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（教用Word）-【金榜题名】2026-2027学年高一化学必修第一册高中同步学案（鲁科版）

第3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 学习目标 核心素养 1.了解氮循环的基本过程，认识氮循环中的重要物质以及人类活动对氮循环的影响。 2.知道N2在一定条件下能够与O2、H2反应，了解氮的固定的相关知识，体会氮的固定的作用。 3.了解NO、NO2的物理及化学性质。 1.查阅资料画出氮循环图示，写出短文，解释氮循环。 2.探究氮的单质、氮的氧化物的性质。 知识点　自然界中氮的循环与固定 一、自然界中氮的循环 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 ―→ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ＫＫ 3.人类活动的影响 (1)氮气氨→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。 二、氮气的性质及氮的固定 [实验探究]　模拟闪电固氮，认识氮及其化合物的性质 [观察记录] 实验 实验装置 实验现象 实验结论 反应方程式 在放电 条件下 氮气与 氧气发 生反应 管口两端出 现少许红 棕色 氮气化学性 质不活泼， 常温下难与 其他物质 反应 N2＋O2 2NO 一氧化 氮转化 为二氧 化氮 试管内颜色 由无色变为 红棕色 一氧化氮与 氧气接触被 氧化为二氧 化氮，二氧化 氮为红棕色 气体 2NO＋O2 ===2NO2 二氧化氮 溶于水 红棕色气体 消失，液面 上升 二氧化氮易 溶于水 3NO2＋ H2O=== 2HNO3＋ NO 1.氮气的结构和性质 (1)结构：由氮原子形成的双原子分子。 (2)物理性质 颜色 状态 气味 密度 溶解性 无色 气体 无味 与空气接近 难溶于水 (3)化学性质 氮气的化学性质稳定，通常很难与其他物质发生反应。 ①还原性：与O2反应产生NO，反应的化学方程式为N2＋O22NO。 ②氧化性：与H2反应生成NH3，反应的化学方程式为N2＋3H22NH3。 2.氮的固定 (1)定义：使空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。 (2)分类 氮的固定 3.氮的氧化物 氮的 化合价 ＋1 ＋2 ＋3 ＋4 ＋5 对应氧 化物 N2O NO N2O3 NO2、N2O4 N2O5 4.NO和NO2 (1)物理性质 物质 颜色 状态 气味 密度 毒性 水溶性 NO 无色 气态 无味 与空气 接近 有毒 不溶于水 NO2 红棕色 气态 刺激性 比空气 大 有毒 易溶于水 (2)相互转化（写出有关化学方程式） ①NO→NO2：2NO＋O2===2NO2。 ②NO2→NO：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。 [互动探究] 1.向充有NO且倒置于水槽的试管中缓缓通入O2，可以观察到________________________________________________________________________ 　　　　　　　　　　　　，其总反应的化学方程式为________________________________________________________________________。 解析：由于NO和O2反应生成红棕色的NO2，NO2与H2O发生反应又不断地生成HNO3和NO，NO再和O2反应生成红棕色的NO2，如此循环往复，最终NO全部转化为HNO3，所以可以观察到试管内气体由无色变为红棕色，气体不断减少，液面不断上升，最后溶液充满试管，其反应过程相当于NO和O2、H2O反应生成HNO3，则总反应方程式为4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。 答案：试管内气体由无色变为红棕色，气体不断减少，液面不断上升，最后溶液充满试管　4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 2.向充有NO2且倒置于水槽的试管中缓缓通入O2，可以观察到　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，其总反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　。 解析：NO2与H2O发生反应又不断地生成HNO3和NO，NO再和O2反应生成红棕色的NO2，如此循环往复，最终NO2全部转化为HNO3，所以可以观察到试管内红棕色气体不断减少，液面不断上升，最后溶液充满试管，其反应过程相当于NO2和O2、H2O反应生成HNO3，则总反应方程式为4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3。 