5.2.1 氮气与氮的固定-【化学优课PPT】2025-2026学年高中化学必修第二册同步PPT课件

第五章 化工生产中的非金属元素 氮气与氮的固定 一氧化氮和二氧化氮 第二节 氮及其化合物 第1课时 人教版 必修第二册 化学优课PPT 授课教师： 学习目标与核心素养 核心素养 1. 通过学习氮及氮的氧化物的知识培养学生论据推理与模型认知的化学核心素养; 2. 通过氮的氧化物溶于水的实验进一步训练学生的操作技能，培养学生科学探究与实验创新的化学核心素养. 学习目标 1. 了解氮元素的存在和结构，了解氮气的物理性质和化学性质; 3. 通过自然界中的氮循环，了解氮循环的基本过程，认识化学对社会和工农业生产的重要作用 2. 了解一氧化氮和二氧化氮的物理性质和化学性质; 新课导入 丰收的田野与 快乐的农民 美丽的闪电除了给我们带来的视觉和听觉上的冲击，还带来了什么？ 有句谚语“雷雨发庄稼”， 你明白其中的化学道理吗 ? 新课导入 新课导入 一整杯氮气啤酒里面，大约会产生 3000000 个氮气气泡，口感丝滑 氮气是惰性气体，化学性质很稳定，能更好的保存啤酒自身风味， 在超临界状态下，通过氮气物理发泡将颠覆性的弹力赋能于鞋中底，带来高回弹缓震功能，能量回归率达86.8%； 哇，这么大的魅力，到底怎么回事呢？ 新课导入 新课讲解 氮元素在元素周期表中的位置 第二周期、第VA族 氮元素在元素周期表中的位置 氮元素位于元素周期表的第二周期，VA族。 N +7 2 5 氮原子的最外层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。一般通过共用电子对与其他原子结合。 原子结构 氮的存在 氮是自然界各种生物体生命活动不可缺少的重要元素，自然界是怎样通过氮的循环为生物体提供氮元素的呢？ 思考 在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中 游离态 部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。 化合态 氮气及氮的固定 氮气 (1) 氮气的物理性质 颜色 状态 气味 密度 溶解性 _____ 气体 _____ 密度与空气接近 ___溶于水 无色 无味 难 氮气 熔点：-210 ℃ 沸点：-196 ℃ 密度：1.25 g/L 氮气及氮的固定 氮气 (2) 氮气的结构 氮分子内两个氮原子间以氮氮三键结合，断开该化学键需要较多的能量，所以氮气的化学性质很稳定，通常情况下很难与其他物质发生化学反应。因此无法被大多数生物体直接吸收。 电子式 N N 结构式 N N 球棍模型 氮气及氮的固定 氮气保护技术通常应用于珍贵文物的保存和保护,国内外不乏先例。美国的《独立宣言》就密封在氮气环境中;中国博物馆和中南海毛主席故居纪念馆也是应用氮气保护法;北京房山云居寺“99石经回藏”也是氮气保护的成功典范。 为什么氮气可以作为保护气? 氮气性质稳定,常温下不与物质发生反应,故可作保护气。 【思考与交流】 氮气及氮的固定 氮气 (2) 氮气的化学性质 在高温、放电等条件下，氮分子获得了足够的能量，使氮氮三键断裂，氮气能够与镁、氧气、氢气等物质发生化合反应。 ①金属镁： N2 + 3Mg Mg3N2 点燃 氧化性 N2 + O2 2NO 放电或高温 N2 + 3H2 2NH3 高温 高压 催化剂 ③氢气： ②氧气： 氧化性 还原性 氮气及氮的固定 氮的固定 (1) 含义: 将大气中_______的氮转化为___________的过程叫做氮的固定。 游离态 含氮化合物 自然固氮 高能固氮(如雷雨天气N2转化为NO) 生物固氮(如豆科植物的根瘤菌固氮) 人工固氮 合成氨(工业上合成氨) 仿生固氮(某些金属有机化合物可起到根瘤菌的作用) N2+O2 2NO； N2+ 3H2 2 NH3 高温、高压 催化剂 放电或高温 (2) 分类: 氮气及氮的固定 氮的固定 自 然 固 氮 大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为含氮的化合物，或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成氨，从而实现自然固氮。 