内容正文:
高一化学学案
专题7 氮与社会可持续发展
第一单元 氮的固定
课标定向
1.能依据氮分子的微观结构预测氮气的化学性质,认识理解氮的固定的化学原理。(宏观辨识与微观探析)
2.通过认识人工固氮的社会价值,体会化学科学在解决人类社会面临的粮食危机中所发挥的重要作用。(科学态度与社会责任)
自主预习
一、氮分子的结构和氮气的性质
1.氮元素的存在
既有________态,也有________态,大部分氮元素以________态的氮气分子形式存在于空气中。
2.氮分子的结构
氮气分子是由两个氮原子通过共用________电子结合而成。氮气分子的电子式为________,结构式为________。
3.氮气的化学性质
破坏 需要很大的能量,所以氮气分子很稳定。但在 等特殊条件下,也能与一些金属或非金属单质发生反应,生成含氮化合物。
(1)在放电或高温条件下,氮气可与氧气化合,化学方程式为________________________。
(2)镁能在氮气中燃烧,化学方程式为________________________。
(3)氮气能与氢气反应,化学方程式为________________________________。该反应是工业合成氨的反应原理。
二、氮的固定
1.氮的固定的定义及分类
将空气中________态的氮转化成_____________叫做氮的固定。氮的固定主要有________和________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________)将氮气通过________过程转化为_____________。
豆科植物的________能将空气中的游离态氮转化为化合物形态的________(或____________)。
(2)高能固氮:通过________、__________等途径产生含氮化合物。
(3)“雷雨发庄稼”涉及的反应过程:
N2NONO2HNO3硝酸盐
化学方程式为:
________________________、________________________、______________________________
雨水中的硝酸渗入土壤后与矿物质作用生成 ,其中的 离子被植物的根系吸收,转化为植物生长所需的养料。
3.人工固氮——合成氨
(1)在高温、高压和催化剂条件下,以氮气和氢气为原料合成氨,其热化学方程式为
(2)工业操作流程:合成氨的原料是________________,在较高温度下将混合气体加压后送到 中进行反应。该反应放出大量的________,工业上用来预热________,以达到反应所需的温度,节约能源。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________循环使用。
(3)合成氨的意义
为植物生长提供足够的氮肥,有效帮助解决粮食短缺问题。
4.自然界的氮循环
为了促进氮的良性循环,要注意维护__________,保护森林、植树绿化、________生态系统对有害物质的吸收能力,不能过度使用含氮化肥以免污染土壤和水体;控制化石燃料燃烧排放的_____________入大气。
三、氮的氧化物
1.一氧化氮
一氧化氮是一种________色、无味、有毒的气体,微溶于水。NO易被空气氧化,化学方程式为________________________,实验室收集NO时,应该用______法。
2.二氧化氮
二氧化氮是一种________色,有刺激性气味的________气体,能与水反应。NO2与水反应的化学方程式为________________________________________,实验室收集NO2时,应该用________法。
3.氮氧化物的应用
大气中的NO和NO2达到一定浓度时会对人体造成伤害,能引发________________。人体中极少量的NO有助于促进血关扩张,防止___________。二氧化氮在火箭燃料中用作________,在工业上可用来制造________。
预习效果检测
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(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均用排水法收集。 (×)
