和的描述，完成以下表格： 氧化物 颜色 气味 毒性 状态 水溶性 收集方法 【学生回答】填写表格： 氧化物 颜色 气味 毒性 状态 水溶性 收集方法 无色 无味 有毒 气体 不溶 排水法 红棕色 刺激性气味 有毒 气体 易溶 向上排空气法 【讲解】评价、强调：同学们填写得很准确。和在颜色、气味、水溶性等方面有明显的差异，这些差异决定了它们的收集方法。难溶于水，所以用排水法收集；易溶于水，只能用向上排空气法收集。 设计意图 通过阅读教材了解和的物理性质，培养学生的阅读能力，同时为接下来的学习做好准备。 活动三： 和的化学性质 【引入】我们已经了解了和的物理性质，它们的化学性质又有哪些特点呢？下面我们来深入学习。 【问题】请同学们阅读教材相关内容，分别写出NO相关反应方程式。 【学生回答】 1.易被氧化为：，表现还原性。 2.加热并且在催化剂作用下与反应：6NO + 4NH3===5N2 + 6H2O，表现氧化性。 3.在催化剂作用下与反应：2NO + 2CO=N2 + 2CO2，表现氧化性。 【问题】请同学们继续阅读教材相关内容，分别写出相关反应方程式。 【学生回答】 1.难被氧化，易与水反应生成和：工业制取。 2.常温下易转化为：。 3.还可将氧化：，表现氧化性。 4.与溶液反应尾气处理方法：，。 【问题】思考和在工业生产和环境中有哪些应用和影响？ 【学生回答】在扩张血管、提高免疫力、增强记忆力等方面有着重要作用，被称为信使分子；能使多种织物褪色，损坏多种织物和尼龙制品，对金属和非金属材料有腐蚀作用，同时在空气中随雨水进入土壤，促进植物生长。 【讲解】同学们总结得很全面。和的化学性质比较复杂，它们在不同的反应中表现出不同的性质。在工业生产中，利用与水反应制取硝酸；在环境方面，它们既是污染物，又有一定的积极作用。同时，尾气处理的化学方程式很重要，它可以减少氮的氧化物对环境的污染。 设计意图 引导学生探究和的化学性质，让学生更好的理解氮元素在自然界中的循环，培养学生的思考能力。 活动四： 实验探究氮的氧化物与水的反应 【观看视频】请同学们观看NO与NO2与水的反应视频，完成以下表格： 实验操作 实验现象 实验结论 在一支 50 mL 的注射器里充入 20 mL NO，然后吸入 5 mL 水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器 打开弹簧夹，快速吸入 10 mL 空气后夹上弹簧夹 振荡注射器 【学生回答】 实验操作 实验现象 实验结论 在一支 50 mL 的注射器里充入 20 mL NO，然后吸入 5 mL 水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器 注射器内无明显变化 NO 难溶于水 打开弹簧夹，快速吸入 10 mL 空气后夹上弹簧夹 注射器内气体变为红棕色，注射器活塞向左移动 NO 和 O₂反应生成红棕色 NO₂ 振荡注射器 气体的红棕色消失，注射器活塞继续向左移动 NO₂溶于水生成无色的 NO 【讲解】同学们观察总结的很到位，接下来我们将进行更深层次的学习。 设计意图 通过观看实验视频直观的感受到单的氧化物与水的反应，为接下来学习相关计算做准备。 活动五： 氮的氧化物溶于水的计算 【引入】我们已经学习了氮的氧化物溶于水的实验。下面我们来学习相关的计算方法。 【问题】请同学们给出相关反应的化学方程式及其推导过程。 【学生回答】 1.3NO2＋H2O===2HNO3＋NO×2+2NO＋O2===2NO2→4NO2＋O2＋2H2O==＝4HNO3 2.3NO2＋H2O===2HNO3＋NO×2+2NO＋O2===2NO2 ×3→4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 【问题】若 NO2 通入水中，关系式是什么？剩余气体是什么？ 【学生回答】若通入水中，关系式为，剩余气体为，剩余。 【问题】若NO 和 NO2 通入水中，关系式是什么？剩余气体是什么？ 【学生回答】若和通入水中，总关系式为，剩余。 【问题】若 NO 和 O2 通入水中，关系式是什么，剩余气体和有什么关系？ 【学生回答】若和通入水中，总关系式为。 当体积比，过量，剩余气体为。 当体积比，恰好完全反应，无气体剩余。 当体积比，过量，剩余气体为，剩余。 【问题】若和通入水中，关系式是什么？剩余气体和有什么关系？ 【学生回答】若和通入水中，总关系式为。 1.当体积比，过量，剩余气体为。 2.当体积比，恰好完全反应，无气体剩余。 3.当体积比，过量，剩余气体为，剩余。 【问题】若 、和通入水中，关系式是什么，剩余气体是什么？ 【学生回答】若、和通入水中，都假设先完全与水发生反应生成，剩下的气体就是与的混合气体，再根据进行计算。 【讲解】同学们推导得很正确。在进行氮的氧化物溶于水的计算时，要根据不同的情况，确定气体的剩余情况，然后利用相应的关系式进行计算。 设计意图 让学生自推导氮的氧化物溶于水的相关计算的关系式与剩余气体的规律，让学生更好的理解记忆氮的氧化物溶于水的规律，培养学生的思考与总结能力。 