氮气及氮的固定 1909年，德国化学家哈伯经过反复的实验研究后发现，在500~600℃、17.5~20.0MPa和锇为催化剂的条件下，反应后氨的含量可达到6%以上，具备了工业化生产的可能性。 哈伯 (F.Haber，1868-1934) 为了把哈伯合成氨的实验室方法转化为规模化的工业生产，德国工程师博施作出了重要贡献。由于合成氨工业生产的实现和相关研究对化学理论与技术发展的推动，哈伯和博施都获得了诺贝尔化学奖。 合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就。在很大程度上解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿问题，是化学和技术对社会发展与进步的巨大贡献。 人 工 固 氮 合 成 氨 氮的固定 氮气及氮的固定 氮的固定 人类则通过控制条件，将氮气氧化或还原为氮的化合物，实现人工固氮。最重要的人工固氮途径就是工业合成氨，它不仅为农作物的生长提供了必需的氮元素，而且为其他化工产品（如炸药、农药、染料等）的生产提供了重要的原料。 氮气及氮的固定 通过视频，了解氮在自然界中的循环 自然界中氮的循环 氮气及氮的固定 自然界中氮的循环 氮气及氮的固定 自然界中氮的循环 (1)氮在自然界中主要存在形式有哪些？ 提示　大部分以氮气的形式存在，少部分以化合物的形式(如硝酸盐、铵盐、蛋白质等)存在。 【思考与交流】 氮气及氮的固定 自然界中氮的循环 (2)人体里的蛋白质中的氮元素是从哪儿来的？ 提示　人体里蛋白质中的氮是从外界摄入的，特别是肉类、蛋类物质等。若溯本求源，则来自大气中的N2。 【思考与交流】 氮气及氮的固定 自然界中氮的循环 (3)自然界中有哪些固定氮的途径？ 提示　自然界中固氮主要有自然固氮和人工固氮，自然固氮有高能固氮(雷电作用)、生物固氮(豆科植物)。 【思考与交流】 氮气及氮的固定 自然界中氮的循环 (4)氮循环中含氮物质有多种形式的转化，有的对人类生产生活有益，有的则产生负面作用，请举例说明。 【思考与交流】 氮气及氮的固定 自然界中氮的循环 提示　①对人类有益的有：人工固氮如合成氨，不仅为农作物的生长提供了必需的氮元素，而且为其他化工产品的生产提供了重要的原料。 ②对人类有害的有：工业废气、汽车尾气中的氮氧化物会造成大气污染等；工厂废液、生活废水中的氮元素对水体造成污染。 【思考与交流】 一氧化氮与二氧化氮 闪电使空气中的氮气转化成了含氮的硝酸根离子,即植物生长需要的氮肥 所以能雷雨发庄稼 雷电发庄稼 一氧化氮与二氧化氮 雷电发庄稼 雷雨发庄稼，将N2转化为硝酸盐要经过几步转化，每一步转化分别是什么？ N2 NO NO2 HNO3 NH4NO3 NO和NO2具有哪些性质？ 【思考】 N2+O2 2NO 放电或高温 ========= 2NO+O2===2NO2 3NO2+H2O===2HNO3+NO HNO3+NH3===NH4NO3 一氧化氮与二氧化氮 雷电发庄稼 雷雨发庄稼，将N2转化为硝酸盐要经过几步转化，每一步转化分别是什么？ N2 NO NO2 HNO3 NH4NO3 NO和NO2具有哪些性质？ 