高中化学新教材同步必修第二册 第五章 第二节 第一课时　氮气和氮氧化物(同步讲义)

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第二节　氮及其化合物第1课时　氮气和氮氧化物[核心素养发展目标]　1.能从分子结构的角度认识氮气的化学稳定性，熟知氮气与镁、氧气、氢气的化学反应及其条件。了解氮的固定和自然界中氮的循环。2.能从物质类别和氮元素的化合价认识氮氧化物的性质与转化，熟知工业制硝酸的反应原理，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。一、氮气与氮的固定1.氮——重要的非金属元素(1)氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族，氮元素的非金属性比氧元素弱，比碳元素强，硝酸的酸性比磷酸强。(2)氮元素原子最外层有5个电子，氮原子很难得失电子形成离子键，一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。(3)氮元素在自然界中的存在①游离态：主要以氮分子的形式存在于空气中。②化合态：部分存在于动植物体内的蛋白质中；部分存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。2.氮气(1)氮分子内两个氮原子间以共价三键(N≡N)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。(2)写出氮气与下列物质反应的化学方程式：①金属镁：N2＋3Mgeq \o(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2，氮气表现氧化性；②氢气：N2＋3H2eq \o(,\s\up7(高温、高压),\s\do5(催化剂))2NH3，氮气表现氧化性；③氧气：N2＋O2eq \o(=======,\s\up7(放电或高温))2NO，氮气表现还原性。3.氮的固定氮的固定—eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(概念：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程,分类\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(自然固氮\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(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\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(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))))))(1)氮元素有多种化合价，其最高正价为＋5价(　　)(2)氮原子与其他原子只能形成共价键，不能形成离子键(　　)(3)氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气(　　)(4)白磷(P4)在空气中能自燃而氮气能稳定存在，说明磷元素非金属性比氮元素强(　　)(5)硝酸盐在某些细菌作用下转化成氮气为自然固氮(　　)(6)在高温、高压、催化剂条件下，1 mol N2与3 mol H2混合可生成2 mol NH3(　　)答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×1.汽车尾气中含有CO、NO等多种污染物，已成为城市空气的主要污染源。汽油和柴油中基本不含氮元素，那么汽车尾气中的NO是如何产生的？写出有关反应的化学方程式。(忽略空气中二氧化碳)提示　汽车尾气中的NO是由空气中的氮气和氧气在内燃机中高温条件下反应而生成，N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(高温))2NO。2.金属镁在空气(忽略空气中二氧化碳)中燃烧可生成哪些产物？写出有关反应的化学方程式。提示　可生成氧化镁和氮化镁。2Mg＋O2eq \o(=====,\s\up7(点燃))2MgO,3Mg＋N2eq \o(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2。3.氮在自然界中的循环如下图所示。(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。(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。(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)。(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。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。1.下列关于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。2.下列叙述与氮的固定无关的是(　　)A.工业上氮气与氢气化合成氨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。3.氮的循环在自然界元素的循环中具有重要的意义，有些氮的转化是从氮气转化为含氮的化合物，有的转化发生在含氮的化合物之间。下列过程中，以游离态的氮为原料，最终产生含氮的化合物的是(　　)A.汽车尾气中的氮氧化物形成酸雨 B.硝化细菌的硝化过程C.