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第五章 第二节 氮及其化合物
第1课时 氮和氮的氧化物
【学习目标】
1． 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，认识其在生产中的应用和对生态环境的影响。
2．结合实例认识氮及其氧化物的性质，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化。
3．认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
【素养目标】
1．通过从结构分析氮和氮氧化物的性质，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
通过对氮的氧化物的污染与防治的学习，培养学生“科学精神与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：氮的固定和氮气的性质
1．氮元素的位置、结构与存在
(1)氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族。氮原子的最外电子层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。因此，氮原子一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。
(2)氮元素在自然界中主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。
2．氮的固定
氮的固定：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程
(1)自然固氮：大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为含氮的化合物，或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成氨。
(2)人工固氮：人类通过控制条件，将氮气氧化或还原为氮的化合物，最重要的人工固氮途径就是工业合成氨。
3．N2的性质及应用
(1)物理性质：无色无味的气体，密度比空气略小，难溶于水，熔点、沸点比O2的低。
(2)化学性质
N2的电子式为?，结构式为。
①与Mg反应的化学方程式：N2＋3MgMg3N2，N2表现氧化性。
②与H2反应的化学方程式：N2＋3H22NH3，N2表现氧化性。
③与O2反应的化学方程式：N2＋O22NO，N2表现还原性。
【点拨】氮元素是一种活泼非金属，但N2稳定的原因是N2分子中氮氮三键很稳定，不易断裂，难发生化学反应。
典例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可以在电焊时作保护气
B．N2+O22NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一
C．N2在空气中约占的质量比为
D．在反应3Mg+N2Mg3N2中，N2作氧化剂
【答案】C
【解析】N2很稳定，常用作保护气；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4/5；N2与金属、H2反应时作氧化剂。
知识点二：氮的氧化物
1．氮有多种价态的氧化物
氧化物的化学式 N2O NO N2O3 NO2、N2O4 N2O5
氮元素的价态 ＋1 ＋2 ＋3 ＋4 ＋5
(1)N2O俗称笑气。
(2)N2O3、N2O5是HNO2、HNO3相应的酸性氧化物(或酸酐)。
(3)NO2与N2O4可相互转化：2NO2N2O4。
2．NO、NO2的比较
NO NO2
颜色 无色 红棕色
毒性 有毒 有毒
溶解性 难溶于水 易溶于水
与O2或与H2O反应 2NO＋O2===2NO2 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
收集方法 排水法 向上排空气法
与人体、环境的关系 ①与血红蛋白结合，使人中毒； ②转化成NO2，形成酸雨、光化学烟雾 形成酸雨、光化学烟雾
3．二氧化氮溶于水的实验分析
实验步骤 实验现象 实验结论
试管内气体颜色慢慢变为无色，水面不断上升，最后静止在距试管底部约1/3处 NO2不能全部被水吸收，有无色气体NO生成
把充满NO2的试管倒立水中，再通入O2 水面不断上升，最后试管内无色气体约为原NO2体积的1/3，通入适量O2后液面继续上升，最后试管全部充满液体 NO2溶于水生成的NO全部与O2反应被水吸收
水面不断上升，最后试管全部充满液体 NO2可被NaOH溶液全部吸收
4．氮的氧化物溶于水的计算方法
(1)关系式法
①NO2和O2混合气体溶于水的计算：
由4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3可知：
V(NO2)∶V(O2)　
②NO与O2同时通入水中：
由4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可知：
V(NO)∶V(O2)
③NO2、NO、O2三种混合气体通入水中：
a．可先将NO和O2转化为NO2，再按上述各种情况分别处理。
