1、专题专题7氮与社会氮与社会可持续发展可持续发展第一单元氮的固定第一单元氮的固定自主自主预习预习新知新知导学导学合作探究合作探究释疑释疑解惑解惑课课 堂堂 小小 结结课标定位课标定位素养阐释素养阐释1.通过分析氮的原子结构和通过分析氮的原子结构和N2的分子结构的分子结构,能够能够推断氮气可能的化学性质推断氮气可能的化学性质,理解结构与性质的关理解结构与性质的关系。系。2.能够说出氮的固定的含义能够说出氮的固定的含义,能从科学的视角认能从科学的视角认识氮的固定对生活的意义。识氮的固定对生活的意义。3.能够从宏观与微观相结合的角度说出能够从宏观与微观相结合的角度说出NO、NO2的主要性质和用途的主要
2、性质和用途,感受化学变化的奇妙。感受化学变化的奇妙。一、氮气一、氮气1.分子的结构。分子的结构。2.物理性质。物理性质。氮气是一种无色、无味的气体氮气是一种无色、无味的气体,约占空气总体积的约占空气总体积的78%。3.化学性质。化学性质。氮气分子中存在氮氮三键氮气分子中存在氮氮三键,断开该化学键需要较多的能量断开该化学键需要较多的能量,所以氮气的化学性质很所以氮气的化学性质很稳定稳定。但在。但在高温高温或或放电放电等特殊条件下等特殊条件下,也能与一些金属或非金属单质反应。也能与一些金属或非金属单质反应。【自主思考【自主思考1】 金属镁在空气金属镁在空气(忽略空气中的二氧化碳忽略空气中的二氧化碳
3、)中中燃烧可生成哪些产物燃烧可生成哪些产物?写出有关反应的化学方程式。写出有关反应的化学方程式。二、氮的固定二、氮的固定1.定义定义:将空气中将空气中游离游离态的氮转化为态的氮转化为含氮化合物含氮化合物叫作氮的固叫作氮的固定定,简称固氮。简称固氮。2.分类分类:氮的固定主要有氮的固定主要有自然自然固氮和固氮和人工人工固氮两种方式。固氮两种方式。3.自然固氮。自然固氮。(1)生物固氮生物固氮:自然界中的一些微生物种群自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的如豆科植物的根瘤菌根瘤菌)将空气将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物(氨或铵态氮氨或铵态氮肥肥
4、)作为自身的养分作为自身的养分,约占自然固氮的约占自然固氮的90%。(2)高能固氮高能固氮:通过通过闪电闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物、火山爆发等途径产生含氮化合物,约占自然固氮约占自然固氮的的10%。俗话说俗话说,“雷雨发庄稼雷雨发庄稼”。其中的原理是。其中的原理是:雷电发生时雷电发生时,N2与与O2化合生成化合生成NO(化学方程式为化学方程式为N2+O2 2NO ),NO迅速被氧化迅速被氧化为为NO2(化学方程式为化学方程式为2NO+O22NO2 ),NO2溶于水生成溶于水生成HNO3(化学方程式为化学方程式为3NO2+H2O2HNO3+NO ),HNO3与与土壤中的矿物质作用生成硝酸
5、盐土壤中的矿物质作用生成硝酸盐, 可可被植物吸收。被植物吸收。4.人工固氮人工固氮合成氨。合成氨。(1)工业合成氨的意义工业合成氨的意义:哈伯和博施等化学家经过无数次的失败和不懈努力哈伯和博施等化学家经过无数次的失败和不懈努力,最终实最终实现了合成氨现了合成氨,化学方程式为化学方程式为N2+3H2 2NH3。合成氨工。合成氨工业的成功业的成功,为植物生长提供足够的氮肥为植物生长提供足够的氮肥,使人类免受饥荒之苦。使人类免受饥荒之苦。(2)工业合成氨的措施工业合成氨的措施:三、三、NO和和NO2 【自主思考【自主思考2】 汽车尾气中含有汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物等多种污染物,已已成为城
