5.2.1 氮气和氮的氧化物 课件-2025-2026学年高一下学期化学人教版必修第二册

第五章 化工生产中重要的非金属元素 第二节 氮及其化合物 课时1 氮气和氮的固定 01 氮气与氮的固定 情景导学 在新疆与青海交界处有一山谷，人称“魔鬼谷”。经常电闪雷鸣，狂风暴雨，把人畜击毙。然而谷内却是牧草茂盛，四季常青。谚语“雷雨发庄稼”的科学道理是什么呢？ 大气中N2 NH3 尿素及动植物遗体 土壤中的微生物 氮素化肥 1.游离态 主要以N2分子的形式存在于空气中，占空气78%。 2.化合态 存在于动植物体内的蛋白质中，土壤、海洋硝酸盐和铵盐中。 一.氮在自然界中的存在形式 氮气在低温加压时可以液化形成液氮，液氮汽化会吸热使温度降低，因此液氮可用作制冷剂。 冷冻治疗 液氮食品 二.氮气的物理性质 状态 颜色 气味 熔点 沸点 密度 溶解性 气体 无色 无味 -210 ℃ -196 ℃ 密度与空气接近 难溶于水 收集氮气时用排水法不用排空气法 液氮 氮元素的位置和结构 原子结构示意图 电子式 结构式 球棍模型 +7 2 5 N N 一般通过共有电子对与其他原子结合 氮(N) 位 第二周期第VA族 构 原子核外有两个电子层， 最外层有五个电子 性 既不容易得到电子， 也不容易失去电子 N2 + O2 2NO 放电或高温 N2 + 3H2 2NH3 高温 高压 催化剂 N2 + 3Mg Mg3N2 点燃 N2表现氧化性 N2表现氧化性 N2表现还原性 【思考】汽车的燃料中一般不含氮元素，尾气中所含的NO是如何产生的？ 空气中的N2和O2在汽车汽缸内的高温环境下反应生成的 三.氮气的化学性质 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，因此氮气的化学性质很稳定，通常难以与其它物质反应。 但高温、高压、催化剂或者放电等条件下，可以和某些物质发生反应。 Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2↓ + 2NH3↑ N2＋6Li ==2Li 3N （锂是唯一能在常温常压下和氮反应的金属） 7 1.液氮可用作制冷剂 降温手术刀 ——冷刀做手术 焊接保护气 食品保护气 2. 氮气化学性质不活泼，可作保护气体 充氮灯泡 一整杯氮气啤酒里面，大约会产生 3000000 个氮气气泡，口感丝滑，能更好的保存啤酒自身风味。 2017年，展文莲因肺癌被宣布临床死亡，后被转移至 -196℃的液氮罐中冷冻保存，是我国本土首例冷冻人。 四.氮气的用途 农谚有云：“种豆子不上肥，连种几年地更肥” 空气中氮元素丰富，但大多数的植物不能直接利用，豆科植物与根瘤菌共生可以将氮气转化成植物需要的氮素营养，同时固定的氮素也会释放到土壤中，从而被其他植物利用。 那么，自然界是怎样通过氮的循环为生物体提供氮元素的呢？ 9 将大气中游离态的氮单质（N2）转化为氮的化合物的过程 生物固氮(如豆科植物的根瘤菌固氮) 高能固氮(如雷雨天气N2转化为NO) 合成氨(工业上合成氨) 仿生固氮(仿生材料可起到根瘤菌的作用) 分类 自然固氮 人工固氮 “种豆子不上肥，连种几年地更肥” “雷雨发庄稼” 五.氮的固定 【拓展提升】 化学仿生学是一门横跨化学与分子生物学领域的交叉科学，模拟生物体内的化学反应过程、模拟生物体内的物质输送过程，及模拟生物体内的能量转换等是其主要研究内容。 化学仿生学 近年来，基于理论计算研究推测，活泼的氮化物中间体的生成与氢化还原放氨，可能是通过多个铁中心的协同作用而得以实现的，但是迄今为止仍然缺乏可靠的实验证据。 