答案：试管内红棕色气体不断减少，液面不断上升，最后溶液充满试管　4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 3.将容积为8 mL的充有等体积NO和O2的试管倒置于水槽中久置，最后试管内剩余的气体是　　　　，其体积是　　　　mL；将容积为8 mL的充有等体积NO2和O2的试管倒置于水槽中久置，最后试管内剩余的气体是　　　　，其体积是　　　　mL。 解析：根据方程式4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，可判断试管内剩余1 mL氧气；根据方程式4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，可判断试管内剩余3 mL氧气。 答案：氧气　1　氧气　3 1.四个计算依据 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO①， 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3②， 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3③， 2NO＋O2===2NO2④。 2.四种计算类型 (1)NO2气体溶于水——根据反应①计算，剩余气体为NO，V(NO)＝1/3V(NO2)。 (2)NO2和O2的混合气体溶于水——根据反应②计算： x＝ 0＜x＜ x＝ x＞ 反应情况 O2过量，剩余气体为O2 恰好完全反应，无气体剩余 NO2过量又发生反应①，只剩余NO (3)NO、O2的混合气体溶于水——根据反应③计算： x＝ 0＜x＜ x＝ x＞ 反应情况 O2过量， 剩余O2 恰好完全反应，无气体剩余 NO过量，剩余NO (4)NO、NO2、O2三种气体混合溶于水——可先由反应①3NO2＋H2O===2HNO3＋NO求出生成NO的体积，再加上原混合气体中NO的体积，再按类型(3)的方法进行计算；或先由反应④2NO＋O2===2NO2求出生成NO2的体积，再加上原混合气体中NO2的体积，再按类型(2)的方法进行计算。 方法总结 理解氮氧化物的注意事项 (1)NO是无色、难溶于水的气体，密度比空气的略大，常温下可与O2反应生成NO2。 (2)NO2为红棕色气体，能与水反应，化学方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。 (3)N2与O2在常温下不发生反应，在放电或高温条件下反应生成NO而不是NO2。 　将盛有1 mol NO和NO2混合气体的试管倒立于盛满水的水槽中，再通入0.4 mol O2，充分反应后，整个试管充满水。则原混合气体中NO与NO2体积比为(　　) A．1∶2　　　　　　　　B．2∶5 C．3∶7 D．1∶1 思路点拨：解答本题应注意以下两点： (1)NO2与O2混合物完全溶于水的比值为4∶1。 (2)NO与O2混合物完全溶于水的比值为4∶3。 解析：选C　设1 mol NO和NO2的混合气体中有a mol NO和(1－a)mol NO2，根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3和4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3可得：a＋＝0.4，所以a＝0.3，V(NO)∶V(NO2)＝3∶7。 【合作探究】 (1)1 mol NO和NO2混合气体的试管倒立于盛满水的水槽中，剩余0.4 mol气体，则NO与NO2体积比为　　　　。 提示：1∶9。设n(NO2)＝a mol 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　　　气体减少 3 mol　　　　　　　　1 mol　　　　2 mol a mol　　　　　　　　　　　　　　 (1－0.4)mol 可得a＝0.9 故NO与NO2体积比为1∶9。 (2)1 mol NO和NO2混合气体中两者体积之比为1∶1，试管倒立于盛满水的水槽中，再通入　　　　mol O2，充分反应后，整个试管充满水。 提示：0.5。通入氧气的物质的量为×0.5 mol＋mol＝0.5 mol。 自学检测 1.N2与下列物质反应时体现其还原性的是(　　) A．H2 B．O2 C．Mg D．Na 解析：选B　N2＋ 2.下列关于氮气的叙述错误的是(　　) A．N2是一种无色无味的气体 B．N2可用作生产氮肥和硝酸的原料 C．N2可用浓硫酸和碱石灰干燥 D．N2可用排空气法收集 解析：选D　N2的密度与空气相差不大，不能用排空气法收集。 