6、市空气的主要污染源。汽车尾气中的成为城市空气的主要污染源。汽车尾气中的NO是如何产生是如何产生的的?写出有关反应的化学方程式。写出有关反应的化学方程式。提示提示:汽车尾气中的汽车尾气中的NO是由空气中的氮气与氧气在内燃机是由空气中的氮气与氧气在内燃机中高温条件下反应而生成的中高温条件下反应而生成的,N2+O2 2NO。【自主思考【自主思考3】 实验室中一般用什么方法收集实验室中一般用什么方法收集NO和和NO2?提示提示:NO微溶于水微溶于水,所以实验室中一般用排水法收集所以实验室中一般用排水法收集NO。因为常温常压下因为常温常压下NO与空气中的氧气发生反应生成与空气中的氧气发生反应生成NO2,
7、因此因此不能用排空气法收集。不能用排空气法收集。NO2的密度比空气的密度大的密度比空气的密度大,实验室中一般用向上排空气法实验室中一般用向上排空气法收集收集NO2。因为。因为NO2与水发生反与水发生反应应:3NO2+H2O2HNO3+NO,因此不能用排水法收集。因此不能用排水法收集。【效果自测】【效果自测】 1.判断正误判断正误,正确的画正确的画“ ”,错误的画错误的画“”。(1)实验室能用排空气法收集实验室能用排空气法收集N2、NO和和NO2。()(2)N2在通常情况下可以与在通常情况下可以与O2反应生成反应生成NO2。()(3)向一定容积的容器中充入向一定容积的容器中充入1 mol N2和
8、和3 mol H2,充分反应充分反应能得到能得到2 mol NH3。()(4)氮气可在氧气中燃烧生成氮气可在氧气中燃烧生成NO。()(5)电闪雷鸣的雨天电闪雷鸣的雨天,雨水中含有一定量的硝酸雨水中含有一定量的硝酸,其中可能发其中可能发生的反应有生的反应有N2+2O2 2NO2。()(6)除去除去NO中的中的NO2气体可以使混合气体通过蒸馏水。气体可以使混合气体通过蒸馏水。()(7)NO、NO2、N2O3、N2O5都属于酸性氧化物。都属于酸性氧化物。()(8)在实验室里在实验室里,NO和和NO2均用排水法收集。均用排水法收集。() 2.下列叙述与氮的固定无关的是下列叙述与氮的固定无关的是()。A
9、.工业上氮气与氢气化合生成氨气工业上氮气与氢气化合生成氨气B.工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物C.豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为含氮化合物豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为含氮化合物D.电闪雷鸣的雨天电闪雷鸣的雨天,空气中的氮气会与氧气发生反应并最终空气中的氮气会与氧气发生反应并最终转化为硝酸盐被植物吸收转化为硝酸盐被植物吸收答案答案:B解析解析:氮的固定是指把空气中游离态的氮转化为含氮化合物氮的固定是指把空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。的过程。3.下列关于氮的氧化物的叙述正确的是下列关于氮的氧化物的叙述正确的是()。A.氮的氧化物只有氮
10、的氧化物只有NO、NO2B.氮的氧化物均为红棕色气体氮的氧化物均为红棕色气体C.NO、NO2均为有毒气体均为有毒气体D.氮的氧化物在空气中均能稳定存在氮的氧化物在空气中均能稳定存在答案答案:C解析解析:氮的氧化物包括氮的氧化物包括NO、N2O、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等等,A项错误项错误;NO为无色气体为无色气体,B项错误项错误;NO、NO2均为有均为有毒气体毒气体,C项正确项正确;NO在空气中易被在空气中易被O2氧化为氧化为NO2,D项错误。项错误。探究任务探究任务1 氮氮的固定及氮气的的固定及氮气的性质性质问题引领问题引领氮循环是自然界中一种重要的循环氮循环是自然界中一种重要的
11、循环,对生态环境的调节起着对生态环境的调节起着重要的作用。氮在自然界中的循环如图所示重要的作用。氮在自然界中的循环如图所示。1.氮在自然界中主要存在形式有哪些氮在自然界中主要存在形式有哪些?提示提示:大部分以氮气的形式存在大部分以氮气的形式存在,少部分以化合物的形式少部分以化合物的形式(如如硝酸盐或铵盐、蛋白质等硝酸盐或铵盐、蛋白质等)存在。存在。2.自然界中有哪些固氮的途径自然界中有哪些固氮的途径?提示提示:自然界中固氮主要有自然固氮和人工固氮自然界中固氮主要有自然固氮和人工固氮,自然固氮自然固氮有高能固氮和生物固氮。有高能固氮和生物固氮。3.氮循环中含氮物质有多种形式的转化氮循环中含氮物质
12、有多种形式的转化,有的对人类生产生有的对人类生产生活有益活有益,有的则产生负面作用有的则产生负面作用,请举例说明。请举例说明。提示提示:(1)对人类有益的有对人类有益的有:人工固氮如合成氨人工固氮如合成氨,不仅为农作物不仅为农作物的生长提供了必需的氮元素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而且为其他化工产品的生产提供了重要的原料。供了重要的原料。(2)对人类有害的有对人类有害的有:工业废气、汽车尾气工业废气、汽车尾气中的氮氧化物会造成大气污染中的氮氧化物会造成大气污染;工厂废液、生活废水中的氮工厂废液、生活废水中的氮元素对水体造成污染等。元素对水体造成污染等。4.为了促进氮的良
13、性循环为了促进氮的良性循环,我们应该怎么做我们应该怎么做?提示提示:我们要注意维护生态平衡我们要注意维护生态平衡,保护森林保护森林,植树绿化植树绿化,增强生增强生态系统对有害物质的吸收能力态系统对有害物质的吸收能力;不过度使用含氮化肥不过度使用含氮化肥,以免污以免污染土壤和水体染土壤和水体;控制化石燃料燃烧排放的氮氧化物进入大气控制化石燃料燃烧排放的氮氧化物进入大气等。等。归纳提升归纳提升1.氮的固定。氮的固定。2.氮气的化学性质及应用。氮气的化学性质及应用。(1)通常情况下氮气的化学性质很不活泼通常情况下氮气的化学性质很不活泼,很难与其他物质很难与其他物质发生化学反应。发生化学反应。(2)氮
14、元素有多种变价氮元素有多种变价,N2中氮元素为中氮元素为0价价,处于中间价态处于中间价态,故故N2既有氧化性既有氧化性,又有还原性。又有还原性。与金属镁反应生成与金属镁反应生成Mg3N2:N2+3Mg Mg3N2,氮气表现氮气表现氧化性氧化性;与氢气化合生成与氢气化合生成NH3:N2+3H2 2NH3,氮气表现氧化性氮气表现氧化性;与氧气反应生成与氧气反应生成NO:N2+O2 2NO,氮气表现还原性。氮气表现还原性。(3)氮气的应用。氮气的应用。氮气是制硝酸、合成氨的原料氮气是制硝酸、合成氨的原料;氮气可以用作保护气氮气可以用作保护气;液氮可以用作冷冻麻醉剂。液氮可以用作冷冻麻醉剂。典型例题典
15、型例题【例题【例题1】 下列关于下列关于N2性质的叙述中错误的是性质的叙述中错误的是()。A.任何物质在氮气中都不能燃烧任何物质在氮气中都不能燃烧B.氮气既具有氧化性氮气既具有氧化性,又具有还原性又具有还原性C.将空气中的氮气转变成含氮化合物属于氮的固定将空气中的氮气转变成含氮化合物属于氮的固定D.氮气与氧气在一定条件下反应生成一氧化氮氮气与氧气在一定条件下反应生成一氧化氮答案答案:A解析解析:Mg可以在可以在N2中燃烧生成中燃烧生成Mg3N2。(1)氮气与氧气在放电条件下不能通过一步反氮气与氧气在放电条件下不能通过一步反应生成二氧化氮。氮气与金属、氢气反应时表现氧化性应生成二氧化氮。氮气与金
16、属、氢气反应时表现氧化性,氮氮气与氧气反应时表现还原性。气与氧气反应时表现还原性。(2)化合态的氮转化为化合态化合态的氮转化为化合态的氮不是氮的固定。的氮不是氮的固定。【变式训练【变式训练1】 下列反应起到了固氮作用的是下列反应起到了固氮作用的是()。A.工业上工业上N2与与H2在一定条件下合成在一定条件下合成NH3B.NO与与O2反应生成反应生成NO2C.NH3被被O2氧化成氧化成NO和和H2OD.由由NH3制备化肥制备化肥NH4HCO3答案答案:A解析解析:由定义知由定义知,氮的固定是将空气中游离态的氮转化成含氮的固定是将空气中游离态的氮转化成含氮化合物。氮化合物。探究任务探究任务2 NO