动物尸体腐烂 D.豆科植物的根瘤菌固氮答案　D解析　氮氧化物形成酸雨是其与水反应生成硝酸的缘故；硝化细菌的硝化过程是将氨或铵盐转化成硝酸盐；动物尸体腐烂是从高分子有机氮到小分子有机氮的过程；豆科植物的根瘤菌固氮过程是在固氮酶的作用下将氮气转化为含氮的化合物。二、一氧化氮和二氧化氮1.不同价态的氮的氧化物上述氮的氧化物中属于酸性氧化物的是N2O5和N2O3。2.一氧化氮、二氧化氮性质探究(1)在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，观察颜色：无色，然后吸入5 mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器。现象：注射器内无明显变化，结论：NO难溶于水。(2)打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹，现象：注射器内气体变为红棕色；振荡注射器。现象：气体的红棕色消失。结论：在一定条件下，NO和NO2可以相互转化。写出下列转化的化学方程式：①NO→NO2：2NO＋O2===2NO2；②NO2→NO：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。3.二氧化氮的性质(1)红棕色、有刺激性气味的有毒气体，密度比空气的大。(2)易溶于水且与水反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。(3)具有强氧化性：能与SO2、KI等反应。(4)自身二聚：2NO2N2O4(无色气体)。NO和NO2性质比较(1)由于NO极易与O2反应，并且其密度与空气相差不多，因此收集NO只能用排水法(　　)(2)由于NO2极易与水反应且密度比空气大，因此收集NO2只能用向上排空气法(　　)(3)NO2能与碱反应生成硝酸盐、亚硝酸盐和水，NO2是酸性氧化物(　　)(4)N2与O2反应时，不论O2是否足量，其一步反应都只能得到NO，不能生成NO2(　　)(5)可用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别溴蒸气和二氧化氮两种红棕色气体(　　)(6)NO和NO2都是有刺激性气味的有毒气体，它们都是大气污染物(　　)答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×1.俗话说“雷雨发庄稼”，试说出其中的原理，写出反应的化学方程式。提示　雷电发生时，N2和O2化合生成NO，NO迅速被氧化为NO2，NO2溶于水生成HNO3，HNO3跟土壤作用生成硝酸盐，NOeq \o\al(－,3)可被植物吸收。N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NO,2NO＋O2===2NO2,3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。2.在上述NO、NO2性质实验中(1)如果要将注射器中的NO充分转化，应采取的措施是___________________________。(2)上述实验对工业上生产硝酸的启示是_________________________________________。提示　(1)继续通入过量的空气(2)在用水吸收NO2制取硝酸的反应过程中，要不断地补充一些空气，使NO2尽可能多地转化为硝酸1.(2018·江苏淮阴中学期中)下列关于氮的氧化物的叙述正确的是(　　)A.氮的氧化物只有NO、NO2B.氮的氧化物均为红棕色气体C.氮的氧化物均有毒D.氮的氧化物在空气中能稳定存在答案　C解析　氮的氧化物包括NO、N2O、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，A项错误；NO、N2O4等均为无色气体，B项错误；氮的氧化物均有毒，C项正确；NO在空气中易被O2氧化为NO2，D项错误。2.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∶2B.氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2C.NO2是氧化剂，H2O是还原剂D.在反应中若有6 mol NO2参与反应时，有3 mol电子发生转移答案　A解析　该反应中NO2既是氧化剂又是还原剂，硝酸为氧化产物，NO为还原产物。硝酸与NO的物质的量之比为2∶1，还原剂(NO2)与氧化剂(NO2)的物质的量之比为2∶1。若有6 mol NO2参与反应，则转移电子4 mol。3.按图进行实验。试管中装有12 mL NO，然后间歇而又缓慢地通入8 mL O2，下列是有关最终状态的描述：①试管内气体呈红棕色　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O2　⑥试管内气体是NO。其中正确的是 (　　)A.①③ B.②④⑤C.②④⑥ D.②③⑤答案　C解析　根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可得，剩余气体应为NO，体积为eq \f(4,3) mL，试管内液面上升。课时对点练A组　基础对点练题组一　氮气和氮的固定1.(2018·湖南湘潭一中期中)氮气能大量存在于空气中的根本原因是(　　)A.氮气性质稳定，即使在高温下也不与其他物质发生反应B.氮气比空气轻且不溶于水C.氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定D.