5.2.1氮氣和氮的氧化物-高一化學講與練（人教版2019）

第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第二節(jié)氮及其化合物第1課時氮氣和氮的氧化物[學習目標]1.能從分子結(jié)構(gòu)的角度認識氮氣的化學穩(wěn)定性，熟知氮氣與鎂、氧氣、氫氣的化學反應及其條件，了解氮的固定和自然界中氮的循環(huán)。2.能從物質(zhì)類別和氮元素的化合價認識氮氧化物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化。[核心知識梳理]一、氮氣與氮的固定1．氮元素的位置、結(jié)構(gòu)與存在（1）氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族。氮原子的最外電子層有5個電子，既不容易得到3個電子，也不容易失去5個電子。因此，氮原子一般通過共用電子對與其他原子相互結(jié)合構(gòu)成物質(zhì)。（2）氮元素在自然界中主要以氮分子的形式存在于空氣中，部分氮元素存在于動植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)中，還有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸鹽和銨鹽中。2．氮氣的物理性質(zhì)N2是一種無色、無味的氣體，ρ(N2)＜ρ(空氣)，難溶于水。3．氮氣的結(jié)構(gòu)與化學性質(zhì)（1）N2的結(jié)構(gòu)：N2的結(jié)構(gòu)式為N≡N，氮氮鍵很難斷裂，化學性質(zhì)很穩(wěn)定。（2）化學性質(zhì)N2在高溫、放電等條件下，N2獲得足夠的能量，使N≡N斷裂。寫出N2與Mg、H2、O2反應的化學方程式。①3Mg＋N2eq\o(=,\s\up9(點燃))Mg3N2；②N2＋3H2eq\o(,\s\up10(高溫、高壓),\s\do4(催化劑))2NH3；③N2＋O2eq\o(=,\s\up9(高溫或放電))2NO。4．氮的固定：將大氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為氮的化合物的過程。（1）自然固氮：大自然通過閃電釋放的能量將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為含氮的化合物，或者通過豆科植物的根瘤菌將氮氣轉(zhuǎn)化成氨。（2）人工固氮：人類通過控制條件，將氮氣氧化或還原為氮的化合物，最重要的人工固氮途徑就是工業(yè)合成氨。二、一氧化氮與二氧化氮1．一氧化氮是無色、不溶于水的有毒氣體，常溫下很容易與氧氣化合，化學方程式為2NO＋O2=2NO2。2．二氧化氮是紅棕色、有刺激性氣味的有毒氣體，易液化，易溶于水，與水反應的化學方程式為3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，工業(yè)上利用這一原理生產(chǎn)硝酸?！局R拓展】(1)實驗室里收集NO氣體是用排水集氣法而不能用排空氣法。(2)檢驗NO氣體的方法是向氣體中通入O2(或空氣)，氣體由無色變?yōu)榧t棕色。(3)氮的氧化物都是大氣污染物，NO2是造成光化學煙霧的主要物質(zhì)，實驗中產(chǎn)生的NO2尾氣可用NaOH溶液吸收，發(fā)生反應：2NaOH＋2NO2=NaNO2＋NaNO3＋H2O。(4)氮的氧化物中屬于酸性氧化物的只有N2O3、N2O5；N2O、NO、NO2、N2O4都是不成鹽氧化物，不是酸性氧化物。(5)NO2和N2O4是兩種不同的氧化物，通常情況下，NO2能進行自身二聚：2NO2(紅棕色)N2O4(無色)，故NO2中總混有N2O4。三、氮的氧化物與水反應的計算規(guī)律1．NO2單獨溶于水(按反應3NO2＋H2O=2HNO3＋NO計算)剩余氣體是NO，V(NO)＝eq\f(1,3)V(NO2)。2．