物质类别 化合价 氢化物 单质 氧化物 酸 盐 -3 0 +2 +5 +4 N2 HNO3 NO NO2 NH3 N2 + O2 2NO 放电或高温 ======== 2NO+O2 2NO2 3NO2+H2O 2HNO3+NO 自然固氮 人工固氮 硝酸盐 归纳小结 氮气的化学性质稳定，其向化合物转化所需的条件比较苛刻 02 一氧化氮和二氧化氮 氮的氧化物 N2O NO N2O3 NO2 N2O4 N2O5 氮元素化合价 ＋1 ＋2 ＋3 ＋4 ＋4 ＋5 1. N2O俗称笑气，具有麻醉作用 2. N2O3、N2O5是酸性氧化物(酸酐)，NO为不成盐氧化物 3. NO2与N2O4可相互转化：2NO2（红棕色）⇌ N2O4（无色） 氮的氧化物种类——它们都有毒，是大气污染物 氮的氧化物 酸酐是含氧酸失去水后的氧化物 N2O3+H2O===2HNO2(亚硝酸) N2O5+H2O===2HNO3(硝酸) 酸性氧化物一定是酸酐，酸酐不一定是酸性氧化物 1.物理性质：无色、无味的有毒气体，密度比空气略大，不溶于水 2.化学性质：具有还原性，易被氧化为二氧化氮； 不与酸、碱反应 3. 危害：(1)NO吸入后能与血红蛋白结合，使血红蛋白失去携带O2的能力， 导致中毒 ，高浓度NO能引起中枢神经系统损害； (2)NO会形成酸雨、光化学烟雾，污染环境。 但是。。。。。。 只能用排水法收集 2NO + O2 == 2NO2 一. 一氧化氮NO 检验NO:遇O2无色气体NO变为红棕色NO2 1998年诺贝尔奖获得者伊格纳罗发现少量的NO在生物体内许多组织中存在，它有扩张血管、免疫、增强记忆等功能，成为当前生命科学的研究热点，NO亦称为“明星分子”。 最新研究表明：NO吸收治疗方法可快速改善SARS重症患者的缺氧状况，缓解病情。病毒学研究同时证实，NO对SASR病毒有直接的抑制作用。 【资料卡片】 1. 物理性质：红棕色、有刺激性气味的有毒气体，密度比空气大， 易液化，易溶于水。 2. 化学性质：与水反应生成硝酸和一氧化氮； 具有强氧化性，与CO、NH3反应 只能用向上排空气法收集 3. 危害：NO2是剧毒气体，对呼吸器官有强烈刺激作用； 高浓度NO2能引起中枢神经系统损害，甚至导致死亡； NO2会形成酸雨、光化学烟雾，污染环境。 二. 二氧化氮NO2 工业上利用该原理生产硝酸 【思考1】标准状况下，1 mol NO2是 22.4 L吗？ 【思考2】 NO2 和Br2 蒸气都是红棕色气体，如何鉴别？ 物理方法：用CCl4溶解，溶解的是Br2，不溶解的是NO2 化学方法：①用AgNO3溶液，产生黄色沉淀的是Br2，无沉淀生成的是NO2 ②用水，红棕色不消失的是Br2，红棕色消失是NO2 2NO2 N2O4 2NO＋2CO 2CO2＋N2 催化剂 6NO＋4NH3 5N2＋6H2O 　 一定条件 【实验5-5】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5mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口 打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹 振荡注射器 实验结论 注射器内无明显变化 NO难溶于水 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 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 在一定条件下，NO和NO2可以相互转化 思考与讨论 1. 若将注射器中的NO充分转化，应采取何种措施？ 2. 上述实验对工业上生产硝酸有什么启示？ 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被氧化为NO2， NO2溶于水又生成硝酸和NO，经过多次的氧化和吸收，能够尽可能地转化为硝酸。 3NO2+H2O 2HNO3+NO 用注射器不断吸入空气，然后使注射器的气体与水充分反应 2NO+O2==2NO2 4NO+3O2+2H2O===4HNO3 4NO2+O2+2H2O===4HNO3 3. NO和NO2都有毒，硝酸工业尾气怎么处理？ 