b．也可先将NO2和H2O反应转化为NO，再按4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3情况处理。
(2)得失电子守恒法
当NOx转化为硝酸时要失去电子，如果是NOx与O2混合，则反应中O2得到的电子数与NOx失去的电子数相等。
典例2．关于NO的叙述正确的是(　　)
①NO可以是某些含低价氮的物质氧化的产物　②NO是亚硝酸的酸酐　③NO可以是某些含高价氮的物质还原的产物　④NO是无色气体，在空气中可变为红棕色
A．全部 B．①③④
C．②③④ D．①④
【答案】B
【解析】NO中氮元素的化合价处于中间价态，它可以是还原产物，如HNO3→NO，也可以是氧化产物，如NH3→NO；HNO2的酸酐是N2O3；NO是无色气体，可被空气中的氧气氧化为红棕色的NO2。
典例3．同温同压下，在3支相同体积的试管中分别充有等体积混合的2种气体，它们是①NO和NO2，②NO2和O2，③HCl和N2。将3支试管均倒置于盛水的水槽中，充分反应后，试管中剩余气体的体积分别为V1、V2、V3，则下列的关系正确的是(　　)
A．V1>V2>V3　　　　　 B．V1>V3>V2
C．V2>V3>V1　 D．V3>V1>V2
【答案】B
【解析】设各种气体的体积都为1体积。①根据3NO2+H2O2HNO3+NO，即剩余NO的体积V1=(1+)体积。②根据4NO2+O2+2H2O4HNO3，即剩余O2的体积V2=(1-)体积。③剩余N2的体积V3=1体积。即B项符合题意。
典例4．在一定条件下，将NO2和O2的混合气体12 mL通入足量水中，充分反应后剩余2 mL气体(同温同压下)，则原混合气体中氧气的体积为(　　)
①1.2 mL　 ②2.4 mL　 ③3 mL　 ④4 mL
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
【答案】D
【解析】混合气体通入水中，涉及的反应有①4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，②3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。剩余气体为NO或O2。若剩余的气体是O2，则V(NO2)＝×(12－2)mL＝8 mL，V(O2)＝12 mL－8 mL＝4 mL。若剩余的气体是NO(2 mL) 6 mL NO2，则V(O2)＝×(12－6)mL＝1.2 mL。
核心价值与学科素养
氮氧化物对环境的污染及防治
1．常见的污染类型
(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，产生的一种有毒的烟雾。
(2)酸雨：NOx排入大气中后，与水反应生成HNO3和HNO2，随雨雪降到地面。
(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。
(4)NO与血红蛋白结合使人中毒。
2．防治措施
(1)调整能源结构，发展清洁能源。
(2)研究煤的脱硫技术，改进燃烧技术，减少SO2和氮的氧化物的排放。
(3)加强工厂废气的回收处理。
(4)改进汽车尾气的处理技术，控制汽车尾气排放标准。
3．常见的NOx尾气处理方法
(1)碱液吸收法
工业尾气中NOx常用碱液吸收处理，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)。
NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O
(2)氨气吸收法
8NH3＋6NO27N2＋12H2O 4NH3＋6NO5N2＋6H2O
(3)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)；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)。
2CO＋2NO2CO2＋N2
典例5． 化学与环境密切相关，下列有关说法错误的是(　　)
A．NO2、NO含氮氧化物是光化学烟雾的主要污染物
B．对酸性物质的排放加以控制，开发新清洁能源是减少酸雨的有效措施
C．CO2、NO2或SO2都会导致酸雨的形成
D．大气中CO2含量的增加会导致温室效应加剧
【答案】C
【解析】A．N的氧化物可导致光化学烟雾发生，则NO2、NO含氮氧化物是光化学烟雾的主要污染物，A正确；B．二氧化硫可导致酸雨发生，为减少酸雨发生，酸性物质的排放加以控制，开发新清洁能源是减少酸雨的有效措施，B正确；C．溶解CO2的雨水为正常雨水，而NO2或SO2都会导致酸雨的形成，C错误；D．二氧化碳过量排放可导致全球温度升高，则CO2含量的增加会导致温室效应加剧，D正确；答案选C。
典例6．汽车尾气中的氮氧化合物NOx与大气中的NH3发生如下作用，形成一种雾霾。
有关该雾霾的叙述正确的是(　　)
A．NOx为酸性氧化物，可形成酸雨
B．反应②是氧化还原反应
C．NH3是形成该雾霾的催化剂
D．NH3可能来自过度施用氮肥
【答案】D
【解析】NOx为不成盐氧化物，故A错误；五氧化二氮和硝酸中的氮的化合价相同，所以反应②是非氧化还原反应，故B错误；由图示可知氨气参与反应生成铵盐，为反应物，不是催化剂，故C错误；NH3可能来自过度施用氮肥，铵盐不稳定易分解产生氨气，故D正确。