教学环节五 人工固氮 活动一：雷雨发庄稼的原理 【问题】同学们，在进一步学习了氮气以及氮的氧化物的性质后，我们在回过头来思考“雷雨发庄稼”这样的俗语，大家有没有想过为什么一场雷雨过后庄稼就能生长得更好呢？这其中蕴含着怎样的化学原理呢？ 【学生回答】雷电发生时，和会化合生成，化学方程式为：，NO 迅速被氧化为，化学方程式。溶于水生成，化学方程式为。 【讲解】同学们推导得很正确。跟土壤作用生成硝酸盐，可被植物吸收，从而解释了“雷雨发庄稼”的原理。 设计意图 解释了课堂刚开始“雷雨发庄稼”的原理，培养学生学以致用的能力。 活动二：人工固氮 【讲解】1774年，普利斯特里通过加热氯化铵和氢氧化钙的混合物，首先收集到氨。1784年，贝托莱经分析确定氨是由氮元素和氢元素组成的。1904年，德国化学家哈伯进行合成氨实验，测得反应所得气体混合物中有体积的氨，终于在1909年设计出一套高温、高压、催化合成氨的实验装置。：德国化学工程师博施经过大量试验找到了较为理想的铁催化剂，设计并建造了能够耐高温、高压的合成氨装置。 设计意图 通过了解工业合成氨的发展历程，让学生认识到科学研究的艰辛和科学家们的不懈努力，培养学生的科学精神和对化学学科的热爱。同时，让学生明白化学在工业生产和社会发展中的重要作用。 活动三：中国的合成氨发展 【引入】了解了工业合成氨的发展历程后，我们再来看看我国合成氨工业的发展情况。我国在合成氨工业方面也取得了巨大的成就，下面让我们一起来了解一下。 【讲解】解放前中国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。中国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。中国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。 设计意图 通过介绍我国合成氨工业的发展，增强学生的民族自豪感和爱国情怀，同时让学生认识到化学工业的发展对国家经济和社会发展的重要意义。 第三节 氮的循环 第1课时 自然界中氮的循环 一、自然界中的氮循环 1.氮原子结构特点 2.氮的固定 o自然固氮 闪电 豆科植物 o人工固氮 工业合成氨 二、氮气 3.物理性质 o无色、无味、气体 o密度比空气稍小 o难溶于水 4.化学性质 o通常稳定，作保护气 o高温、放电等条件反应 与Mg：N₂ + 3Mg =点燃= Mg₃N₂（氧化性） 与H₂：N₂ + 3H₂ ⇌高温、高压、催化剂 2NH₃（氧化性） 与O₂：N₂ + O₂ =放电= 2NO（还原性） 三、氮的氧化物 5.种类及化合价 oN₂O（+1）、NO（+2）、N₂O₃（+3）、NO₂（+4）、N₂O₄（+4）、N₂O₅（+5） 6.NO和NO₂性质 o物理性质 NO：无色、无味、气体，不溶，排水法 NO₂：红棕色、刺激性气味、气体，易溶，向上排空气法 o化学性质 NO：易被O₂氧化；与NH₃、CO反应 NO₂：与水反应；常温转化N₂O₄；氧化SO₂；与NaOH反应 o其他性质 NO：结合血红蛋白；信使分子 NO₂：褪色、腐蚀；促进植物生长 o溶于水计算 4NO₂＋O₂＋2H₂O==＝4HNO₃ 4NO＋3O₂＋2H₂O===4HNO₃ 1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。 (1)N₂在高温条件下与O₂发生反应生成NO₂。(　　) (2)氮原子与其他原子只能形成共价键，不能形成离子键(　　) (3)氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气(　　) (4)白磷(P₄)空气中自燃而氮气稳定存在，说明非金属性P比N强(　　) 【答案】(1)× (2)× (3)√ (4)× 2.某化学学习小组为探究NO₂和SO₂的反应，进行如下实验(如图所示)。 ①图甲两集气瓶中 (填“上”或“下”)瓶颜色深。 ②图乙中反应的现象是 。 ③图丙中“有红棕色气体产生”说明SO₂和NO₂反应的产物中有 ，说明NO₂在该反应中显 性。 ④由图乙和图丙中的现象写出NO₂和SO₂反应的化学方程式： 。 【答案】①下；②两气体混合后，颜色由红棕色变为无色；③NO；氧化；④NO₂＋SO₂===NO＋SO₃ 3.试管内装有12 mL NO，然后间歇而缓慢地通入8 mL O₂，下列有关实验最终状态的描述正确的是(B) A．试管内气体呈红棕色 B．试管内气体为无色的NO C．试管内气体为无色的O₂ D．试管内液面上升至充满整个试管 在本节课的教学中，通过俗语和农俗导入，激发了学生的学习兴趣。在讲解自然界中氮的循环时，引导学生交流研讨，培养了学生的思考和分析能力。对于氮气和氮的氧化物的性质，通过实验现象分析和化学反应方程式的推导，让学生较好地理解了知识。但在教学过程中，发现学生对于氮的氧化物溶于水的计算部分理解存在困难，可能是因为这部分内容较为抽象，后续应加强这方面的练习和讲解。同时，在教学方法上可以更加多样化，增加一些实际生活中的案例，让学生更好地体会化学知识的实用性。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$