氮气既无氧化性，也无还原性，不与其他物质反应答案　C解析　N2性质稳定，但在高温下可与O2等物质发生反应，在反应中表现出氧化性或还原性；氮气比空气轻且不溶于水并不是N2能大量存在于空气中的根本原因；N2能大量存在于空气中的根本原因是氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定。2.氮气的用途也很广泛，下列不属于氮气用途的是(　　)A.合成氨制作氮肥 B.充入灯泡作保护气C.液氮可作制冷剂 D.医疗上可作为危重病人的急救气答案　D解析　氮气与氢气合成氨能用于制作氮肥、氮气充入灯泡作保护气、液氮蒸发吸热用作制冷剂属于氮气的用途；氮气不具有帮助呼吸的性质，医疗上不可作为危重病人的急救气。3.下列变化过程属于氮的固定的是(　　)A.氮气跟氢气合成氨B.氨气跟氯化氢反应生成氯化铵固体C.植物吸收硝酸铵D.氮气由气态变为固态答案　A4.下列氮的循环过程中，氮元素由游离态转化为化合态的是(　　)A.铵盐在硝化细菌的作用下转化为硝酸盐B.雷雨天气会有氮的氧化物生成C.硝酸盐在某些细菌的作用下分解D.农作物枝叶燃烧产生的氮氧化物通过大气进入陆地和海洋答案　B解析　雷雨天气中有N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NO，氮元素由游离态转化为化合态。题组二　一氧化氮和二氧化氮5.Murad等三位教授关于一氧化氮分子在人体内的独特功能的研究，曾获得诺贝尔医学或生理学奖。关于一氧化氮的下列叙述不正确的是(　　)A.一氧化氮是某些含低价氮物质氧化的产物B.一氧化氮是亚硝酸的酸酐C.一氧化氮是某些含高价氮物质还原的产物D.一氧化氮具有还原性，在空气中极易被氧化答案　B解析　氮元素的化合价有－3、0、＋1、＋2、＋3、＋4、＋5等，在一氧化氮分子中，氮元素为＋2价，它既可以是含低价氮物质被氧化的产物，又可以是含高价氮物质被还原的产物；亚硝酸的酸酐是三氧化二氮，一氧化氮不是酸酐；一氧化氮具有较强的还原性，在空气中极易被氧化为红棕色的二氧化氮气体。6.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选项，NO2不是酸性氧化物；B选项，在高温或放电条件下，N2和O2直接化合生成NO；C选项，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选项，NO和氧气反应生成NO2，NO2与水反应生成HNO3和NO。7.下列反应必须加入氧化剂且一步反应就能完成的是(　　)①N2→NO2　②NO2→NO　③NO2→HNO3 ④N2→NO　⑤N2→NH3A.① B.②⑤ C.④ D.③④答案　C解析　①N2→NO2不能一步完成，②③NO2与H2O反应即可，但H2O不是氧化剂，④N2→NO中N2被氧化，需要加入氧化剂，⑤N2与H2反应生成NH3，加入的H2是还原剂。8.除去NO中混入的少量NO2，应将该混合气体通过下列试剂中的(　　)A.Na2CO3溶液 B.NaHCO3溶液C.H2O D.无水硫酸铜答案　C解析　NO2溶于水生成硝酸和一氧化氮，若混合气体通入碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液中，硝酸会与碳酸钠或碳酸氢钠反应生成二氧化碳，引入新杂质。混合气体通入水中，可以生成一氧化氮，且不引入杂质。无水硫酸铜不与二氧化氮反应。9.(2018·天津耀华中学期中)如图所示，试管中盛装的气体呈红棕色，当倒扣在盛有水的水槽中时，试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中水面继续上升，经过多次重复后，试管被水充满，对原试管中盛装的气体的说法正确的是(　　)A.可能是N2与NO2的混合气体B.可能是N2O气体C.可能是NO与NO2的混合气体D.只可能是NO2一种气体答案　C解析　试管中盛装的气体呈红棕色，那么一定有二氧化氮存在。根据题述现象可知，原试管中盛装的气体的成分情况可能为①NO2、②NO2和O2(少量)、③NO2和NO等。10.下图是有关氮的循环示意图。请回答：(1)过程①中通过____________________的作用将空气中的氮气固定下来。请写出②中合成氨反应的化学方程式：________________________________________________________。(2)请写出③中固氮反应的化学方程式：_______________________________________。(3)过程④中的亚硝酸盐有毒，工业上若直接排放将造成对环境的污染。已知NaNO2遇到还原性较强的NHeq \o\al(＋,4)会被还原为N2，在废液中加入下列物质不能使NaNO2无害化排放的是________(填字母)。a.H2O2 b.NH4Cl c.KNO3答案　(1)豆科作物的根瘤菌 N2＋3H2eq \o(,\s\up7(高温、高压),\s\do5(催化剂))2NH3 (2)N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NO　(3)acB组　综合强化练1.(2018·北京昌平区高一期末)氮是动植物生长不可缺少的元素，含氮化合物也是重要的化工原料。自然界中存在如图所示的氮元素的循环过程，下列说法不正确的是(　　)A.过程①“雷电作用”中发生的反应是N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NOB.过程③“固氮作用”中，氮气被还原C.⑤中涉及的反应可能有2NOeq \o\al(－,2)＋O2===2NOeq \o\al(－,3)D.