1.下列关于自然界中氮循环（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：选A　N2→NH3中氮元素被还原，A错误；工业合成氨是氮气转化为氨气，属于人工固氮，B正确；通过生物体，铵盐（含氮无机物）与蛋白质（含氮有机物）可相互转化，C正确；生物体合成蛋白质的过程有C、H、O的参与，D正确。 2.下列对NO、NO2的描述，正确的是(　　) A．NO是红棕色气体，易溶于水，是酸性氧化物 B．NO2可用排水法收集，且可由N2和O2化合而得到 C．NO、NO2在一定条件下可相互转化，且二者都是引起光化学烟雾的大气污染物 D．NO、NO2互为同素异形体，且NO是汽车尾气的有害成分之一 解析：选C　NO是无色难溶于水的气体，NO不与碱反应，不是酸性氧化物，故A项错误；NO2与水反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，N2和O2反应生成NO，故B项错误；NO和O2发生反应：2NO＋O2===2NO2，NO2与H2O反应生成NO，两者都是光化学烟雾的大气污染物，故C项正确；NO与NO2都不是单质，故不可能是同素异形体，故D项错误。 3.NO2可以用氢氧化钠溶液吸收，或在一定条件下用氨气与其反应使之转化为无污染的物质，发生反应的化学方程式分别是2NO2＋2NaOH===M＋NaNO3 ＋H2O， 8NH3＋6NO2===7X＋12H2O。则M、X代表的物质的化学式分别是(　　) A．NaNO2、N2　　　　　B．HNO2、N2 C．NO、HNO3 B．N2、N2 解析：选A　根据题目所提供的化学方程式利用质量守恒定律可得M为NaNO2，X为N2。 课时作业（二十）　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 基础达标练 1.下列关于N2性质的叙述，错误的是(　　) A．任何物质在N2中都不能燃烧 B．氮气既具有氧化性，又具有还原性 C．将空气中的N2转变成含氮化合物属于氮的固定 D．氮是活泼的非金属元素，但N2的化学性质很不活泼 答案：A 2.下列关于氮的氧化物的说法中，正确的是(　　) A．氮的氧化物都是酸性氧化物 B．氮的氧化物都既有氧化性，又有还原性 C．NO2与H2O反应生成HNO3，所以HNO3的酸酐是NO2 D．只能用排水法收集NO 解析：选D　NO不能与碱溶液反应，不是酸性氧化物，A项错误；N2O5中氮元素为最高价，只有氧化性，B项错误；酸酐是相应酸失水所得，中心元素化合价不变，HNO3的酸酐是N2O5，C项错误。 3.二氧化氮溶于水生成硝酸和一氧化氮：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，工业上用这一原理生产硝酸。下列有关该反应的说法正确的是(　　) A．生成的NO是无色难溶于水的气体 B．H2O是还原剂 C．NO2只发生氧化反应 D．氮元素的化合价不发生变化 解析：选A　A．生成的NO是无色难溶于水的气体，正确；B.反应中只有氮元素的化合价变化，即部分升高到＋5价，部分降低到＋2价，NO2是氧化剂，也是还原剂，H2O不是还原剂，也不是氧化剂，B错误；C.NO2既发生氧化反应，也发生还原反应，C错误；D.氮元素的化合价发生变化，D错误。 4.图中试管内盛装的是红棕色气体，将其倒扣在盛有水的水槽中时，试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中水柱继续上升，经过多次重复后，试管被水充满，原来试管中盛装的气体是(　　) A.肯定是NO2气体 B．肯定是O2与NO2的混合气体 C．肯定是NO气体 D．可能是NO与NO2的混合气体 解析：选D　由气体“红棕色”推测气体中肯定含有NO2，NO2与水反应后生成了NO，由“向试管内鼓入氧气多次后，试管被水充满”，说明试管内液面上升后剩余的气体都是NO，则试管中原来的气体中可能还含有NO或NO2的混合气体。 5.实验室制备气体后，在收集气体时，往往根据气体的性质选择不同的收集方法，当小明在实验室制备下列气体时，只能用排水法收集的是(　　) A．HCl　　　　　B．CO2 C．NO D．NO2 解析：选C　因NO不与水反应，且不溶于水，故NO的收集能使用排水法，而NO的密度与空气接近且NO与空气中的O2会反应，不能用排空气法收集。 6.NO2与水的反应可表示为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，关于此反应的下列说法中正确的是(　　) A．氮元素的化合价没有发生变化 B．NO2只是氧化剂 C．NO2只是还原剂 D．NO2既是氧化剂，又是还原剂 解析：选D　反应中3 mol NO2中有2 mol氮元素的化合价由＋4价升高到＋5价，1 mol氮元素的化合价由＋4价降低到＋2价，所以NO2既是还原剂又是氧化剂。 