【思考】 N2+O2 2NO 放电或高温 ========= 2NO+O2===2NO2 3NO2+H2O===2HNO3+NO HNO3+NH3===NH4NO3 一氧化氮与二氧化氮 (1) 物理性质 物质 颜色 状态 气味 毒性 水溶性 NO _____ 气体 _____ 有毒 ___溶于水 NO2 _______ 气体 ______ 有毒 ___溶于水 无色 无味 不 红棕色 刺激性 易 一氧化氮与二氧化氮 (2) 化学性质 【实验5-5】 一氧化氮与二氧化氮 实验 装置 实验 操作 现象 ___________ _________________, 振荡后________________ 结论 无明显现象 无色气体变红棕色 红棕色变为无色 在一支50 mL的注射器里充入20mL NO，然后吸入5mL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，观察现象，然后再振荡注射器 (2) 化学性质 NO难溶于水 在一定条件下， NO和NO2可以相互转化。 一氧化氮与二氧化氮 (2) 化学性质 实验现象分析 2NO + O2 = 2NO2 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO (工业制取硝酸) 结论：在一定条件下，NO 与 NO2 可以相互转化。 现象一：无色气体变红棕色 NO → NO2 现象二：红棕色变为无色 NO2 → NO 一氧化氮与二氧化氮 【思考与讨论】如果将注射器中的NO充分转化，可以采取什么措施？ (2) 化学性质 + O2 + H2O 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 2NO + O2 = 2NO2 2NO + O2 = 2NO2 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 可以用注射器不断吸入空气，然后使注射器里的气体充分与水反应 上述实验对工业生产硝酸有什么启示？ 一氧化氮与二氧化氮 (1) 原理 硝酸工业常在吸收反应进行过程中，补充一些空气，使生成的NO被氧化成NO2，NO2溶于水又生成HNO3和NO，经过多次氧化和吸收，NO可以完全转化为HNO3,减少环境污染。 工业生产硝酸的启示 (2) 化学性质 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 2NO + O2 = 2NO2 一氧化氮与二氧化氮 （1）NO与O2同时通入水中 2NO+O2===2NO2 ① 3NO2+H2O===2HNO3+NO ② ①×3+②×2 总的化学方程式为 4NO+3O2+2H2O===4HNO3 工业生产硝酸的启示 V(NO):V(O2) <4:3 剩余O2 =4:3 恰好完全反应 >4:3 剩余NO (2) 化学性质 一氧化氮与二氧化氮 （2）NO2和O2混合气体溶于水的计算 3NO2+H2O===2HNO3+NO ① 2NO+O2===2NO2 ② ①×2+② 总的化学方程式为 4NO2+O2+2H2O===4HNO3 工业生成硝酸的启示 V(NO2):V(O2) <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 (2) 化学性质 一氧化氮与二氧化氮 ①碱液吸收法 2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O NO2、NO的混合气体能被足量烧碱溶液完全吸收的条件是n(NO2)≥n(NO)。一般适合工业尾气中NOx处理。 ②催化转化法 在催化剂、加热条件下，氨可将氮氧化物转化为无毒气体(N2)或NOx与CO在一定温度下催化转化为无毒气体(N2和CO2)。一般适用于汽车尾气的处理。 常见的NOx尾气处理方法有哪些？ 【思考与交流】 课堂练习 课堂练习 1.[河南周口2025高一月考]下列关于氮气的性质的说法中，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. 在水中溶解度小（通常情况下） D. 跟氢气在一定条件下发生反应，氮气是氧化剂 题型1 氮气的性质与氮的固定 1.