NO2與O2的混合氣體溶于水(按反應4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3計算)eq\f(VNO2,VO2)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(<4∶1O2過量，剩余O2，,V余＝VO2－\f(1,4)VNO2,＝4∶1恰好完全反應，無剩余氣體,>4∶1NO2過量，剩余NO，V余＝,\f(1,3)[VNO2－4VO2]))3．NO與O2的混合氣體溶于水(按反應4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3計算)eq\f(VNO,VO2)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(<\f(4,3)O2過量，剩余O2，,V余＝VO2－\f(3,4)VNO,＝\f(4,3)恰好完全反應，無剩余氣體,>\f(4,3)NO過量，剩余NO，,V余＝VNO－\f(4,3)VO2))[典例分析][典例1]下列關于氮元素說法中，不正確的是A．工業(yè)上氫氣和氮氣合成氨屬于人工固氮B．非金屬單質(zhì)氮氣在化學反應中只能作氧化劑C．氮元素在自然界有游離態(tài)和化合態(tài)D．閃電時，大氣中氮的氧化物的生成屬于氮的固定【答案】B【詳解】A．氮的固定是指游離態(tài)氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮的過程，工業(yè)上氫氣和氮氣合成氨屬于人工固氮，選項A正確；B．非金屬單質(zhì)氮氣在化學反應中能作氧化劑，也能作還原劑，如氮氣與氧氣反應中，氮氣作還原劑，選項B錯誤；C．氮元素在自然界有游離態(tài)(氮氣)和化合態(tài)(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等)，選項C正確；D．閃電時，大氣中氮氣轉(zhuǎn)化為氮的氧化物屬于氮的固定，選項D正確；答案選B。[典例2]下列對NO和NO2的描述正確的是A．NO2與水的反應中，NO2既是氧化劑又是還原劑B．NO是無色氣體，可用向上排空氣法收集C．NO2可由N2和O2直接化合得到D．從元素化合價角度看，NO只有還原性【答案】A【詳解】A．與水發(fā)生反應：，氮元素由+4價變?yōu)?5價和+2價，則既是氧化劑又是還原劑，A項正確；B．NO易與反應生成，不能用排空氣法收集，只能采用排水法收集NO，B項錯誤；C．和在高溫或放電條件下反應生成NO，不能直接得到，C項錯誤；D．NO中氮元素顯+2價，處于中間價態(tài)，則NO既有氧化性又有還原性，D項錯誤；故選A。[典例3]下圖是自然界中的氮循環(huán)過程，下列有關敘述錯誤的是A．反應①、②及工業(yè)合成氨均屬于氮的固定B．反應③的反應方程式為C．反應④中，生成，至少需要提供D．過程中參與循環(huán)的元素有氮元素，還有氫和氧元素【答案】C【詳解】A．氮的固定是游離態(tài)氮元素轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮元素的過程，反應①、②及工業(yè)合成氨都是游離態(tài)氮元素轉(zhuǎn)化為化合態(tài)氮元素的過程，均屬于氮的固定，故A正確；B．由圖可知，反應③為一氧化氮與氧氣和水反應生成硝酸，反應的化學方程式為，故B正確；C．由圖可知，反應④為在硝化細菌作用下氨氣與氧氣反應生成硝酸根離子的反應，由得失電子數(shù)目守恒可知，生成1mol硝酸根離子需要提供氧氣的物質(zhì)的量為1mol×2=2mol，故C錯誤；D．由圖可知，自然界中的氮循環(huán)過程中參與循環(huán)的元素有氮元素，還有氫和氧元素，故D正確；故選C。[典例4]某化學研究小組設計利用硝酸工業(yè)尾氣(只含NO、NO2)制備亞硝酸鈉(NaNO2)的工藝流程如下。已知：。下列說法錯誤的是A．NO2為非電解質(zhì)B．用硝酸尾氣制備的NaNO2中可能含有NaNO3C．尾氣中NO2的含量越高，NaNO2的純度越高D．標準狀態(tài)下，aL的硝酸尾氣用NaOH溶液完全吸收，至少消耗a/22.4molNaOH【答案】C【詳解】A．NO2在水溶液中不能因自身發(fā)生電離而導電，因此屬于非電解質(zhì)，A項正確；B．根據(jù)已知反應方程式，若過量，和NaOH溶液反應生成、和，則中可能含有，B項正確；C．根據(jù)B項分析，尾氣中的含量升高，會生成更多的，的純度會降低，C項錯誤；D．