典例7．随着我国汽车年销量的大幅增加，空气环境受到了很大的污染。汽车 尾气装置里，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．反应中NO为氧化剂，N2为氧化产物
B．汽车尾气的主要污染成分包括CO、NO和N2
C．NO和O2必须在催化剂表面才能反应
D．催化转化总化学方程式为2NO＋O2＋4CO4CO2＋N2
【答案】D
【解析】反应过程中NO、O2为氧化剂，N2为还原产物；汽车尾气中的N2不是污染物；NO和O2的反应不需要催化剂；根据题中的图示，可将反应的过程分成如下两步写：2NO＋O2===2NO2,2NO2＋4CO===N2＋4CO2，将两步反应式合并可得总化学方程式为2NO＋O2＋4CO4CO2＋N2。
【跟踪练习】 基础过关
福建省三钢集团近年来大气污染治理成绩显著，厂区“绿”意盎然。治理后，钢铁厂排放的尾气中，下列 物质含量最大的是(　　)
A．CO2　　　　　　 B．NO2 C．SO2 D．PM10
【答案】A
【解析】钢铁厂产生二氧化碳气体，不属于污染气体，二氧化氮、二氧化硫、PM10属于污染物质，治理后减少排放，二氧化碳含量最多。
如图所示，相同条件下，两个容积相同的试管分别装满NO2和NO气体，分别倒置于水槽中，然后通过导管缓慢通入氧气，边通边慢慢摇动试管，直到两个试管内充满液体。假设试管内的溶质不向水槽中扩散，则两个试管内溶液物质的量浓度之比为(　　)
A．1∶1 B．5∶7 C．7∶5 D．4∶3
【答案】A
【解析】NO2、NO装满试管，则体积相同，根据阿伏加德罗定律：n(NO2)＝n(NO)，根据氮原子守恒所得硝酸的物质的量相同，溶液的体积相同，所以两个试管中溶液物质的量浓度之比为1∶1。
3． 如图所示，室温下的两个连通容器用活塞分开，左右两室体积相同，左室充入一定量NO，右室充入一定量O2，且恰好使两容器内气体密度相同。打开活塞，使NO与O2充分反应，反应如下：2NO+O2=2NO2。下列判断正确的是(不考虑NO2转化为N2O4)
A．反应前后左室的压强相同
B．开始时左右两室中的分子数相同
C．反应后容器内的密度与反应前的相同
D．反应后容器内无O2存在
【答案】C
【解析】由左右两室体积相同，两容器内气体密度相同可知，两容器中气体的质量一定相等，再结合n=m/M可知NO和O2的物质的量之比为32 g/mol:30 g/mol=16:15；A、发生2NO+O2===2NO2，反应后气体的总的物质的量减少，均匀充满左右两室，故反应后左室的气体物质的量要减小，故压强减小，故A错误；B、NO和O2的物质的量之比为16:15，气体分子数目之比等于物质的量之比，开始时左右两室分子数不相同，故B错误；C、反应后气体的总质量为原来一氧化氮与氧气质量之和，为氧气质量的2倍，体积为左右两室的体积之和，为右室的2倍，故密度不变，故C正确；D、NO和O2的物质的量之比为16:15，发生反应：2NO+O2===2NO2，O2过量，故最终容器内有O2存在，故D错误。故选C。
4． N2O俗称“笑气”，早期被用于牙科手术的麻醉，是人类最早应用于医疗的麻醉剂之一。反应3CO+2NO23CO2+N2O能产生N2O。下列关于N2O的说法一定正确的是(　　)
A．上述反应中，每消耗2 mol NO2，就会生成22.4 L N2O(标准状况下测定)
B．N2O有氧化性，且为HNO2的酸性氧化物
C．当生成3 mol CO2时，转移的电子数为12NA
D．N2O使用时必须少量，否则会与人体血红蛋白结合，使人中毒
【答案】D
【解析】由方程式可知，反应中每消耗2 mol NO2，可生成1 mol N2O，标准状况下的体积为22.4 L，A正确；N2O中氮元素的化合价为+1价，HNO2中氮元素的化合价为+3价，N2O不是亚硝酸的酸性氧化物，B错误；反应中碳元素的化合价由+2价升高到+4价，当生成3 mol CO2时转移6 mol电子，C错误；N2O能作麻醉剂，说明其不能和人体血红蛋白结合，D错误。
如图，试管中充满NO2，现向其中缓慢通入O2，用水吸收NO2(假设每次通 入的O2能完全反应)。下列说法正确的是(　　)
A．当试管内溶液的pH不再变化时，说明NO2全部转化为HNO3(假设试管内的溶质不向水槽中扩散)
B．当试管内气体不是红棕色时，说明NO2全部转化为HNO3
C．水槽内的水改为稀盐酸，有利于吸收NO2
D．水槽内的水改为稀NaOH溶液，有利于吸收NO2
【答案】D
【解析】试管中发生反应：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，根据NO2→HNO3，c(HNO3)＝，消耗的NO2的体积等于试管中溶液的体积，即ΔV(NO2)＝V(溶液)，则c(HNO3)＝，试管内溶液的pH始终不变，故A错误；根据3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，当试管中气体不是红棕色时，不能说明NO2全部转化为HNO3，故B错误；水槽内的水改为稀盐酸时，NO2仍是与稀盐酸中的水反应，不能促进NO2的吸收，故C错误；NO2与NaOH溶液能够发生反应：2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，水槽内的水改为稀NaOH溶液，有利于吸收NO2，故D正确。
能力达成
某化学学习小组为探究NO2和SO2的反应,特进行如下实验(如图所示)。
(1)图1两集气瓶中 (填“上”或“下”)瓶颜色深。