2.最新的病毒学研究证实,一氧化氮对SARS病毒有直接抑制作用。下列关于一氧化氮的叙述正确的是( )
A.一氧化氮是一种红棕色气体
B.常温常压下,一氧化氮不能与空气中的氧气直接化合
C.一氧化氮可由氮气和氧气在放电条件下直接化合得到
D.一氧化氮易溶于水,不能用排水法收集
C [NO是一种无色微溶于水的气体,可以用排水法收集;常温常压下,NO容易与氧气直接化合生成NO2。]
课堂探究
任务一 探究氮气的性质与作用
(素养养成——宏观辨识与微观探析)
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。
[思考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,可以减慢粮食瓜果被氧气氧化变质。
[思考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。
[思考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。
练习一
1.下列关于氮气的说法中错误的是( )
A.通常情况下N2性质很稳定,所以N2可以在电焊时作保护气
B.N2+O22NO,该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一
C.N2在空气中约占的质量比为
D.在反应3Mg+N2Mg3N2中,N2作氧化剂
C [N2很稳定,常用作保护气;但在高温下N2与O2产生的NO易被氧化为NO2,故汽车尾气会造成环境污染;N2在空气中的体积含量约为4/5;N2与金属、H2反应时作氧化剂。]
2.下列关于氮气性质的说法中正确的是 ( )
A.点燃条件下,N2在氧气中燃烧生成NO
B.点燃时,N2与金属Mg反应生成Mg3N2,N2作还原剂
C.合成氨反应中,N2发生氧化反应
D.氮气的化学性质稳定,其原因是两个氮原子之间以共价三键结合
3.下列有关氮气的说法错误的是 (填字母)。
a.氮气在通常情况下不燃烧,也不支持燃烧,不能供给呼吸
b.液氮可用于医学和高科技领域,制造低温环境
c.利用氮气的稳定性,工业上用其替代稀有气体作焊接金属的保护气
d.在高温高压、催化剂条件下与氢气反应时,氮气作还原剂
e.金属镁在空气(忽略空气中二氧化碳)中燃烧,产物只有氧化镁
2.D [N2是一种无色、无味的气体,A正确;N2可与H2反应生成氨气,NH3可用作生产氮肥和硝酸,B正确;N2与浓硫酸和碱石灰都不反应,可用它们干燥,C正确;N2的密度比空气略小,不能用排空气法收集,D错误。]
3de
解析 氮气的化学性质很稳定,在通常情况下不燃烧,也不支持燃烧,不能供给呼吸,a项正确;液氮汽化吸热,可用于制造低温环境,b项正确;氮气的化学性质很稳定,可用作焊接金属的保护气,c项正确;氮气与氢气生成氨气的反应中,N的化合价从0价降低到-3价,作氧化剂,d项错误;Mg在点燃条件下可以和O2、N2发生反应,产物为MgO和Mg3N2,e项错误。
任务二 合成氨工业
[思考4]:合成氨时,增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好?为什么?
提示:不是。压强越大需要的动力越大,对设备的制造要求越高。
[思考5]:合成氨反应中,为了提高原料转化率,通常如何处理反应后的尾气?
提示:将未能转化的N2 、H2 再通入合成塔中循环使用。
[思考6]合成氨达到平衡时,混合气体中氨的含量为20%左右,分离出氨气后,还平衡吗?如何影响平衡?
提示:有影响,将不再平衡
任务三 氮的氧化物及氮的氧化物性质的探究
1.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。
[思考7] 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2/3。
2.写出化学式或化合价
氧化物
NO
N2O3
N2O4
N2O5
对应氮的化合价
+1
+2
+4
+5
[思考8]CO2是酸性氧化物与H2O反应生成H2CO3,同理类比,NO2与H2O反应生成HNO3,NO2是酸性氧化物?为什么?上述表格中有几种酸性氧化物?
[思考9]NO、NO2均为有毒气体,如何进行尾气处理?