7.一定条件下，将等体积的NO和O2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的体积为原总体积的(　　) A． B． C． D． 解析：选C　由于NO和O2等体积，故二者等物质的量，当二者溶于水时，发生反应 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 4 mol　3 mol 设初始时NO和O2的物质的量均为4 mol，则4 mol NO反应掉3 mol O2，还剩余1 mol O2，则剩余O2为原气体的。 8.把少量NO2气体通入过量小苏打溶液中，再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠颗粒的干燥管，最后收集到的气体是(　　) A．氧气 B．二氧化氮 C．二氧化氮和氧气 D．二氧化氮和一氧化氮 解析：选C　少量NO2气体通入过量小苏打溶液中，逸出的气体为NO、CO2，二者物质的量之比为1∶2，同时还有少量水蒸气逸出，再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠颗粒的干燥管，CO2与过氧化钠反应生成的 O2与NO反应生成NO2，O2有剩余，同时逸出的少量水蒸气与过氧化钠反应生成O2，所以最后收集到的气体是NO2和O2。 9.按如图进行实验，试管内装有12 mL NO，然后间歇而缓慢地通入8 mL O2，下面有关实验最终状态的描述正确的是(　　) 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．试管内充满了液体 解析：选B　据题意在装有NO的试管内通入O2时依次发生反应2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，二者相加得总反应为4NO＋3O3＋2H2O===4HNO3，由于＝＝＞，即NO过量，试管内剩余气体为无色的NO，液体未充满试管。 10.实验室常用饱和NaNO2与NH4Cl溶液反应制取纯净氮气，如图所示。反应方程式为NaNO2＋NH4Cl===NaCl＋N2↑＋2H2O，反应放热。试回答： (1)装置中A部分的分液漏斗与蒸馏烧瓶之间连接的导管所起的作用是　　　　。 A．防止NaNO2饱和溶液蒸发 B．保证实验装置不漏气 C．使NaNO2饱和溶液容易滴下 (2)B部分的作用是　　　　。 ①冷凝　②冷却氮气　③缓冲氮气流 (3)加热前必须进行的一个操作步骤是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 加热片刻后，应立即移去酒精灯以防反应物冲出，其原因是________________________________________________________________________。 (4)收集N2前，必须进行的步骤是（用文字说明）________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 收集N2不适宜的方法是（填写编号）　　　　。 ①用排空气法收集在集气瓶中； ②用排水法收集在集气瓶中； ③直接收集在球胆或塑料袋中。 解析：根据实验室制N2的原理知该反应为放热反应，且较剧烈，加热片刻后，应立即移去酒精灯以防反应物冲出；装置中A部分的分液漏斗与蒸馏烧瓶之间连接的导管是为了保证NaNO2饱和溶液容易滴下；该反应产生的N2中混有水蒸气，B的作用是除去水蒸气；N2的相对分子质量(28)和空气(29)相当，故不能用排空气法收集。 答案：(1)C　(2)① (3)检查装置气密性　本反应为放热反应 (4)将系统内空气排净　① 能力提升练 11.三聚氰酸[C3N3(OH)3]可用于消除汽车尾气中的NO2。其反应原理为C3N3 (OH)33HNCO①； 8HNCO＋6NO27N2＋8CO2＋4H2O②。下列说法正确的是(　　) A．C3N3 (OH)3与HNCO为同一物质 B．HNCO是一种很强的氧化剂 C．1 mol NO2在反应中转移的电子为4 mol D．反应中NO2是还原剂 解析：选C　化学反应①是三聚氰酸的转化，生成氰酸(HNCO)，故二者不是同一物质；据反应②知：O2→2，故NO2是氧化剂，HNCO是还原剂，1 mol NO2转移4 moI电子，所以选C。 12.某氮的氧化物和一氧化碳在催化剂的作用下充分反应，生成氮气和二氧化碳。若测得氮气和二氧化碳的物质的量之比为1∶2，则该氮的氧化物是(　　) A．N2O B．NO C．NO2 D．N2O5 解析：选B　设氮氧化物的化学式为NOx，由题意得2NOx＋2CON2＋2CO2，根据O守恒得2x＋2＝2×2，求出x＝1，故此氮氧化物为NO。 13.某活动小组利用如图装置验证NO的还原性及探究工业生产硝酸的原理（装置气密性已检查完毕）。 (1)向广口瓶①中通入NO并测定NO的体积。 ①通入NO前，从滴定管中向广口瓶①中加入水 ②从导管a通入一定量的NO，并记录滴定管液面变化的示数为V L（V<0.05 L，气体体积已换算为标准状况）。 (2)验证NO的还原性；探究工业生产硝酸的原理 ①停止通入NO后关闭K1、K3，打开K2，从导管b缓缓通入O2，可观察到的现象是 ________________________________________________________________________， 写出对应现象的化学反应方程式________________________________________________________________________、 ________________________________________________________________________； ②继续通入O2，打开K3并及时调整滴定管③液面与广口瓶①中液面相平，直至广口瓶①中刚好充满液体。 Ⅰ.当通入氧气的体积为V时，则广口瓶①中剩余的气体体积为________________________________________________________________________。 Ⅱ.当广口瓶①中刚好充满液体时，所得溶液的物质的量浓度为　　　　mol·L-1。 解析：NO遇到O2，生成红棕色的NO2，NO2遇水又生成无色的NO；化学方程式相加可得 4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 V(NO)＝V(O2)＝V L×＝ V L 剩余气体体积为V L 生成n(HNO3)＝n(NO)＝V L÷22.4 L·mol-1 c(HNO3)＝mol÷0.5 L＝ mol·L-1 答案：(2)①气体先变红棕色，然后逐渐变淡，直至无色 2NO＋O2===2NO2 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ②Ⅰ.V L　　Ⅱ. 14.氮氧化物进入大气后，不仅会形成硝酸型酸雨，还可能形成光化学烟雾，因此必须对含有氮氧化物的废气进行处理。 (1)用氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物，反应的化学方程式如下：NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O　①，2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O　②。在反应①中，氧化剂是　　　　，还原剂是　　　　；在反应②中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为　　　　。 (2)在一定条件下，氨气也可将氮氧化物转化为无污染的物质。写出氨气和二氧化氮在一定条件下反应的化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)在反应① ，NO2中氮元素的化合价降低，作氧化剂，NO中氮元素化合价升高，作还原剂；在反应②中，氧化剂和还原剂都是NO2，氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶1。 (2)根据质量守恒定律结合题目信息可知，氨气和二氧化氮反应后生成无污染的物质为氮气和水。 答案：(1)NO2　NO　1∶1 (2)8NH3＋6NO27N2＋12H2O 15.将10 mL充满NO2和O2的混合气体的试管，倒置在水槽中，反应停止后试管内剩余2 mL的无色气体，求原混合气体中NO2和O2各多少毫升？ 解析：剩余2 mL气体可能是NO或O2，分两种情况讨论： (1)剩余的是NO，可以看成先发生了反应：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，剩余的NO2又与水作用，最终有2 mL NO产生。由反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO得，剩余的NO2体积为2 mL×3＝6 mL。则原有O2体积为(10 mL－6 mL)×＝0.8 mL，NO2体积为10 mL－0.8 mL＝9.2 mL。 (2)剩余的是O2，则有10 mL－2 mL＝8 mL NO2和O2的混合气体按反应4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3进行。所以NO2的体积为8 mL×＝6.4 mL，O2体积为10 mL－6.4 mL＝3.6 mL。 答案：若剩余的气体是NO，则NO2和O2的体积分别为9.2 mL和0.8 mL；若剩余的气体是O2，则NO2和O2的体积分别为6.4 mL和3.6 mL。 学科网（北京）股份有限公司 $$