2025版高一化學必修第二冊（含不定項選擇）第五章 第二節(jié) 第1課時 氮氣及氮的固定 一氧化氮和二氧化氮

第二節(jié)氮及其化合物第1課時氮氣及氮的固定一氧化氮和二氧化氮課標定向目標定位1.能從物質(zhì)類別、氮元素的化合價的角度預測氮及其氧化物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化。(宏觀辨識與微觀探析)2.通過真實情境中的應用實例或通過實驗探究,了解氮及其氧化物的主要性質(zhì),認識這些物質(zhì)在生產(chǎn)中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響。(科學探究與創(chuàng)新意識)厘清重點氮氣、一氧化氮、二氧化氮的化學性質(zhì)突破難點NOx溶于水的計算學習任務一:氮氣與氮的固定必備知識·導學[引入]中國博物館和中南海毛主席故居紀念館采用氮氣保護技術(shù);北京房山云居寺“99石經(jīng)回藏”也是氮氣保護的成功典范。氮氣為什么能用于珍貴文物的保存?1.自然界中氮元素的存在2.氮元素的位置與結(jié)構(gòu)3.氮氣的化學性質(zhì)(1)穩(wěn)定性[思考]為什么氮氣可以作為保護氣?提示:氮氣性質(zhì)穩(wěn)定,常溫下不與物質(zhì)發(fā)生反應,故可作保護氣。(2)發(fā)生化合反應在高溫、放電等條件下,N2獲得足夠的能量,使N≡N斷裂。寫出氮氣與下列物質(zhì)反應的化學方程式:①金屬鎂:N2+3MgMg3N2,氮氣表現(xiàn)氧化性;②氧氣:N2+O22NO,氮氣表現(xiàn)還原性;③氫氣:N2+3H22NH3,氮氣表現(xiàn)氧化性。[思考]鎂條在空氣中燃燒,生成的含鎂化合物有幾種?提示:兩種,分別為Mg3N2、MgO。[注意]鎂條可以在CO2中燃燒,生成MgO和C。4.氮的固定判對錯·通教材判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)氮氣在通常情況下不燃燒,也不支持燃燒,不能供給呼吸。 (√)提示:氮氣分子中氮氮三鍵比較穩(wěn)定,化學性質(zhì)不活潑,氮氣在通常情況下不燃燒,也不支持燃燒,不能供給呼吸。(2)氮元素有負價,正價和零價,因而常溫下,N2既能與氧氣反應,又能與H2反應。 (×)提示:N2在放電條件下才能與O2反應;在高溫高壓、催化劑條件下才能與H2化合生成NH3。(3)固氮反應一定屬于氧化還原反應。 (√)提示:該過程由氮單質(zhì)生成了氮的化合物,一定有元素化合價的變化,固氮反應一定屬于氧化還原反應。(4)閃電時氮氣與氧氣化合生成NO,屬于自然固氮。 (√)提示:閃電時氮氣與氧氣化合生成NO,為自然界中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氮的過程,屬于自然固氮。核心要點·歸納1.N2的性質(zhì)與氮的固定2.氮氣性質(zhì)的易錯點(1)氮的固定必須是將游離態(tài)的N2轉(zhuǎn)化為化合態(tài)含氮物質(zhì)的過程,屬于氧化還原反應。(2)氮氣性質(zhì)的“一惰性、兩反應”。氮氣化學性質(zhì)很穩(wěn)定,通常狀況下,很難與其他物質(zhì)反應,但是在一定條件下,也能與氫氣、氧氣等反應。(3)氮元素是多價態(tài)元素,氮氣中氮元素呈0價,處于中間價態(tài),故氮氣既有氧化性(與H2等反應),又有還原性(與O2等反應)。學力診斷·測評1.