2NO2+2NaOH NaNO2+ NaNO3 +H2O NO2+NO+2NaOH 2NaNO2 +H2O NO2和O2的混合气体溶于水 NO2和O2以 的比例通入水中，试管全充满 4 ：1 3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO ① 2NO＋O2＝2NO2 ② ①×2＋②： 4NO2＋O2＋2H2O＝4HNO3 注意：故若有气体剩余只能是 NO 或 O2 ，不可能是NO2。 当体积比V(NO2) ：V(O2) ˂4:1 =4:1 >4:1 O2 过量，剩余O2 恰好完全反应 NO过量，剩余NO NOx 溶于水的相关计算 当体积比V(NO) ：V(O2) NO 和O2的混合气体溶于水 NO 和O2以 的比例通入水中，试管全充满 4 ：3 3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO ① 2NO＋O2＝2NO2 ② ①×3＋②×2： 4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3 ˂4:3 =4:3 >4:3 O2 过量，剩余O2 恰好完全反应 NO过量，剩余NO 现象：先出现红棕色气体，红棕色气体逐渐消失，试管内液面上升至充满整个试管。 NOx 溶于水的相关计算 1.NOx在紫外线作用下与碳氢化合物发生一系列光化学反应，产生光化学烟雾 2.NOx排入大气中后，与水反应生成HNO3和HNO2，随雨雪降地面形成酸雨 3.破坏臭氧层：NO2可使平流层中的臭氧减少，导致地面紫外线辐射量增加 4.NO与血红蛋白结合使人中毒 氮氧化物对环境的污染 常见的NO2和NO尾气处理方法 ①碱液吸收法 2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O ②催化转化法 6NO + 4NH3 5N2 + 6H2O 2NO + 2CO N2 + 2CO2 【思考1】NO、NO2均为有毒气体，如何进行尾气处理？ 【思考2】如何除去NO气体中混有的少量NO2气体杂质? 可将混合气体通入盛有水的洗气瓶，除去NO2杂质; 再通过盛放无水CaCl2的干燥管收集NO气体。 [练3]　在一定温度和压强下，将一容积为15 mL的试管充满NO2后，倒置于一个盛有水的水槽中。当试管内液面上升至一定高度不再变化时，在相同条件下再通入O2，若要使试管内液面仍保持在原高度，则通入O2的体积为(　　) A．3.75 mL B．7.5 mL C．8.75 mL D．10.5 mL [练4]　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？(写出计算过程) 5．三容器内分别装有相同条件下的NO、NO2、O2，设三容器容积依次为V1、V2、V3，若将三气体混合于一个容积为V1＋V2＋V3的容器中后，倒立于水槽中，最终容器内充满水。则V1、V2、V3之比不可能是(　　) A．3∶7∶4 B．5∶7∶6 C．7∶3∶6 D．1∶1∶1 探究应用 24 性 质 NO NO2 物理性质 毒 性 与水反应 与氧气反应 实验室制备 收集方法 其他 对环境影响 无色、无味的有毒气体，难溶于水 红棕色、有刺激性气味的有毒气体 不反应(难溶于水) 3NO2+H2O===2HNO3+NO 2NO+O2===2NO2 不反应 铜与稀硝酸反应 铜与浓硝酸反应 常用排水法 常用向上排空气法 导致光化学烟雾和酸雨，破坏臭氧层 有毒（跟血红蛋白结合） 有毒 2NO2 N2O4 Lavf58.45.100 Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 Lavf59.34.101 Lavf59.34.101 Lavf58.20.100 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 $