若標準狀態(tài)下硝酸為氣態(tài)，aL的硝酸尾氣的物質(zhì)的量為，則用NaOH溶液完全吸收，消耗NaOH，但標準狀態(tài)下硝酸為液態(tài)，aL硝酸的物質(zhì)的量大于，所以消耗NaOH的物質(zhì)的量至少為，D項正確；故選C。[典例5]有一倒置于水槽且裝滿水的容器，向其中依次通入一定體積的NO2、NO和O2，充分反應后，若容器中仍充滿溶液，則通入的NO2、NO和O2的體積比可能是A．1∶1∶2 B．4∶3∶2C．4∶16∶13 D．4∶3∶4【答案】C【分析】反應后容器中仍充滿溶液，說明沒有氣體剩余，根據(jù)反應：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3、4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3進行判斷?！驹斀狻緼．若NO2為1體積，NO為1體積，則消耗=1體積O2，故NO2、NO和O2的體積比為1∶1∶1，A項不符合題意；B．若NO2為4體積，NO為3體積，則消耗體積O2，故NO2、NO和O2的體積比為4∶3∶，B項不符合題意；C．若NO2為4體積，NO為16體積，則消耗=13體積O2，故NO2、NO和O2的體積比為4∶16∶13，C項符合題意；D．若NO2為4體積，NO為3體積，則消耗=體積O2，故NO2、NO和O2的體積比為4∶3∶，D項不符合題意；故選C。[同步練習]一、單選題1．下列變化過程屬于氮的固定的是A．由NH3制碳酸氫銨B．生物從土壤中吸收含氮養(yǎng)料C．將含氮化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锏鞍踪|(zhì)D．雷電時，空氣中的N2與O2反應生成NO【答案】D【詳解】A．由NH3制碳酸氫銨，是氮的化合態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，不屬于氮的固定，故A錯誤；B．生物從土壤中吸收含氮養(yǎng)料，是氮的化合態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，不屬于氮的固定，故B錯誤；C．將含氮化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锏鞍踪|(zhì)，是氮的化合態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，不屬于氮的固定，故C錯誤；D．雷雨閃電時空氣中的N2與O2化合生成NO，是將游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氮的過程，屬于氮的固定，故D正確；故選D。2．下列關于NO2的說法中，正確的是A．常溫常壓下為無色氣體B．NO可與O2反應生成NO2C．密度比空氣小D．能用排水法收集【答案】B【詳解】常溫常壓下NO2為紅棕色氣體，密度比空氣大，易溶于水，不能用排水法收集，排除A、C、D；NO可與O2反應生成NO2，B正確。故選B。3．下列關于氮及其化合物說法錯誤的是A．NO為無色氣體，為紅棕色氣體B．工業(yè)上，氮氣常用作焊接金屬的保護氣C．該轉(zhuǎn)化過程通過一步反應就能完成，且必須加入還原劑D．氮氧化物()不僅會形成酸雨，還可能形成光化學煙霧【答案】C【詳解】A．NO為無色氣體，為紅棕色氣體，故A正確；B．氮氣性質(zhì)穩(wěn)定，故可做焊接金屬的保護氣，故B正確；C．NO2和水反應生成NO，方程式為，此反應中NO2既作氧化劑又做還原劑，故C錯誤；D．氮氧化物()不僅會形成酸雨，還可能形成光化學煙霧，故D正確；故選C。4．下列關于N2的說法中錯誤的是A．豆科植物的根瘤菌將N2轉(zhuǎn)換為氮的化合物不屬于氮的固定B．N2+O2=2NO，該反應是汽車尾氣造成污染的主要原因之一C．N2在空氣中約占空氣總體積的78%D．在反應：3Mg+N2=Mg3N2中N2作氧化劑【答案】A【詳解】A．豆科植物的根瘤菌將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氮，N是游離態(tài)氮元素變化為化合態(tài)，A錯誤；B．