①碱液吸收法:有关反应方程式为:
NO2 + NaOH === (氮元素的歧化反应)
NO + NO2 + NaOH === (氮元素的归中反应)
②催化转化法,氮氧化物与一氧化碳在催化剂的作用下转化为无毒物质有关方程式为
NO2+CO===
NO+CO ===
练习二
1.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 NO2 是酸性氧化物
D.NO 和 NO2 均有毒性,都属于大气污染物
D [NO、NO2等不是酸性氧化物,A错;最高价氧化物N2O5中氮元素显+5价,处于氮元素的最高价态,只有氧化性,B错;尽管NO2与H2O反应生成HNO3,但N的价态发生了变化,故NO2不是酸性氧化物,C错;一氧化氮和二氧化氮都有毒,易引起环境污染,D对。]
2.目前,汽车尾气已成为许多大城市空气的主要污染源之一。汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物。
(1)汽车燃料中一般不含氮,尾气中所含的NO产生的原因是_____________,
化学方程式为_______________________。
(2)治理汽车尾气中NO和CO的一种方法是在汽车的排气管上装上一个催化转化装置,使NO和CO反应,生成CO2和N2,反应的化学方程式为__________。
(3)下列措施中,能有效减少或控制汽车尾气污染且可行的是__________(填标号)。
①制定严格的尾气排放标准,并严格执行。②开发清洁能源,如氢能汽车、太阳能汽车等。
③市民出行戴防毒面具。 ④市民大量移居城市郊区。
解析:(1)空气中的N2和O2在电火花作用下或内燃机燃烧产生的高温条件下反应生成NO,其化学方程式为N2+O22NO。
(2)NO和CO反应生成CO2和N2,其化学方程式为2NO+2CO2CO2+N2。
(3)①有利于减少污染;②有利于减少污染;③不现实,是污染后再防护的做法,不可取;④不现实,大量移居成本较高,不可取。
答案:(1)空气中的N2和O2在电火花作用下或内燃机燃烧产生的高温条件下反应产生NO N2+O22NO
(2)2NO+2CON2+2CO2
(3)①②
课堂检测
1.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 NO2 是酸性氧化物
D.NO 和 NO2 均有毒性,都属于大气污染物
D [NO、NO2等不是酸性氧化物,A错;最高价氧化物N2O5中氮元素显+5价,处于氮元素的最高价态,只有氧化性,B错;尽管NO2与H2O反应生成HNO3,但N的价态发生了变化,故NO2不是酸性氧化物,C错;一氧化氮和二氧化氮都有毒,易引起环境污染,D对。]
2.(2024·福建三明一中高一月考)下列不属于氮的固定过程的是 ( )
A.工业合成氨 B.雷雨天气中,N2与 O2在闪电作用下转化为 NO
C.硝酸见光分解 D.豆科植物根瘤菌吸收氮
2.C [工业合成氨是氮气和氢气在适宜条件下合成氨,氮由游离态转化为化合态,属于氮的固定,A正确;雷雨天气时,氮气和氧气合成NO,氮由游离态转化为化合态,属于氮的固定,B正确;硝酸见光分解属于不同化合态的氮之间的转化,C错误;根瘤菌把氮气转化为氨,氮由游离态转化为化合态,属于氮的固定,D正确。]
3.(2024·安徽合肥高一期中)植物对氮元素的吸收过程如下,下列说法正确的是 ( )
N2NH3/N植物吸收
A.高温有利于加快过程① B.浇水和松土有利于过程②
C.过程③中N被还原 D.过程④叫做氮的固定
3.B [过程①有根瘤菌参与催化,不能高温下进行,A错误;过程②是NH3/N2,浇水和松土有利于过程②的反应,B正确;过程③中N,N的化合价由+3价升高到+5价,N作还原剂被氧化,C错误;氮的固定是将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程,过程④是氮的化合物中氮的转变,D错误。]
4.实验室以空气和镁为原料制备 Mg3N2 的装置如图所示(夹持和加热装置略去):
下列说法正确的是( )
A.装置 A、B 中可依次加入浓硫酸、NaOH溶液
B.若去掉装置 C,对产品纯度无影响
C.实验时应先加热 C,通入一段时间空气后再加热D
D.装置E中碱石灰的作用是吸收尾气
C [要制备氮化镁,需要除去空气中的氧气、CO2和水蒸气,则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸, A错误;若去掉装置C,镁与氧气反应生成氧化镁,对产品纯度有影响,B错误;实验时应先加热C,通入一段时间空气除去氧气,然后再加热D,C正确;装置E中碱石灰的作用是吸收空气中的水蒸气和二氧化碳,D错误。]
5.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)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)在一定条件下氨气亦可用来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:______________________________________________________________。
