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专题1 元素及其化合物
第二单元 非金属及其化合物(氧化还原反应)
第4讲 氮及其化合物的结构、性质和应用
一、课程标准要求
1．认识氮元素可以组成不同种类的物质，能从不同视角对典型的氮元素及其化合物进行探究。
2．通过“雷雨发庄稼”；氮的循环与氮的固定；工业合成氨、工业制硝酸；氮肥的生产与合理使用能从物质类别和元素价态变化的视角说明物质的转化途径。
3．利用实验探究氨气的制备及性质；铵盐的性质；浓、稀硝酸的性质；氮氧化物的性质与转化。
4．结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。
5．通过调查，从含氮物质的性质及转化的视角分析酸雨和雾霾的成因、危害与防治
二、在高中化学教材体系中的地位
从课程模块层面看，氮元素及其化合物位于必修课程内容，是普通高中学生发展的共同基础；通过氮元素及其化合物性质的学习，一方面可以形成完整的金属、非金属及其化合物的知识体系，另一方面也具有巩固离子反应、氧化还原反应等基础知识的作用。
三、思维导图
四、课时安排建议
第1课时 氮及其氧化物(1课时)
第2课时 硝酸(1课时)
第3课时 氮及其化合物的转化(1课时)
第1课时 氮及其氧化物(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1： 氮气有哪些物理性质、化学性质？
[例题1] 下列说法中正确的是(　　)
A．氮气化学性质不如磷活泼，故氮元素非金属性弱于磷
B.氮气只有氧化性，没有还原性
C．“雷雨发庄稼”所包含的化学变化有N2→NO→NO2→HNO3→硝酸盐
D．NO与O2反应生成NO2属于氮的固定
[解析]N≡N键能大，N2比磷稳定，A错误；氮气中氮元素的化合价可以升高，也可以降低，故既具有氧化性，又具有还原性，B错误；氮的固定是将游离态的氮转化为化合态的氮的过程，D项错误。
[答案]C
[归纳总结]
(一)(1)氮元素位于元素周期表的第 周期、第 族。氮原子最外层有 个电子，既不容易 3个电子，也不容易 5个电子。一般通过 与其他原子相互结合成物质。
(2)氮分子内 个氮原子间以 结合，断开该化学键需要 的能量，所以氮气的化学性质很 ，通常情况下 与其他物质发生化学反应，但在一定条件下氮气也可以和一些物质发生化学反应。
(3)写出氮气和下列物质反应的化学方程式。
①金属镁： ，氮气表现 性；
氢气： ，氮气表现 性；
③氧气： ，氮气表现 性。
[答案]：
(一).(1)二 ⅤA 5 得到 失去 共用电子对 。
(2)两 共价三键(N≡N) 较多， 稳定， 很难 。
(3)①N2＋3MgMg3N2，氧化；② N2+3H22NH3，氧化；
③N2＋O22NO，还原。
(二)氮元素的存在形式和固氮
问题2：氮元素从＋1～＋5价都有对应的氧化物，如N2O、NO、N2O3、NO2(或N2O4)、N2O5，其中属于酸性氧化物的是？
[练习1]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)在一定条件下氨可用来将氮氧化物转化为无污染的物质。写出氨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________。
(练习1出处：2019·济南一中期末。推荐理由：通过具体的问题情境，探究氮的氧化物的性质，体现“宏观辨识”和“微观探析”这一素养。)
[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)氨和二氧化氮反应后生成的无污染的物质是氮气和水。
[答案]　(1)NO2　NO
(2)6NO2＋8NH37N2＋12H2O　NO2　NH3
[归纳总结]
NO和NO2性质的比较
NO NO2
物理 性质 颜色 无色 红棕色
毒性 有毒 有毒
溶解性 不溶于水 易溶于水
化学 性质 与O2反应 2NO＋O2===2NO2 —
能与H2O 反应 — 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
活动二：重难点突破
问题3：氮氧化物的尾气怎么处理？
典例简析
[典型题例] N2O、NO和NO2等氮氧化物是空气污染物，含有氮氧化物的尾气需处理后才能排放。
(1)N2O的处理。N2O是硝酸生产中氨催化氧化的副产物，用特种催化剂能使N2O分解。NH3与O2在加热和催化剂作用下生成N2O的化学方程式为 。
(2)NO和NO2的处理。已除去N2O的硝酸尾气可用NaOH溶液吸收，主要反应为
NO+NO2+2OH 2+H2O 2NO2+2OH ++H2O
①下列措施能提高尾气中NO和NO2去除率的有 (填字母)。
A．加快通入尾气的速率
B．采用气、液逆流的方式吸收尾气
C．吸收尾气过程中定期补加适量NaOH溶液
②吸收后的溶液经浓缩、结晶、过滤，得到NaNO2晶体，该晶体中的主要杂质是 (填化学式)；吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是 (填化学式)。
(3)NO的氧化吸收。用NaClO溶液吸收硝酸尾气，可提高尾气中NO的去除率。其他条件相同，NO转化为的转化率随NaClO溶液初始pH(用稀盐酸调节)的变化如图所示。
①在酸性NaClO溶液中，HClO氧化NO生成Cl 和，其离子方程式为 。
②NaClO溶液的初始pH越小，NO转化率越高。其原因是 。
(典型题例出处：2019·江苏高考题第16题 ，推荐理由：本题考查了陌生氧化还原方程式的书写、化学实验方案的选择以及通过现象分析本质原因，培养了学生综合运用所学知识的能力。)
[简析] (1)NH3与O2在加热和催化剂作用下发生氧化还原反应生成N2O，根据得失电子守恒和原子守恒可知反应有水生成，配平化学方程式为：2NH3+2O2N2O+3H2O，
故答案为：2NH3+2O2N2O+3H2O；
(2)①A.加快通入尾气的速率，不能提高尾气中NO和NO2的去除率，不选A；
B.采用气、液逆流的方式吸收尾气，可使气液充分接触，能提高尾气中NO和NO2的去除率，选B；
C.定期补充适量的NaOH溶液可增大反应物浓度，能提高尾气中NO和NO2的去除率，选C。故答案为：BC；
②由吸收反应：NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O，2NO2+2OH-=NO2-+ NO3-+H2O可知，反应后得到NaNO2和NaNO3混合溶液，经浓缩、结晶、过滤得到NaNO2和NaNO3晶体，因此得到的NaNO2混有NaNO3；由吸收反应可知，若NO和NO2的物质的量之比大于1：1，NO不能被吸收，因此，吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是NO，故答案为：NaNO3；NO；
(3)①在酸性的NaClO溶液中，次氯酸根离子和氢离子结合生成HClO，HClO和NO发生氧化还原反应生成NO3-和Cl-，根据得失电子守恒及电荷守恒、原子守恒，配平离子方程式为2NO+3HClO+H2O=2 NO3-+3 Cl-+5H+，故答案为：2NO+3HClO+H2O=2 NO3-+3 Cl-+5H+；
②在相同条件下，氧化剂的浓度越大，氧化能力越强，由反应2NO+3HClO+H2O=2NO3-+3 Cl-+5H+可知，溶液pH越小，溶液中HClO浓度越大，氧化NO的能力越强，故答案为：溶液pH越小，溶液中HClO的浓度越大，氧化NO的能力越强。
[答案] (1). 2NH3+2O2N2O+3H2O (2). BC (3). NaNO3 (4). NO
(5). 3HClO+2NO+H2O3Cl +2+5H+ (6). 溶液pH越小，溶液中HClO的浓度越大，氧化NO的能力越强。
[小结] NOx尾气的处理方法
(1)碱液吸收法
2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O
NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
NO2、NO的混合气体能被足量烧碱溶液完全吸收的条件是：n(NO2)≥n(NO)。一般适合工业尾气中NOx的处理。
(2)催化转化法
在催化剂、加热条件下，氨可将氮氧化物转化为无毒气体(N2)或NOx与CO在一定温度下催化转化为无毒气体(N2和CO2)。一般适用于汽车尾气的处理。
[练习2] 为落实“五水同治”，某工厂拟综合处理含NH废水和工业废气(主要含N2、CO2、SO2、NO、CO，不考虑其他成分)，设计了如下流程：
下列说法不正确的是 (　 　)
A．固体1中主要含有Ca(OH)2、CaCO3、CaSO3
B．X可以是空气，且需过量
C．捕获剂所捕获的气体主要是CO
D．处理含NH废水时，发生反应的离子方程式为NH＋NO===N2↑＋2H2O
(练习2出处：2020山东青岛一模，推荐理由:本题考查了学生根据实验现象及物质的性质分析推理的能力。)
[解析]A项，根据题中的流程，可以得出固体1为CaCO3、CaSO3和过量Ca(OH)2，正确；气体1是不能被过量石灰乳吸收的NO、CO和N2，NO和NO2按1∶1的体积比能与NaOH溶液反应生成亚硝酸钠，所以X可以是空气，但不能过量，否则会生成NaNO3，错误；C项，气体2为N2、CO，因“无污染气体”为N2，故捕获的气体主要是CO，正确；D项，NH与NO能够发生归中反应生成氮气，离子方程式为NH＋NO===N2↑＋2H2O，正确。
[答案]：B
[例题2] 研究氮氧化物反应机理，对于控制汽车尾气、保护环境有重要意义。
(1)NO在空气中存在如下反应：2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)　ΔH
上述反应分两步完成，其中第一步反应①如下，写出第二步反应②的热化学方程式(其反应的焓变ΔH2用含ΔH、ΔH1的式子来表示)：
①2NO(g)N2O2(g)　ΔH1＜0　②______________
(2)工业制HNO3的尾气中含有的NO2和NO常用NaOH溶液吸收，反应的化学方程式为：NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O,2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，现有平均组成为NOx的NO、NO2混合气体，通入足量的NaOH溶液中，充分反应后没有气体剩余，则：
①x的取值范围为________________。
②反应后溶液中n(NO)∶n(NO)＝__________________(用含x的代数式表示)。
(3)电解法处理氮氧化合物是目前大气污染治理的一个新思路，原理是将NOx在电解池中分解成无污染的N2和O2除去，如图所示，两电极间是新型固体氧化物陶瓷，在一定条件下可自由传导O2－，电解池的阴极反应为____________________________________________。
(例题2出处：2020全国I卷模拟题，本题主要考查在氮氧化物情景中盖斯定律的应用、氧化还原反应中的电子守恒规律和电极反应方程式的书写。)
[解析]　(1)由盖斯定律①＋②可得总反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)，所以总的热化学方程式－①可得②，则②的热化学方程式为O2(g)＋N2O2(g)2NO2(g)　ΔH2＝ΔH－ΔH1。
(2)平均组成为NOx的NO、NO2混合气体，通入足量的NaOH溶液中，充分反应后没有气体剩余，根据反应NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O和2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，说明只有当n(NO2)∶n(NO)≥1时，混合气体才能被NaOH溶液完全吸收。当n(NO)∶n(NO2)＝1时，x＝1.5；当只有NO2时，x＝2；故x取值范围为1.5≤x＜2。NOx被NaOH溶液完全吸收时，根据氧化还原反应中得失电子守恒规律，可写出反应的化学方程式：2NOx＋2NaOH===(5－2x)NaNO2＋(2x－3)NaNO3＋H2O，因此反应后溶液中n(NO)∶n(NO)＝(5－2x)∶(2x－3)。
(3)阴极发生还原反应，根据题意，阴极上是NOx获得电子生成N2与O2－，因此电极反应式为2NOx＋4xe－===N2＋2xO2－。
[答案]　(1)O2(g)＋N2O2(g)2NO2(g)　ΔH2＝ΔH－ΔH1
(2)①1.5≤x＜2　②(5－2x)∶(2x－3)
(3)2NOx＋4xe－===N2＋2xO2－
活动三：巩固提升
1．下列说法正确的是(　　)
A．氮气化学性质通常不活泼，可将炽热的镁粉放在氮气中冷却
B．汽车尾气中有NOx，主要是汽油不充分燃烧引起的
C．食品袋中充氮气来防氧化
D．22.4 L(标准状况)氮气中含有约7×6.02×1023个中子
2．下列化学事实及其解释都正确的是(　　)
A．NO2与水反应，NO2作还原剂，水作氧化剂
B．某溶液中含有大量的NO，该溶液中一定不存在大量的Fe2＋
C．闪电时，空气中的N2和O2可直接化合生成NO2
D．除去NO中混有少量NO2气体时，可以用水洗涤后再干燥
3．(2022江苏高考)氮及其化合物的转化具有重要应用。下列说法不正确的是( )
A．自然固氮、人工固氮都是将转化为
B．侯氏制碱法以、、、为原料制备和
C．工业上通过催化氧化等反应过程生产
D．多种形态的氮及其化合物间的转化形成了自然界的“氮循环”
4．研究表明，氮氧化物和二氧化硫在形成雾霾时与大气中的氨有关(如下图所示)。下列叙述错误的是( )
A．雾和霾的分散剂相同
B．雾霾中含有硝酸铵和硫酸铵
C．NH3是形成无机颗粒物的催化剂
D．雾霾的形成与过度施用氮肥有关
5．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→NH3
A．① B．②⑤
C．④ D．③④
[参考答案]
1． C
解析：炽热的镁粉可与氮气反应生成氮化镁，A错误；汽车尾气中有NOx，主要是空气中的氧气和氮气在汽车的气缸内高温作用下生成的，B错误；氮气是双原子分子，一个氮气分子有14个中子，22.4 L (标准状况)氮气中含有14NA个中子，D错误
2． D
解析：NO2与水反应，NO2是还原剂也是氧化剂，A错误；NO和Fe2＋能共存，例如硝酸亚铁溶液，但在酸性条件下，NO能氧化Fe2＋，B错误；空气中的N2和O2直接化合生成的是NO，C错误。将混有少量NO2的NO气体通过水洗涤后，因NO2与水反应生成NO，再干燥即可，D正确。
3. A
4. C
解析：A．雾的分散剂是空气，分散质是水。霾的分散剂是空气，分散质固体颗粒。因此雾和霾的分散剂相同，A正确；B．由于氮氧化物和二氧化硫转化为铵盐形成无机颗粒物，因此雾霾中含有硝酸铵和硫酸铵，B正确；C．在化学反应里能改变反应物化学反应速率(提高或降低)而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂，NH3作为反应物参加反应转化为铵盐，因此氨气不是形成无机颗粒物的催化剂，C错误；D．氮氧化物和二氧化硫在形成雾霾时与大气中的氨有关，由于氮肥会释放出氨气，因此雾霾的形成与过度施用氮肥有关，D正确。答案选C。
5. C
解析：反应①③④从化合价角度来看都升高，但反应①N2→NO2不能一步反应完成；而反应③NO2→HNO3，虽然氮的化合价升高，但不加氧化剂也能实现，如3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，在该反应中，NO2既是氧化剂又是还原剂；只有反应④N2→NO必须加入氧化剂且一步反应就能完成。
二、教学建议
1．帮助学生构建“氮在自然界中的循环及循环中的重要物质、人类活动对自然界中氮循环的影响、运用科学知识修复氮循环”等知识。
2．帮助学生理解氧化还原反应原理的应用价值、变价非金属元素的氧化还原反应的特点，建立起用氧化还原反应观分析反应分析物质的能力。
3．根据学生已有的生活经验，选取大量素材进行SISE(科学、技术、社会、环境)教育。帮助学生认识化学与人类生活和生产实际的联系，促进学生发展科学的情感态度，培养学生的社会责任感。
三、情境素材
(一)氮氧化物(NOx)的污染类型
1．光化学烟雾：NOx在紫外线作用下，与碳氢化合物发生一系列光化学反应，产生了一种有毒的烟雾。
2．酸雨：NOx排入大气中后，最终与水反应生成HNO3型酸雨。
3．破坏臭氧层：NO2可使平流层中的臭氧减少，导致地面紫外线辐射量增加。
(二)氮氧化物污染物的处理
汽车尾气NOx(NO、NO2)经催化处理生成无污染的N2。硝酸工业尾气是用氢氧化钠溶液处理生成有用的工业产品硝酸盐和亚硝酸盐。

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