汽車中的火花塞在打火過程中能引發(fā)氮氣和氧氣反應生成NO，產(chǎn)生的NO會導致空氣污染，B正確；C．氧氣約占空氣體積的21%，氮氣約占空氣體積的78%，C正確；D．在反應：3Mg+N2=Mg3N2中，氮由0價變?yōu)?價，氮氣是氧化劑，D正確；故選A。5．下圖是氮元素的轉(zhuǎn)化示意圖：下列說法錯誤的是A．反應①是自然界中的氮的固定B．反應②的現(xiàn)象是氣體由無色變紅棕色C．反應③中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比是1∶2D．X的濃溶液與鐵不能發(fā)生反應【答案】D【詳解】A．反應①是氮氣和氧氣在放電條件下生成NO，屬于自然界中的氮的固定，故A正確；B．NO是無色氣體、NO2是紅棕色氣體，反應②的現(xiàn)象是氣體由無色變紅棕色，故B正確；C．反應③的方程式為H2O+3NO2=2HNO3+NO，NO2中N元素化合價由+4升高為+5、由+4降低為+2，NO2既是氧化劑又是還原劑，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比是1：2，故C正確；D．硝酸與鐵發(fā)生鈍化反應，鈍化是化學變化，故D錯誤；故選D。6．氮氧化物是很重要的一類化合物，在生產(chǎn)生活中有重要應用，但排放時會對環(huán)境產(chǎn)生危害。下列有關氮氧化物的描述中錯誤的是A．可利用反應除去汽車尾氣中的氮氧化物B．可與水反應，是酸性氧化物；不溶于水，不是酸性氧化物C．的排放會形成硝酸型酸雨，對環(huán)境產(chǎn)生危害D．將、或液化收集的過程都不屬于氮的固定【答案】B【詳解】A．CO和氮氧化物在催化劑作用下生成無污染的二氧化碳和氮氣，可利用反應除去汽車尾氣中的氮氧化物，故A正確；B．可與水反應生成硝酸和NO，不是酸性氧化物，故B錯誤；C．的排放會形成硝酸型酸雨，對環(huán)境產(chǎn)生危害，故C正確；D．氮的固定是N元素由游離態(tài)轉(zhuǎn)化為化合態(tài)，將、或液化收集的過程都不屬于氦的固定，故D正確；選B。7．下列關于氮及其化合物的說法正確的是A．化學性質(zhì)穩(wěn)定，可用作保護氣B．、均為大氣污染氣體，在大氣中可穩(wěn)定存在C．、均無色氣體D．、均能與水發(fā)生反應【答案】A【詳解】A．化學性質(zhì)穩(wěn)定，難與其他物質(zhì)反應，可用作保護氣，故A正確；B．能與氧氣反應生成NO2，NO不能在大氣中可穩(wěn)定存在，故B錯誤；C．是紅棕色氣體，故C錯誤；D．和水不反應，與水發(fā)生反應生成硝酸和NO，故D錯誤；選A。8．在標準狀況下，將O2與NO按3∶4的體積比充滿一個干燥燒瓶倒置于水中，瓶內(nèi)液面逐漸上升后，最后燒瓶內(nèi)溶液的物質(zhì)的量濃度最接近于A．0.045mol/L B．0.036mol/L C．0.026mol/L D．0.02mol/L【答案】C【詳解】設O2為3V，NO為4V，根據(jù)2NO+O2=2NO2，燒瓶內(nèi)實際存在的是4VNO2和1VO2與水作用，反應為：4NO2+O2+2H2O=4HNO3，恰好完全反應，無氣體剩余，由N元素守恒可知，n(HNO3)=，c(HNO3)=；故選C。9．下列有關氮氣的說法正確的是A．氮氣是由氮原子構(gòu)成的雙原子分子，所以化學性質(zhì)不活潑B．醫(yī)學上常用液氮作冷凍劑，在冷凍麻醉條件下做手術(shù)，是利用氮氣化學性質(zhì)的不活潑性C．H2與N2在一定條件下反應生成NH3，反應中H2體現(xiàn)還原性D．電閃雷鳴的雨天，雨水中會含有一定量的硝酸，其中可能發(fā)生的反應有N2+2O22NO2【答案】C【詳解】A．氮氣性質(zhì)穩(wěn)定的原因是兩個氮原子之間的作用力比較強，破壞這種作用力時需要很高的能量，A錯誤；B．液氮汽化時需要吸收大量的能量，使周圍環(huán)境溫度降低，與其化學性質(zhì)的不活潑性無關，B錯誤；C．反應的化學方程式為，反應中氫元素化合價升高，氫氣作還原劑，C正確；D．N2和O2在放電條件下生成NO，不能直接生成NO2，D錯誤；故選C10．將盛有NO2和N2混合氣體的試管倒立于水中，經(jīng)過足夠長的時間后，試管內(nèi)氣體體積縮小為原體積的一半，原混合氣體中N2與NO2的體積比為A．