[答案] (1)NO2 NO 1∶1 (2)8NH3+6NO27N2+12H2O
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专题7 氮与社会可持续发展
第一单元 氮的固定
课标定向
1.能依据氮分子的微观结构预测氮气的化学性质,认识理解氮的固定的化学原理。(宏观辨识与微观探析)
2.通过认识人工固氮的社会价值,体会化学科学在解决人类社会面临的粮食危机中所发挥的重要作用。(科学态度与社会责任)
自主预习
一、氮分子的结构和氮气的性质
1.氮元素的存在
既有________态,也有________态,大部分氮元素以________态的氮气分子形式存在于空气中。
2.氮分子的结构
氮气分子是由两个氮原子通过共用________电子结合而成。氮气分子的电子式为________,结构式为________。
3.氮气的化学性质
破坏 需要很大的能量,所以氮气分子很稳定。但在 等特殊条件下,也能与一些金属或非金属单质发生反应,生成含氮化合物。
(1)在放电或高温条件下,氮气可与氧气化合,化学方程式为________________________。
(2)镁能在氮气中燃烧,化学方程式为________________________。
(3)氮气能与氢气反应,化学方程式为________________________________。该反应是工业合成氨的反应原理。
二、氮的固定
1.氮的固定的定义及分类
将空气中________态的氮转化成_____________叫做氮的固定。氮的固定主要有________和________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________)将氮气通过________过程转化为_____________。
豆科植物的________能将空气中的游离态氮转化为化合物形态的________(或____________)。
(2)高能固氮:通过________、__________等途径产生含氮化合物。
(3)“雷雨发庄稼”涉及的反应过程:N2NONO2HNO3硝酸盐
化学方程式为:_____________________、________________________、_________________________
雨水中的硝酸渗入土壤后与矿物质作用生成 ,其中的 离子被植物的根系吸收,转化为植物生长所需的养料。
3.人工固氮——合成氨
(1)在高温、高压和催化剂条件下,以氮气和氢气为原料合成氨,其热化学方程式为
(2)工业操作流程:合成氨的原料是________________,在较高温度下将混合气体加压后送到 中进行反应。该反应放出大量的________,工业上用来预热________,以达到反应所需的温度,节约能源。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________循环使用。
(3)合成氨的意义:
4.自然界的氮循环
为了促进氮的良性循环,要注意维护__________,保护森林、植树绿化、________生态系统对有害物质的吸收能力,不能过度使用含氮化肥以免污染土壤和水体;控制化石燃料燃烧排放的_____________入大气。
三、氮的氧化物
1.一氧化氮
一氧化氮是一种________色、无味、有毒的气体,微溶于水。NO易被空气氧化,化学方程式为________________________,实验室收集NO时,应该用______法。
2.二氧化氮
二氧化氮是一种________色,有刺激性气味的________气体,能与水反应。NO2与水反应的化学方程式为________________________________________,实验室收集NO2时,应该用________法。
3.氮氧化物的应用
大气中的NO和NO2达到一定浓度时会对人体造成伤害,能引发________________。人体中极少量的NO有助于促进血关扩张,防止___________。二氧化氮在火箭燃料中用作________,在工业上可用来制造________。
预习效果检测
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(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均用排水法收集。 ( )
2.最新的病毒学研究证实,一氧化氮对SARS病毒有直接抑制作用。下列关于一氧化氮的叙述正确的是( )
A.一氧化氮是一种红棕色气体
B.常温常压下,一氧化氮不能与空气中的氧气直接化合
C.一氧化氮可由氮气和氧气在放电条件下直接化合得到
D.一氧化氮易溶于水,不能用排水法收集
课堂探究
任务一 探究氮气的性质与作用
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。
【思考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?