[河南周口2025高一月考]下列关于氮气的性质的说法中，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. 在水中溶解度小（通常情况下） D. 跟氢气在一定条件下发生反应，氮气是氧化剂 B 课堂练习 题型1 氮气的性质与氮的固定 2.[湖北咸宁2024高一月考]下列关于N₂的叙述正确的是 （ ） A. N₂在空气中约占空气总质量的  B. 将氮气转化为NO属于氮的固定 C. 氮气是一种无色无味的有毒气体 D. 在化学反应中，氮气既可作还原剂又可作氧化剂 2.[湖北咸宁2024高一月考]下列关于N₂的叙述正确的是 （ ） A. N₂在空气中约占空气总质量的  B. 将氮气转化为NO属于氮的固定 C. 氮气是一种无色无味的有毒气体 D. 在化学反应中，氮气既可作还原剂又可作氧化剂 C 课堂练习 题型1 氮气的性质与氮的固定 3.下列关于自然界中氮循环的说法错误的是 （ ） A. 氮肥的有效成分均为铵盐 B. 雷电作用下的固氮过程中氮元素被氧化 C. 人工固氮主要是通过控制条件将氮气转化为含氮化合物 D. 动物排泄物中的含氮化合物被细菌分解进入大气 3.下列关于自然界中氮循环的说法错误的是 （ ） A. 氮肥的有效成分均为铵盐 B. 雷电作用下的固氮过程中氮元素被氧化 C. 人工固氮主要是通过控制条件将氮气转化为含氮化合物 D. 动物排泄物中的含氮化合物被细菌分解进入大气 A 课堂练习 [江西吉安2025高一月考]下列关于NO的说法中正确的是 （ ） A. NO是无色气体，易溶于水，是酸性氧化物 B. NO在空气中可以转化为NO₂，二者都是大气污染物 C. NO在人体内能扩张血管，提高免疫力等，因此大气中的NO对人体无害 D. NO只能通过人工合成 题型2 一氧化氮与二氧化氮的性质 [江西吉安2025高一月考]下列关于NO的说法中正确的是 （ ） A. NO是无色气体，易溶于水，是酸性氧化物 B. NO在空气中可以转化为NO₂，二者都是大气污染物 C. NO在人体内能扩张血管，提高免疫力等，因此大气中的NO对人体无害 D. NO只能通过人工合成 B 课堂练习 5.[江苏扬州中学2025高一月考]下列关于氮氧化物的形成、吸收的说法正确的是 （ ） A. 汽车尾气中含氮氧化物，主要来源于汽油的不完全燃烧 B. 用石灰乳吸收NO和NO₂，加快气体流速可提高氮氧化物的吸收率 C. 收集NO₂气体时采用排水法，可提高NO₂气体的纯度 D. 用CO(NH₂)₂可将NO₂转化为N₂，利用了CO(NH₂)₂的还原性 题型2 一氧化氮与二氧化氮的性质 5.[江苏扬州中学2025高一月考]下列关于氮氧化物的形成、吸收的说法正确的是 （ ） A. 汽车尾气中含氮氧化物，主要来源于汽油的不完全燃烧 B. 用石灰乳吸收NO和NO₂，加快气体流速可提高氮氧化物的吸收率 C. 收集NO₂气体时采用排水法，可提高NO₂气体的纯度 D. 用CO(NH₂)₂可将NO₂转化为N₂，利用了CO(NH₂)₂的还原性 D 课堂练习 6.一种基于钯修饰二氧化钛的串联光热催化氮气氧化制备硝酸的反应体系，实现了高选择性制备单一氧化产物硝酸的过程（如图所示）。下列有关说法不正确的是 （ ） A.N₂与O₂在放电或高温的条件下能直接生成NO₂ B. 该过程实现了太阳能向化学能的转化 C. Pd/H-TiO₂起到提高反应速率的作用 D. 生成HNO₃的反应中，NO₂既作氧化剂，也作 还原剂 题型2 一氧化氮与二氧化氮的性质 6.一种基于钯修饰二氧化钛的串联光热催化氮气氧化制备硝酸的反应体系，实现了高选择性制备单一氧化产物硝酸的过程（如图所示）。下列有关说法不正确的是 （ ） A.N₂与O₂在放电或高温的条件下能直接生成NO₂ B. 该过程实现了太阳能向化学能的转化 C. Pd/H-TiO₂起到提高反应速率的作用 D. 