1：1 B．1：2 C．1：3 D．3：1【答案】C【詳解】設原混合氣體中含有xmolN2，ymolNO2，盛有N2和NO2的混合氣體的試管倒立于水中發(fā)生反應3NO2+H2O=2HNO3+NO，則有，反應后試管內(nèi)氣體物質(zhì)的量為mol，則有(x+y)=2，解得x：y=1：3，故答案選C。11．在NO2與水的反應中，下列說法錯誤的是A．H2O中各元素的化合價不發(fā)生變化B．反應生成的氣體在空氣中能穩(wěn)定存在C．3molNO2完全反應轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2molD．NO2既是氧化劑，又是還原劑【答案】B【分析】NO2與水反應的化學方程式為3NO2+H2O=2HNO3+NO，據(jù)此分析解答。【詳解】A．H2O中H、O元素的化合價反應前后沒有發(fā)生變化，A正確；B．反應生成的NO立即會和空氣中的氧氣反應生成NO2，因而不能穩(wěn)定存在，B錯誤；C．3molNO2完全反應轉(zhuǎn)移2mol電子，C正確；D．NO2中+4價N元素，部分化合價升高到+5價，部分降低到+2價，則NO2既是氧化劑，又是還原劑，D正確；故選B。12．NO分子會污染空氣。近年來，科學家發(fā)現(xiàn)少量的NO在生物體內(nèi)許多組織中存在，它有擴張血管、提高免疫、增強記憶力的功能，而成為當前生命科學的研究熱點。下列關于一氧化氮的敘述正確的是A．一氧化氮是酸性氧化物，會形成酸雨B．常溫、常壓下，一氧化氮只能通過人工合成C．一氧化氮為無色氣體，在與O2反應中體現(xiàn)還原性D．一氧化氮易溶于水，不能用排水法收集【答案】C【詳解】A．能和堿反應生成鹽和水的氧化物是酸性氧化物，一氧化氮和堿不反應，所以是不成鹽氧化物，A錯誤；B．電閃雷鳴的雨天，N2和O2在放電條件下生成NO，N2+O22NO，B錯誤；C．一氧化氮是一種無色氣體，具有還原性能被氧氣等氧化劑氧化，氧化后產(chǎn)生二氧化氮，C正確；D．一氧化氮是一種無色、難溶于水的氣體，在空氣中易被氧化成紅棕色的二氧化氮，故一氧化氮能用排水法收集，不能用排空氣法收集，D錯誤；故選C。13．用NaOH溶液吸收處理氮氧化物，主要反應為：、，下列說法正確的是A．NO和均屬于電解質(zhì)B．和既有氧化性又有還原性C．和中N的化合價相同D．時，NO和能被NaOH溶液完全吸收【答案】B【詳解】A．NO、自身不能電離，均屬于非電解質(zhì)，故A錯誤；B．S元素的最高價為+6、最低價為2，中S元素化合價為+4，S元素化合價既可以升高又可以降低；N元素的最高價為+5、最低價為3，中N元素化合價為+4，N元素化合價既可以升高又可以降低；所以、既有氧化性又有還原性，故B正確；C．中N元素化合價為+3，中N的化合價為+5，故C錯誤；D．根據(jù)、，時，NO不能完全被NaOH溶液吸收，故D錯誤；選B。二、填空題14．氮是大氣中含量最多的一種元素，氮及其化合物在生產(chǎn)、生活中有著重要作用。請回答：(1)下列變化屬于“氮的固定”的是(填字母)。a．植物從土壤中吸收氮肥

b．硝酸和氨氣反應生成氮肥c．將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈幕衔?/p>

d．大豆的根瘤菌將含氮的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锏鞍踪|(zhì)(2)汽車尾氣中的CO、NOx在適宜溫度下采用催化轉(zhuǎn)化法處理，使它們相互反應生成參與大氣循環(huán)的無毒氣體。寫出NO被CO還原的化學方程式：。(3)工業(yè)尾氣中氮的氧化物常采用堿液吸收法處理。①NO2被燒堿溶液吸收時，生成兩種鈉鹽，其物質(zhì)的量之比為1∶1，寫出該反應的化學方程式：。②NO與NO2按物質(zhì)的量之比為1∶1被足量NaOH溶液完全吸收后只得到一種鈉鹽，該鈉鹽的化學式是?！敬鸢浮?1)c(2)2NO+2CO=N2+2CO2(3)2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2ONaNO2【詳解】（1）游離態(tài)氮元素轉(zhuǎn)化為