(2)图2中反应的现象是 。
(3)图3中“有红棕色气体产生”说明SO2和NO2反应的产物中有____________，说明NO2在该反应中表现____________性。
(4)由图2和图3中的现象写出NO2和SO2反应的化学方程式： 。
【答案】(1)下　(2)下瓶中的红棕色逐渐消失，最终变为无色　
(3)NO　氧化　(4)NO2+SO2NO+SO3
【解析】图3中反应生成的气体遇空气显红棕色，说明图2中反应生成了NO，即NO2和SO2反应，NO2转化为NO，表现氧化性，而SO2则表现还原性，被氧化，硫元素化合价升高，只能变成+6价，应转化为SO3。
NOx是汽车尾气中的主要污染物之一。
(1)NOx能形成酸雨，写出NO2转化为HNO3的化学方程式： 。其中氮元素的化合价在此反应中发生的变化是________(填序号)。
A．不变　　　　　　 B．仅升高
C．仅降低 D．既有升高又有降低
(2)在汽车尾气系统中装置催化转化器，可有效降低NOx的排放。
①当尾气中空气不足时，NOx在催化转化器中被还原成N2排出。写出NO被CO还原的化学方程式： 。
②根据上述反应，若反应掉1.5 mol的NO,转移电子的物质的量为________ mol。
(3)设空气中O2体积分数为0.25，N2体积分数为0.75，有水存在的条件下，氮的氧化物和一定量空气混合恰好完全反应，反应后气体体积减少一半，该氮的氧化物是________(填序号)。
A．NO
B．NO2
C．NO和NO2物质的量之比为2∶1的混合物
D．NO和NO2物质的量之比为1∶1的混合物
【答案】(1)3NO2+H2O2HNO3+NO　 D
(2)①2NO+2CON2+2CO2　 ②3　
(3)D
【解析】(1)NO2与H2O反应生成HNO3与NO。由于NO2中的氮元素的化合价为+4价，而生成物NO中的氮元素的化合价是+2价，而硝酸中的氮元素的化合价是+5价，所以NO2中氮元素的化合价既有升高又有降低。(2)①NO被CO还原成N2，由得失电子守恒和元素守恒可知CO被氧化为CO2；②根据化学方程式2NO+2CO N2+2CO2可知，反应中氮元素的化合价由+2价变成0价，所以1.5 mol NO转移电子的物质的量是3 mol。(3)混合气体全部与空气中的氧气反应，没有物质是过量的，最终氮的氧化物与氧气、水反应生成HNO3，反应后气体体积减少一半，剩余气体为氮气，令剩余氮气为0.75 mol，则氮的氧化物为1.5 mol—0.75 mol—0.25 mol=0.5 mol,结合选项令氮的氧化物的平均组成为NOx,根据电子转移守恒,则:(5-2x)×0.5 =0.25×4,解得x=1.5，故氮的氧化物为NO和NO2的混合物，令NO和NO2的物质的量分别为a mol、b mol,则:a+b=0.5,(a+2b)/0.5=1.5，解得a=0.25，b=0.25，故NO和NO2的物质的量之比为0.25 mol∶0.25 mol=1∶1，故选D。
氮的氧化物和硫的氧化物是导致酸雨的物质。
(1)形成酸雨的原理之一可简单表示如下：
回答下列问题：
①酸雨的pH________(填“＞”、“＜”或“=”)5.6。
②D物质的化学式为____________。
③反应②的化学方程式为_________________________________________。
(2)在一定条件下氨气亦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_______。
(3)用氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物，反应的化学方程式如下：
NO2+NO+2NaOH===2NaNO2+H2O，
2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O
现有V L某NaOH溶液能完全吸收n mol NO2和m mol NO组成的大气污染物。
①所用烧碱溶液的物质的量浓度至少为________ mol·L 1。
②若所得溶液中c()∶c()=1∶9，则原混合气体中NO2和NO的物质的量之比n∶m=______。
③用含n和m的代数式表示所得溶液中和浓度的比值c()∶c()=________。
【答案】 (1)①＜ ②H2SO3 ③2SO2+O22SO3
(2)6NO2+8NH37N2+12H2O NO2 NH3
(3)① ②3∶2 ③
【解析】(1)酸雨的pH＜5.6，正常雨水的pH=5.6。由图示转化可知：A为SO2，B为SO3，D为H2SO3。
(2)NH3 和NO2反应生成的无污染物质是N2和H2O。(3)①因产物NaNO3、NaNO2中n(Na+)=n(N)，故n(NaOH)=n(NO)+n(NO2)=(m+n) mol，c(NaOH)= mol·L 1。②NO2与NO混合气体与NaOH溶液反应可以认为先后发生如下反应：
NO2+NO+2NaOH===2NaNO2+H2O
m m 2m 2m
2NO2+2NaOH===NaNO2 +　NaNO3 + H2O
n m (n m) (n m)
当V(NO)2≥V(NO)时能吸收完全，所以c()∶c()==，得n∶m=3∶2。
③c()∶c()=(n m)∶[2m+(n m)]=。
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