生成HNO₃的反应中，NO₂既作氧化剂，也作 还原剂 A 课堂练习 [湖南岳阳2024高一月考]无色的混合气体甲中可能含NO、CO₂、NO₂、N₂中的几种，将一定量的混合气体甲经过图中实验的处理，最后得到酸性溶液，且几乎无气体剩余，则气体甲的组成为 （ ） A. NO₂、N₂ B. NO、CO₂ C. NO₂、CO₂ D. NO、CO₂、N₂ 题型3 NOₓ溶于水的情况分析 [湖南岳阳2024高一月考]无色的混合气体甲中可能含NO、CO₂、NO₂、N₂中的几种，将一定量的混合气体甲经过图中实验的处理，最后得到酸性溶液，且几乎无气体剩余，则气体甲的组成为 （ ） A. NO₂、N₂ B. NO、CO₂ C. NO₂、CO₂ D. NO、CO₂、N₂ B 8.[广东深圳2025高一期中]常温常压下，将盛有25 mL NO₂和O₂混合气体的量筒倒置于盛满水的木槽中，一段时间后，气体体积减小到5 mL且不再变化，则原混合气体中NO₂和O₂的体积比可能为 （ ） A. 1:1 B. 18:7 C. 9:16 D. 23:2 题型3 NOₓ溶于水的情况分析 课堂练习 8.[广东深圳2025高一期中]常温常压下，将盛有25 mL NO₂和O₂混合气体的量筒倒置于盛满水的木槽中，一段时间后，气体体积减小到5 mL且不再变化，则原混合气体中NO₂和O₂的体积比可能为 （ ） A. 1:1 B. 18:7 C. 9:16 D. 23:2 D 课堂练习 9.[云南部分学校2025高一期中联考] 在半导体光催化的作用下，N₂被光催化材料捕获进而被还原，实现N₂→NH₃的转化示意图如图。下列说法正确的是 （　 　） A. 该过程不属于氮的固定 B. 该反应的化学方程式为 N₂ + 3H₂ 2NH₃ C. 该反应过程中存在非极性键的断裂和形成 D. 反应中每转移0.6 mol e⁻，同时生成4.48 L NH₃ 9.[云南部分学校2025高一期中联考] 在半导体光催化的作用下，N₂被光催化材料捕获进而被还原，实现N₂→NH₃的转化示意图如图。下列说法正确的是 （　 　） A. 该过程不属于氮的固定 B. 该反应的化学方程式为 N₂ + 3H₂ 2NH₃ C. 该反应过程中存在非极性键的断裂和形成 D. 反应中每转移0.6 mol e⁻，同时生成4.48 L NH₃ C 课堂练习 10.Ⅰ．为了有效实现 NO 和 NO₂ 的相互转化，设计如图甲所示实验。按图甲组装好实验装置（夹持装置已省略），并检查装置气密性，实验前用排水法收集大约半烧瓶的 NO 气体。 （1）打开弹簧夹 a，推动注射器活塞，使氧气进入圆底烧瓶，观察到的现象是______________________，产生此现象的原因是________________（用化学方程式表示）。 气体由无色变为红棕色 2NO+O₂═══2NO₂ 课堂练习 （2）关上弹簧夹 a，轻轻摇动圆底烧瓶，观察到的现象为____________________________、 ，产生此现象的原因是 （用化学方程式表示）。 （3）烧杯中盛放的是酸性高锰酸钾溶液，能吸收尾气，已知 NO 能与 MnO₄⁻ 在酸性条件下反应生成 NO₃⁻ 和 Mn²⁺，写出该反应的离子方程式：_______________________________。 Ⅱ．氮循环是近年来科学研究的一个热点，含氮物质有如图乙所示转化关系： （4）转化⑤中，氧化剂与还原剂的物质 的量之比为_______。 （5）转化②是工业生成硝酸的关键步骤， 写出该转化的化学方程式：_______________________________。 　烧杯中导气管中液面上升 烧瓶中红棕色气体又变为无色 3NO₂+H₂O═══2HNO₃+NO 5NO+3MnO₄⁻+4H⁺═══5NO₃⁻+3Mn²⁺+2H₂O 1:2 4NH₃+5O₂ 4NO+6H₂O 谢 谢 化学优课PPT Lavf58.28.100 EV录屏3.9.3软件录制 Lavf56.38.102 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn $