高中化学第3章自然界中的元素第2节第1课时自然界中氮的循环氮气氮的氧化物学案鲁科版必修1.docx
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高中化学第3章自然界中的元素第2节第1课时自然界中氮的循环氮气氮的氧化物学案鲁科版必修1
自然界中氮的循环、氮气、氮的氧化物
[核心素养发展目标] 1.知道自然界中氮循环的基本过程,认识氮循环过程中的重要物质。
2.熟知一氧化氮和二氧化氮的性质,了解自然界中形成硝酸的过程。
一、自然界中氮的循环、氮气
1.自然界中氮的循环
(1)氮的存在形态
氮元素
(2)氮在自然界中的循环
①自然循环
②人类活动的影响
氮气NH3―→氮肥、硝酸等含氮化合物。
燃烧产生的氮氧化物通过大气进入陆地和海洋,参与氮的循环。
2.氮气
(1)物理性质
颜色
状态
密度
气味
水中的溶解性
无色
气态
比空气小
无
难溶于水
(2)化学性质
①写出下列反应的化学方程式:
②可逆反应:
在相同条件下,能同时向正、反两个方向进行的反应。
在可逆反应的化学方程式中用“”代替“===”。
(3)氮的固定
①概念:
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
(1)对氮气性质的理解
①通常情况下氮气的化学性质很不活泼,很难和其他物质发生化学反应。
②氮元素有多种变价,N2中氮元素为0价,处于中间价态,故N2既有氧化性,又有还原性。
N2与O2反应表现还原性,N2与H2、Mg等活泼金属反应表现氧化性。
N2与Mg反应:
N2+3MgMg3N2。
(2)可逆反应的理解
①相同条件下正、逆反应同时进行。
②可逆反应体系中,与化学反应有关的各种物质共存。
例1 下列关于N2性质的叙述中错误的是( )
A.任何物质在氮气中都不能燃烧
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
答案 A
解析 活泼金属钠、镁、铝可以在N2中燃烧。
思维启迪
氮气与氧气在放电条件下不能生成二氧化氮,氮气与金属、氢气反应时表现氧化性,氮气与氧气反应时表现还原性。
例2 下列反应起到了固氮作用的是( )
A.工业上N2与H2在一定条件下合成NH3
B.NO与O2反应生成NO2
C.NH3被O2氧化成NO和H2O
D.由NH3制备化肥NH4HCO3
答案 A
解析 由定义知,氮的固定是将空气中游离态的氮转化成含氮化合物。
易错警示
化合态的氮转化为化合态的氮不是氮的固定。
二、一氧化氮和二氧化氮
1.氮的氧化物的种类
化合价
+1
+2
+3
+4
+5
对应氧化物
N2O
NO
N2O3
NO2、N2O4
N2O5
2.NO和NO2的性质比较
物质
NO
NO2
色、态、毒性
无色、无味、有毒气体
红棕色、有刺激性气味、有毒气体
水溶性
不溶于水
易溶于水
与氧气反应
2NO+O2===2NO2(还原性)
不反应
与水反应
不反应
3NO2+H2O===2HNO3+NO(自身氧化还原)
相互转化
2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO
3.NO2性质实验探究
实验装置图
实验步骤
现象
反应方程式
(1)将盛有NO2的试管倒置在水中
①水进入试管,液面逐渐上升;②红棕色气体逐渐变为无色;③试管内液面上升至试管容积的处
3NO2+H2O===2HNO3+NO
(2)向试管中通入少量O2
①无色气体变为红棕色后又变为无色;
②试管内液面上升
2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO
(3)持续通入少量O2,直至试管内充满水
①无色气体变为红棕色;②液面逐渐上升,气体体积逐渐缩小,最终试管内充满液体
合并反应后为4NO2+O2+2H2O===4HNO3
(1)水吸收NO2制硝酸的原理:
3NO2+H2O===2HNO3+NO,2NO+O2===2NO2,4NO2+O2+2H2O===4HNO3。
(2)氮的氧化物(NO、NO2)与O2、H2O反应的有关计算
a.有关化学方程式
3NO2+H2O===2HNO3+NO①
4NO2+O2+2H2O===4HNO3②
4NO+3O2+2H2O===4HNO3③
2NO+O2===2NO2④
b.不同情况及剩余气体的体积
气体
反应
剩余气体
剩余气体的量
NO2
①
NO
V(NO2)
NO2+NO
①
NO
V(NO)原+V(NO2)
NO2+O2
=4∶1
②
无
0
<4∶1
②
O2
V(O2)原-V(NO2)
>4∶1
①②
NO
[V(NO2)-4V(O2)]
NO+O2
=4∶3
③
无
0
>4∶3
③
NO
V(NO)原-V(O2)
<4∶3
③
O2
V(O2)原-V(NO)
例3 下列关于NO和NO2的说法中正确的是( )
A.NO2是红棕色气体,易溶于水,属于酸性氧化物
B.NO2可由N2和O2直接化合得到
C.NO和NO2均既可以用排空气法收集又可以用排水法收集
D.NO和NO2在一定条件下可以相互转化
答案 D
解析 A项,NO2不是酸性氧化物;B项,在高温或放电条件下,N2和O2直接化合生成NO;C项,NO易与空气中的氧气反应生成NO2,只能用排水法收集,NO2能与水反应,只能用排空气法收集;D项,NO和氧气反应生成NO2,NO2与水反应生成HNO3和NO。
例4 将装有50mLNO2、NO混合气体的量筒倒立于水槽中,反应后气体体积缩小为30mL,则原混合气体中NO2和NO的体积比是( )
A.5∶3B.3∶5C.3∶2D.2∶3
答案 C
解析 运用差量法计算。
设混合气体中NO2的体积为x,
3NO2+H2O===2HNO3+NO ΔV
312
x 50mL-30mL=20mL
=,解得x=30mL。
则原混合气体中NO为50mL-30mL=20mL。
所以V(NO2)∶V(NO)=30mL∶20mL=3∶2。
规律总结
可用差量法计算二氧化氮及“惰性(即与水不反应)气体”混合气体与水反应前后气体体积变化问题。
例5 按图进行实验。
试管中装有12mLNO,然后间歇而又缓慢地通入8mLO2,下列是有关最终状态的描述:
①试管内气体呈棕色 ②试管内气体呈无色 ③试管内液面不变 ④试管内液面上升 ⑤试管内气体是O2⑥试管内气体是NO。
其中正确的是( )
A.①③B.②④⑤C.②④⑥D.②③⑤
答案 C
解析 根据4NO+3O2+2H2O===4HNO3可得,剩余气体应为NO,体积为mL,试管内液面上升。
思维启迪
解答氮的氧化物和氧气混合通入水中的计算及实验现象描述时,应根据反应原理先判断哪种气体过量,根据实际反应后的产物或剩余的气体回答实验现象,且描述实验现象时应按时间先后顺序。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)实验室能用排空气法收集N2、NO和NO2(×)
(2)工业上合成氨及生产尿素均为氮的固定(×)
(3)合成氨反应属于高能固氮(×)
(4)N2在通常情况下与O2反应生成NO2(×)
(5)向一定容积容器中充入1molN2和3molH2,充分反应能得到2molNH3(×)
(6)氮气可在氧气中燃烧生成NO(×)
(7)2H2O2H2↑+O2↑和2H2+O22H2O属于可逆反应(×)
(8)电闪雷鸣的雨天,雨水中含有一定量的硝酸,其中可能发生的反应有N2+2O22NO2(×)
(9)除去NO中的NO2气体可以使混合气体通过蒸馏水(√)
(10)NO、NO2、N2O3、N2O5都属于酸性氧化物(×)
2.下列关于自然界中氮循环(如下图)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、氧三种元素也参加了氮循环
答案 A
解析 A项,合成氨反应中,氮元素的化合价降低被还原,错误;B项,工业合成氨属于人工固氮,正确;C项,硝酸盐转化为蛋白质经动物消化使蛋白质转化为氨气和铵盐,实现了含氮无机物和含氮有机物的相互转化,正确;D项,碳、氢、氧三种元素也参与了氮循环,正确。
3.发射“天宫”一号的运载火箭,其推进剂引燃后发生剧烈反应,产生大量高温无色气体(CO2、H2O、N2、NO),从火箭尾部喷出。
但在发射现场看到火箭尾部喷出大量红棕色的气体,产生红棕色气体的原因是( )
A.NO遇空气生成NO2
B.高温下N2遇空气生成NO2
C.CO2与N2反应生成CO和NO2
D.NO和H2O反应生成H2和NO2
答案 A
解析 NO与空气中的氧气反应生成NO2,NO2是红棕色气体,所以在卫星发射现场看到火箭喷射出大量红棕色烟。
4.对3NO2+H2O===2HNO3+NO反应的下列说法正确的是( )
A.氧化剂与还原剂的质量比为1∶2
B.氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2
C.NO2是氧化剂,H2O是还原剂
D.在反应中若有6molNO2参与反应时,有3mol电子发生转移
答案 A
5.将充满NO2和O2的量筒倒立于盛有水的水槽中,经过一段时间后,水上升到量筒体积的一半处停止,则剩余气体的成分是( )
A.NO2B.NO
C.O2D.NO或O2
答案 C
解析 设量筒体积为VL,剩余L的气体可能是NO或O2。
①若气体为NO,根据反应3NO2+H2O===2HNO3+NO,则过量NO2为L,不合题意。
②若气体为O2,则有LNO2与O2发生反应4NO2+O2+2H2O===4HNO3,符合题意。
6.将一充满NO的试管倒扣于水槽中,然后向试管中通入一定量的O2,试管中恰好充满水时,则原NO气体与通入的O2的体积比为________,若假设生成的溶质不向外扩散,且为标准状况,则所得溶液溶质的物质的量浓度应为________。
答案 4∶3 0.045mol·L-1
解析 NO与O2混合后完全溶于水,则总反应为4NO+3O2+2H2O===4HNO3,因此NO与O2的体积比为4∶3。
假设原来NO体积为1L,则反应后溶液体积为1L。
n(NO)=mol,反应生成HNO3的物质的量为mol,溶液溶质的浓度为=mol·L-1≈0.045mol·L-1。
题组1 氮气的性质及其应用
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可以在电焊时做保护气
B.N2+O22NO,该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一
C.N2在空气中约占质量比的
D.在反应3Mg+N2Mg3N2中N2做氧化剂
答案 C
解析 N2很稳定,常用做保护气,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,N2与金属、H2反应时做氧化剂。
2.下列叙述与氮的固定无关的是( )
A.工业合成氨
B.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
D.电闪雷鸣的雨天,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
答案 B
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的过程。
题组2 氮氧化物的性质及应用
3.最近的病毒学研究发现,一氧化氮对非典病毒抑制作用明显。
下列关于NO的说法正确的是( )
A.NO是酸性氧化物
B.NO只能通过人工合成
C.NO可以是某些含低价态氮元素的物质的氧化产物
D.NO与O2按4∶1体积比混合后与足量水反应可完全转化为硝酸
答案 C
解析 NO为不成盐氧化物,不
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