17、和和NO2的的性质性质问题引领问题引领1.请写出请写出NO2气体溶于水时发生反应的化学方程式气体溶于水时发生反应的化学方程式,分析产分析产生的生的NO气体与通入的气体与通入的NO2气体的体积关系气体的体积关系。提示提示:3NO2+H2O2HNO3+NO,产生产生的的NO与通入与通入NO2的体积之比为的体积之比为1 3。2.若把若把NO2与与O2的混合气体通入水中会发生什么反应的混合气体通入水中会发生什么反应?剩余剩余气体是什么气体是什么?提示提示:3NO2+H2O2HNO3+NO,2NO+O22NO2,剩余剩余气体可能是气体可能是O2,也可能是也可能是NO。3.若把若把NO与与O2混合后通入水
18、中会发生什么反应混合后通入水中会发生什么反应?剩余气体剩余气体是什么是什么?提示提示:2NO+O22NO2,3NO2+H2O2HNO3+NO,剩余剩余气体可能是气体可能是O2或或NO。归纳提升归纳提升1.氮的氧化物。氮的氧化物。氮有多种价态的氧化物氮有多种价态的氧化物,氮元素从氮元素从+1+5价都有对应的氧化价都有对应的氧化物物,如如N2O、NO、N2O3、NO2(或或N2O4)、N2O5,其中属于酸性其中属于酸性氧化物的是氧化物的是N2O3、N2O5。2.用水吸收用水吸收NO2制硝酸的原理。制硝酸的原理。NO2的吸收的吸收:3NO2+H2O2HNO3+NO。NO氧化成氧化成NO2:2NO+O
19、22NO2。总方程式总方程式:4NO2+O2+2H2O4HNO3。3.氮氧化物溶于水的问题分析。氮氧化物溶于水的问题分析。无论是单一气体无论是单一气体(NO2),还是还是NO、NO2、O2中的两者的混合中的两者的混合气体气体,反应的实质是反应的实质是3NO2+H2O2HNO3+NO,2NO+O2 2NO2,故若有气体剩余故若有气体剩余,剩余气体只能是剩余气体只能是NO或或O2,不可能不可能是是NO2。4.NO2气体和溴蒸气的鉴别方法。气体和溴蒸气的鉴别方法。(1)通入水中形成黄色溶液的为通入水中形成黄色溶液的为Br2;(2)通入通入AgNO3溶液中有浅黄色沉淀生成的为溶液中有浅黄色沉淀生成的为
20、Br2;(3)通入通入CCl4中中,有机层变橙红色的为有机层变橙红色的为Br2。典型例题典型例题【例题【例题2】 下列关于下列关于NO和和NO2的说法中正确的是的说法中正确的是()。A.NO2是红棕色气体是红棕色气体,易溶于水易溶于水,属于酸性氧化物属于酸性氧化物B.NO2可由可由N2与与O2直接化合得到直接化合得到C.NO和和NO2均既可以用排空气法收集又可以用排水法收集均既可以用排空气法收集又可以用排水法收集D.NO和和NO2在一定条件下可以相互转化在一定条件下可以相互转化答案答案:D解析解析:A项项,NO2不是酸性氧化物不是酸性氧化物;B项项,在高温或放电条件在高温或放电条件下下,N2与
21、与O2直接化合生成直接化合生成NO;C项项,NO易与空气中的氧气反应易与空气中的氧气反应生成生成NO2,应该用排水法收集应该用排水法收集,NO2能与水反应能与水反应,应该用排空气应该用排空气法收集法收集;D项项,NO与氧气反应生成与氧气反应生成NO2,NO2与水反应生成与水反应生成HNO3和和NO。【变式训练【变式训练2】 将装有将装有50 mL NO2、NO混合气体的量筒倒混合气体的量筒倒立于水槽中立于水槽中,反应后气体体积缩小为反应后气体体积缩小为30 mL,则原混合气体中则原混合气体中NO2和和NO的体积比是的体积比是()。A.5 3B.3 5C.3 2D.2 3答案答案:C解析解析:运用差量法计算。运用差量法计算。设混合气体中设混合气体中NO2的体积为的体积为x,3NO2+H2O2HNO3+NOV 3 1 2 x50 mL-30 mL=20 mL则原混合气体中则原混合气体中NO为为50 mL-30 mL=20 mL。所以所以V(NO2) V(NO)=30 mL 20 mL=3 2。