⑥中涉及的反应可能有2NOeq \o\al(－,3)＋12H＋===N2↑＋6H2O答案　D解析　过程①“雷电作用”中氮气与氧气化合生成NO，即发生的反应是N2＋O2eq \o(=====,\s\up7(放电))2NO，A正确；过程③“固氮作用”中氮元素化合价降低，氮气被还原，B正确；⑤中NOeq \o\al(－,2)被氧化为NOeq \o\al(－,3)，涉及的反应可能有2NOeq \o\al(－,2)＋O2===2NOeq \o\al(－,3)，C正确；⑥中氮元素化合价降低，NOeq \o\al(－,3)被还原，涉及的反应不可能为2NOeq \o\al(－,3)＋12H＋===N2↑＋6H2O，因为此反应中只有元素化合价降低，没有元素化合价升高，且电荷不守恒，故D错误。2.(2019·天水一中期末)已知某厂排放的尾气中NO、NO2的体积比为1∶1，该厂采用NaOH溶液来处理该尾气，处理后所得溶液中只有一种含氮的钠盐。则该含氮的钠盐中，氮元素的化合价为(　　)A.－3 B.＋1 C.＋3 D.＋5答案　C解析　体积比为1∶1的NO、NO2通入NaOH溶液中只生成一种产物，反应后的化合价应介于＋2价和＋4价之间，应为＋3价，发生反应的化学方程式为NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O。3.将盛有N2和NO2混合气体的试管倒立于水中，经过足够长的时间后，试管内气体的体积缩小为原来的一半，则原混合气体中N2和NO2的体积比是(　　)A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.3∶1答案　C解析　设原混合气体的体积为V，NO2的体积为x，根据差量法求解：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　　ΔV减3 1 2x eq \f(V,2)解得：x＝eq \f(3V,4)，V(N2)＝V－eq \f(3V,4)＝eq \f(V,4)，故eq \f(VN2,VNO2)＝eq \f(1,3)。4.(2018·贵阳市清华中学期中)发射卫星的运载火箭，其推进剂引燃后发生剧烈反应，产生大量的高温气体从火箭尾部喷出。引燃后产生的高温气体主要是CO2、H2O、N2、NO，这些气体均无色，但在卫星发射现场却看到火箭喷出大量红烟。产生红烟的原因是(　　)A.高温下N2遇空气生成NO2B.NO遇空气生成NO2C.CO2与NO反应生成CO与NO2D.NO和H2O反应生成H2和NO2答案　B解析　NO在空气中能被氧气氧化为NO2，NO2是红棕色气体。5.科学的假设与猜想是科学探究的先导和价值所在。在下列假设或猜想引导下的探究肯定没有意义的是(　　)A.探究SO2和Na2O2反应可能有Na2SO4生成B.探究NO和N2O可能化合生成NO2C.探究NO2可能被NaOH溶液完全吸收生成NaNO2和NaNO3D.探究向滴有酚酞溶液的NaOH溶液中通入Cl2，酚酞红色褪去的原因是溶液的酸碱性改变还是HClO的漂白作用答案　B解析　NO和N2O反应不可能生成NO2，因为氮元素的化合价均升高，没有元素化合价的降低。6.(2019·济南一中期末)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)用氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物，发生反应的化学方程式为NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O，在该反应中，氧化剂是________，还原剂是______。(2)在一定条件下氨气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：_____________，反应中氧化剂是________，还原剂是________。答案　(1)NO2　NO(2)6NO2＋8NH3eq \o(=====,\s\up7(一定条件))7N2＋12H2O　NO2　NH3解析　(1)NO2中氮元素的化合价降低，NO2作氧化剂，NO中氮元素的化合价升高，NO作还原剂。(2)氨气和二氧化氮反应后生成的无污染的物质是氮气和水。7.为了有效实现NO和NO2的相互转化，设计如下实验：按图组装好实验装置，并检查装置气密性，实验前用排水法收集半瓶NO气体。(1)打开止水夹，推动针筒活塞，使氧气进入烧瓶。关上止水夹，首先观察到烧瓶中的现象是________________，产生此现象的化学方程式为_________________________________。(2)轻轻摇动烧瓶，观察到烧瓶中的现象为①________________；②________________。产生此现象的化学方程式为_______________________________________________________。答案　(1)气体由无色变为红棕色　2NO＋O2===2NO2(2)①烧瓶中红棕色气体又变为无色　②烧杯中的水倒吸入烧瓶中　3NO2＋H2O===2HNO3＋NO解析　(1)无色的NO能与O2反应产生红棕色的NO2。(2)轻轻摇动烧瓶，使得NO2与水发生反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，所以烧瓶中红棕色气体又变为无色，因为烧瓶内气体的量减少，引起烧瓶内气体的压强减小，所以烧杯内的水会倒吸入烧瓶中，使烧瓶中液面上升。氮的氧化物N2O(笑气)NON2O3NO2N2O4N2O5氮元素化合价＋1＋2＋3＋4＋4＋5氮氧化物NONO2色、味、态无色无味气体红棕色、有刺激性气味气体溶解性不溶于水易溶于水且与水反应氧化物类别非酸性氧化物(不成盐氧化物)非酸性氧化物(不成盐氧化物)氧化性或还原性具有氧化性、还原性，主要表现强还原性具有氧化性、还原性，主要表现强氧化性，能氧化SO2、KI等物质毒性有毒(易结合血红蛋白使人中毒)有毒(刺激腐蚀呼吸道黏膜)相互转化NOeq \o(,\s\up7(O2),\s\do5(H2O))NO2