下列關(guān)于氮氣性質(zhì)的說法正確的是 ()A.點燃條件下,N2在氧氣中燃燒生成NOB.點燃時,N2與金屬Mg反應生成Mg3N2,N2作還原劑C.合成氨反應中,N2發(fā)生氧化反應D.氮氣的化學性質(zhì)穩(wěn)定,其原因是兩個氮原子之間以共價三鍵結(jié)合【解析】選D。氮氣在放電或高溫條件下與氧氣反應生成一氧化氮,A錯誤;點燃時,N2與金屬Mg反應生成Mg3N2,N2得電子,化合價降低作氧化劑,B錯誤;合成氨反應中,N2得電子化合價降低發(fā)生還原反應,C錯誤;氮氣的化學性質(zhì)穩(wěn)定,其原因是兩個氮原子之間以共價三鍵結(jié)合,鍵能大,不易斷裂,D正確。2.(2024·濟南高一檢測)將空氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化成含氮化合物叫做氮的固定,包括自然固氮和人工固氮。下列關(guān)于氮的轉(zhuǎn)化過程,屬于人工固氮的是 ()A.用N2和H2合成氨B.閃電時空氣中N2轉(zhuǎn)化為NOC.用NH3和CO2合成尿素D.豆科植物的根瘤菌固氮【解析】選A。A.工業(yè)合成氨是N2與H2在一定條件下反應生成NH3,屬于人工固氮,A正確;B.閃電時空氣中N2轉(zhuǎn)化為NO,屬于自然固氮不是人工固氮,B錯誤;C.用NH3和CO2合成尿素,不屬于氮的固定,C錯誤;D.豆科植物的根瘤菌將N2轉(zhuǎn)化為含氮化合物,屬于自然固氮,D錯誤?！狙a償訓練】1.(2024·合肥高一檢測)氮元素是地球大氣中含量豐富的元素,是形成人體蛋白質(zhì)的基礎。下列關(guān)于氮的循環(huán),敘述錯誤的是 ()A.氮氣轉(zhuǎn)化為氮的化合物的過程叫氮的固定B.氮的固定可以通過自然固氮和人工固氮的方式實現(xiàn)C.人類的生產(chǎn)活動參與了氮的循環(huán)過程D.氮的循環(huán)過程中只有氮元素被氧化的過程【解析】選D。氮氣轉(zhuǎn)化為氮的化合物的過程即游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氮叫氮的固定,故A正確;氮的固定可以通過自然固氮和人工固氮的方式實現(xiàn),故B正確;人類的生產(chǎn)活動參與了氮的循環(huán)過程,如人工合成氨,氮肥的使用等,故C正確;氮的循環(huán)過程中可以是氮元素被氧化,也可以是氮元素被還原,故D錯誤。2.我國科學家研制出全氮陰離子鹽,其能量巨大,爆炸產(chǎn)物只有N2。氮氣能大量存在于空氣中的根本原因是 ()A.氮氣性質(zhì)穩(wěn)定,即使在高溫下也不與其他物質(zhì)發(fā)生反應B.氮氣比空氣輕且不溶于水C.氮氣分子中兩個氮原子結(jié)合很牢固,分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定D.氮氣既無氧化性,也無還原性,不與其他物質(zhì)反應【解析】選C。N2性質(zhì)穩(wěn)定,但在高溫下可與O2等物質(zhì)發(fā)生反應,在反應中表現(xiàn)出氧化性或還原性;氮氣比空氣輕且不溶于水并不是N2能大量存在于空氣中的根本原因;N2能大量存在于空氣中的根本原因是氮氣分子中兩個氮原子結(jié)合很牢固,分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。學習任務二:一氧化氮和二氧化氮必備知識·導學1.一氧化氮和二氧化氮的物理性質(zhì)物質(zhì)顏色、狀態(tài)氣味毒性水溶性NO無色氣體無味有毒不溶于水NO2紅棕色氣體有刺激性氣味有毒易溶于水2.一氧化氮、二氧化氮的化學性質(zhì)(1)實驗探究實驗裝置實驗操作在如圖所示注射器里充入20mLNO,然后吸入5mL水,用乳膠管和彈簧夾封住管口,振蕩注射器打開彈簧夾,快速吸入10mL空氣后夾上彈簧夾振蕩注射器實驗現(xiàn)象①②③(2)實驗現(xiàn)象①無明顯現(xiàn)象②無色氣體變?yōu)榧t棕色③紅棕色氣體逐漸變?yōu)闊o色,注射器活塞向左移動(3)實驗結(jié)論及解釋①NO不溶于水,也不與水反應。②NO能與空氣中的氧氣反應生成紅棕色的NO2,化學方程式:2NO+O2===2NO2。③NO2能與水反應生成無色的NO,化學方程式:3NO2+H2O===2HNO3+NO。[思考]上述實驗對工業(yè)上利用NO2與H2O反應生產(chǎn)HNO3有什么啟示?提示:為了NO2完全轉(zhuǎn)化為HNO3,可充入適量空氣或增大O2的量。判對錯·通教材判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)NO不溶于水,所以可用排水法收集。 (√)提示:NO不溶于水,可以用排水法收集。(2)NO是一種有刺激性氣味的紅棕色氣體。 (×)提示:NO是一種無味難溶于水的無色氣體。(3)N2與O2在放電條件下直接化合成NO2。 (×)提示:N2與O2在放電條件下直接化合成NO,不能生成NO2。(4)NO2易溶于水生成HNO3,故NO2是酸性氧化物。 (×)提示:NO2與堿溶液發(fā)生氧化還原反應生成兩種鹽,不屬于酸性氧化物。(5)瓶中盛滿水,從b口進氣,用排水法收集NO2。 (×)提示:用排水法收集NO2,發(fā)生反應:3NO2+H2O===2HNO3+NO,最終得到的是NO。(6)NO2溶于水時,NO2是氧化劑,水是還原劑。 (×)提示:二氧化氮與水反應生成硝酸和一氧化氮,反應中二氧化氮中部分氮化合價升高,部分化合價降低,二氧化氮既是氧化劑又是還原劑,水中元素化合價未發(fā)生變化。核心要點·歸納1.NO和NO2性質(zhì)比較氮氧化物NONO2色、味、態(tài)無色無味的氣體紅棕色、有刺激性氣味的氣體溶解性不溶于水易溶于水且與水反應氧化物類別非酸性氧化物非酸性氧化物氧化性或還原性具有氧化性、還原性,主要表現(xiàn)強還原性具有氧化性、還原性,主要表現(xiàn)強氧化性,能氧化SO2、KI等物質(zhì)毒性有毒(易結(jié)合血紅蛋白使人中毒)有毒(刺激腐蝕呼吸道黏膜)相互轉(zhuǎn)化NONO22.NO和NO2的收集方法(1)NO易與O2反應、不溶于水、不與水反應,因此收集NO用排水法,不可用排空氣法。(2)NO2易與水反應,但很難被O2氧化,因此收集NO2用向上排空氣法,不可用排水法。微點撥·拓教材1.正確理解NO和NO2所屬物質(zhì)的類別NO和NO2都不是酸性氧化物,NO與堿、酸都不能反應生成鹽和水,屬于不成鹽氧化物;NO2與堿溶液發(fā)生氧化還原反應生成兩種鹽,也不屬于酸性氧化物。2.含NO和NO2的尾氣處理(1)NO與酸、堿都不反應,進行尾氣處理時一般用充袋法,或通入氧氣的同時用堿液吸收。(2)NO2與堿溶液能直接反應,可用堿液直接吸收:2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O。(3)NO和NO2按物質(zhì)的量之比1∶1混合,可用堿液直接吸收:NO+NO2+2NaOH===2NaNO2+H2O學力診斷·測評1.最新的病毒學研究證實,一氧化氮對某些病毒有直接抑制作用。下列關(guān)于一氧化氮的敘述正確的是 ()A.一氧化氮是一種紅棕色氣體B.常溫常壓下,一氧化氮不能與空氣中的氧氣直接化合C.一氧化氮可由氮氣和氧氣在放電條件下直接化合得到D.一氧化氮易溶于水,不能用排水法收集【解析】選C。NO是一種無色不溶于水的氣體,可以用排水法收集;常溫常壓下,NO容易與氧氣直接化合生成NO2。2.NO2在火箭燃料中作氧化劑,下列有關(guān)二氧化氮的說法正確的是 ()A.NO2為紅棕色且有刺激性氣味的氣體B.NO2屬于酸性氧化物C.NO2經(jīng)轉(zhuǎn)化被植物吸收,屬于氮的固定D.常溫下空氣中N2與O2可以化合成NO2【解析】選A。NO2為紅棕色且有刺激性氣味的氣體,A正確;NO2與氫氧化鈉溶液反應生成硝酸鈉、亞硝酸鈉和水,故不屬于酸性氧化物,B錯誤;氮的固定是指N2轉(zhuǎn)化為氮的化合物,C錯誤;常溫下空氣中N2與O2不反應,D錯誤。3.(2024·淄博高一檢測)下列關(guān)于NO和NO2的說法正確的是 ()A.NO2能與水反應生成硝酸,故NO2是酸性氧化物B.除去NO2中混有的NO,可將混合氣通入水中C.NO與NO2互為同素異形體D.3NO2+H2O===2HNO3+NO中氧化劑與還原劑物質(zhì)的量之比為1∶2【解析】選D。A.NO2能與水反應生成硝酸和NO,所以NO2不是酸性氧化物,故A錯誤;B.NO2能與水反應生成硝酸和NO,NO和水不反應,混合氣通入水中不能除去NO2中混有的NO,故B錯誤;C.同素異形體是同種元素組成的不同單質(zhì),NO與NO2是氮元素的兩種氧化物,不是同素異形體,故C錯誤;D.3NO2+H2O===2HNO3+NO中降價的N原子與升價的N原子的個數(shù)比為1∶2,所以氧化劑與還原劑物質(zhì)的量之比為1∶2,故D正確。學習任務三:氮的氧化物與氧氣、水的反應必備知識·探究[情境]硝酸是無機強酸之一,也是一種重要的化工原料,我國已經(jīng)成為全球硝酸的重要供應國之一。工業(yè)生產(chǎn)硝酸時,由于NO2與H2O反應會生成HNO3和NO,NO又可與O2反應生成NO2,因此通入適量的氧氣可使NO或NO2恰好完全溶于水。(1)試根據(jù)反應:①3NO2+H2O===2HNO3+NO②2NO+O2===2NO2推出NO2與O2的混合氣體、NO與O2的混合氣體被水完全吸收轉(zhuǎn)化為HNO3的化學方程式。提示:①×2+②得:4NO2+O2+2H2O===4HNO3;①×2+②×3得:4NO+3O2+2H2O===4HNO3。(2)將一支充有12mLNO2氣體的試管倒置于水槽中,充分反應。①下列圖示正確的是哪一個?提示:CNO2溶于水發(fā)生反應:3NO2+H2O===2HNO3+NO,12mLNO2參與反應,生成的NO為4mL,生成NO的體積占試管體積的13②若水不能充滿試管,需再向試管中緩緩充入O2,請敘述現(xiàn)象。最終充入多少毫升氧氣才能使水全部充滿?提示:向試管中緩緩充入O2,發(fā)生反應2NO+O2===2NO2,故氣體顏色由無色變?yōu)榧t棕色,然后發(fā)生反應3NO2+H2O===2HNO3+NO,故液面逐漸上升,將①和②兩式聯(lián)立得4NO+3O2+2H2O===4HNO3,要使水全部充滿試管,需充入3mL氧氣。核心要點·歸納氮的氧化物溶于水的計算1.原理解答氮的氧化物溶于水的計算問題首先應明確原理,無論是單一氣體(NO2),還是NO、NO2、O2中的兩者或三者的混合氣體,反應的實質(zhì)是3NO2+H2O===2HNO3+NO,2NO+O2===2NO2,故若有氣體剩余只能是NO或O2,不能是NO2。2.方法——加合式法①NO2和O2混合氣體溶于水的計算由4NO2+O2+2H2O===4HNO3可知:V(NO2)∶V(O2)<4∶1②NO與O2同時通入水中2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO總的化學方程式為4NO+3O2+2H2O===4HNO3可知:V(NO)∶V(O2)<4∶3③NO2、NO、O2三種混合氣體通入水中:a.可先將NO和O2轉(zhuǎn)化為NO2,再按①處理。b.也可先將NO2和H2O反應轉(zhuǎn)化為NO,再按②處理。學力診斷·測評1.(雙選)(2024·濟寧高一檢測)如圖所示,試管中盛裝的是紅棕色氣體(可能是混合物),當?shù)箍墼谑⒂兴乃壑袝r,試管內(nèi)水面上升,但不能充滿試管,當向試管內(nèi)鼓入氧氣后,可以觀察到試管中水柱繼續(xù)上升,經(jīng)過多次重復后,試管內(nèi)完全被水充滿。原來試管中盛裝的 ()A.可能是N2與NO2的混合氣體B.可能是O2與NO2的混合氣體C.可能是NO與NO2的混合氣體D.只能是NO2一種氣體【解析】選B、C。若是N2與NO2的混合氣體,無論鼓入多少氧氣,最后都有N2剩余,試管內(nèi)不可能完全被水充滿;若是O2與NO2的混合氣體,由4NO2+O2+2H2O===4HNO3,水可以充滿試管;若是NO與NO2的混合氣體通入適量O2,水可以充滿試管。[方法導引]根據(jù)反應4NO2+O2+2H2O===4HNO3、4NO+3O2+2H2O===4HNO3可得,NO2和O2的物質(zhì)的量之比為4∶1時可以完全溶于水,NO和O2的物質(zhì)的量之比為4∶3時可以完全溶于水。2.在一定溫度和壓強下,將一容積為15mL的試管充滿NO2后,倒置于一個盛有水的水槽中。當試管內(nèi)液面上升至一定高度不再變化時,在相同條件下再通入O2,若要使試管內(nèi)液面仍保持在原高度,則通入O2的體積為 ()A.3.75mL B.7.5mLC.8.75mL D.10.5mL【解析】選C。15mLNO2與水反應后生成5mLNO,根據(jù)反應4NO+3O2+2H2O===4HNO3,使5mLNO完全被氧化需要O2體積為5mL×343.75mL。據(jù)題意,通入的O2應過量5mL,則共需通入O28.75mL。【補償訓練】將盛有1molNO和NO2混合氣體的試管倒立于盛滿水的水槽中,再通入0.4molO2,充分反應后,整個試管充滿水。則原混合氣體中NO與NO2體積比為 ()A.1∶2B.2∶5C.3∶7D.無法確定【解析】選C。設1molNO和NO2的混合氣體中有amolNO和(1-a)molNO2,根據(jù)4NO+3O2+2H2O===4HNO3和4NO2+O2+2H2O===4HNO3可得:34a+1-a4=0.4,解得a=0.3,則V(NO)∶V(NO2學情檢測·素養(yǎng)達標1.下列反應不屬于氮的固定的是 ()A.N2+3MgMg3N2B.N2+3H22NH3C.2NO+O2===2NO2D.N2+O22NO【解析】選C。將游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為氮的化合物,屬于氮的固定,不符合要求的是C項。2.下列關(guān)于氮的氧化物的敘述正確的是 ()A.氮的氧化物只有NO、NO2B.氮的氧化物均為紅棕色氣體C.氮的氧化物均有毒D.氮