【思考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。
【思考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。
练习一
1.下列关于氮气的说法中错误的是( )
A.通常情况下N2性质很稳定,所以N2可以在电焊时作保护气
B.N2+O22NO,该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一
C.N2在空气中约占的质量比为 D.在反应3Mg+N2Mg3N2中,N2作氧化剂
2.下列关于氮气性质的说法中正确的是 ( )
A.点燃条件下,N2在氧气中燃烧生成NO B.点燃时,N2与金属Mg反应生成Mg3N2,N2作还原剂
C.合成氨反应中,N2发生氧化反应
D.氮气的化学性质稳定,其原因是两个氮原子之间以共价三键结合
3.下列有关氮气的说法错误的是 (填字母)。
a.氮气在通常情况下不燃烧,也不支持燃烧,不能供给呼吸
b.液氮可用于医学和高科技领域,制造低温环境
c.利用氮气的稳定性,工业上用其替代稀有气体作焊接金属的保护气
d.在高温高压、催化剂条件下与氢气反应时,氮气作还原剂
e.金属镁在空气(忽略空气中二氧化碳)中燃烧,产物只有氧化镁
任务二 合成氨工业
【思考4】:合成氨时,增大压强既可提高反应速率,又可提高氨的产量,那么在合成氨工业中压强是否越大越好?为什么?
【思考5】:合成氨反应中,为了提高原料转化率,通常如何处理反应后的尾气?
【思考6】合成氨达到平衡时,混合气体中氨的含量为20%左右,分离出氨气后,还平衡吗?如何影响平衡?
任务三 氮的氧化物及氮的氧化物性质的探究
1.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。
【思考7】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。
2.写出化学式或化合价
氧化物
NO
N2O3
N2O4
N2O5
对应氮的化合价
+1
+2
+4
+5
【思考8】CO2是酸性氧化物与H2O反应生成H2CO3,同理类比,NO2与H2O反应生成HNO3,NO2是酸性氧化物?为什么?上述表格中有几种酸性氧化物?
【思考9】NO、NO2均为有毒气体,如何进行尾气处理?
①碱液吸收法:有关反应方程式为:
NO2 + NaOH === (氮元素的歧化反应)
NO + NO2 + NaOH === (氮元素的归中反应)
②催化转化法,氮氧化物与一氧化碳在催化剂的作用下转化为无毒物质有关方程式为
NO2+CO=== NO+CO ===
练习二
1.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 NO2 是酸性氧化物
D.NO 和 NO2 均有毒性,都属于大气污染物
2.目前,汽车尾气已成为大城市空气的主要污染源之一。汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物。
(1)汽车燃料中一般不含氮,尾气中所含的NO产生的原因是_____________,
化学方程式为_______________________。
(2)治理汽车尾气中NO和CO的一种方法是在汽车的排气管上装上一个催化转化装置,使NO和CO反应,生成CO2和N2,反应的化学方程式为__________。
(3)下列措施中,能有效减少或控制汽车尾气污染且可行的是__________(填标号)。
①制定严格的尾气排放标准,并严格执行。 ②开发清洁能源,如氢能汽车、太阳能汽车等。
③市民出行戴防毒面具。 ④市民大量移居城市郊区。
课堂检测
1.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 NO2 是酸性氧化物
D.NO 和 NO2 均有毒性,都属于大气污染物
2.下列不属于氮的固定过程的是 ( )
A.工业合成氨 B.雷雨天气中,N2与 O2在闪电作用下转化为 NO
C.硝酸见光分解 D.豆科植物根瘤菌吸收氮
3.植物对氮元素的吸收过程如下,下列说法正确的是 ( )
N2NH3/N植物吸收
A.高温有利于加快过程① B.浇水和松土有利于过程②
C.过程③中N被还原 D.过程④叫做氮的固定
4.实验室以空气和镁为原料制备 Mg3N2 的装置如图所示(夹持和加热装置略去):
下列说法正确的是( )
A.装置 A、B 中可依次加入浓硫酸、NaOH溶液 B.若去掉装置 C,对产品纯度无影响
C.实验时应先加热 C,通入一段时间空气后再加热D D.装置E中碱石灰的作用是吸收尾气
5.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)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)在一定条件下氨气亦可用来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:______________________________________________________________。
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