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(共53张PPT)
第五章　化工生产中的重要
非金属元素
第二节 氮及其化合物
人教版·新教材·化学必修第二册
第1课时　氮及其氧化物
探究新知
氮及其氧化物
探究01　氮及氮的固定
情境导入
氮 是自然界中各种生物生命活动不可缺少的重要元素
探究01　氮及氮的固定
N元素存在形式
在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，
少部分存在于生物的蛋白质中、
以及土壤、海洋中的硝酸盐和铵盐。
探究01　氮及氮的固定
原子结构
N 位于元素周期表第二周期、VA族
+7
2
5
既不容易得到 3 个电子，也不容易失去 5 个电子。
常见的化合价有 -3、 0、 +2、 +3、 +4、 +5
探究01　氮及氮的固定
N2物理性质
颜色 状态 气味 密度 溶解性
_____ 气体 _____ 密度与空气接近 ___溶于水
难
无色
无味
探究01　氮及氮的固定
化学性质
电子式
结构式
N2
化学式
N

N



N
N
氮分子的结构
食品包装袋中抽空充入氮气，防止食物变质。
N2 的化学性质非常不活泼，可用作保护气体
探究01　氮及氮的固定
化学性质
氮气的化学性质稳定，通常很难与其他物质发生化学反应。
N N
1、还原性
2、氧化性
a、在点燃条件下与 Mg 反应： b、N2 与 H2 反应生成 NH3 ：
N2 + O2 2NO
高温或放电
N2 + 3H2 2NH3
催化剂
N2 + 3Mg Mg3N2
点燃
探究01　氮及氮的固定
氮的固定
(1) 含义:
将大气中 ____________ 转化为 ____________ 的过程
叫做 氮的固定。
游离态的氮
氮的化合物
(2) 分类:
探究01　氮及氮的固定
氮的固定——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，从而实现自然固氮。
有句谚语“雷雨发庄稼”，
你明白其中的化学道理吗
探究01　氮及氮的固定
化学性质——人工固氮
1909年，德国化学家哈伯经过实验研究后发现，在500~600℃、17.5~20.0 MPa和锇为催化剂的条件下可产生氨。
德国工程师博施也推动了合成氨工业生产的实现和相关技术发展，哈伯和博施都获得了诺贝尔化学奖。
合成氨技术的应用很大程度上解决了全球粮食饥饿问题，是化学和技术对社会发展与进步的巨大贡献。
探究01　氮及氮的固定
自然界中氮循环
练一练
(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)氮的固定中氮元素一定被氧化(　　)
(5)豆科植物的根瘤菌固氮属于自然固氮中的高能固氮(　　)
(6)工业上将NH3转化为其他铵态化肥属于人工固氮(　　)
(7)N2和O2在放电条件下会生成NO2(　　)
(8)N2中N元素价态为0价，处于中间价态，因此既有氧化性，又有还原性(　　)
判断正误
√
×
√
×
×
×
×
√
练一练
氮在自然界中的循环如图所示。
(1)过程①称为________，写出合成氨反应的化学方程式：____
____________________，该反应中氮气显____性(填“氧化”或“还原”，下同)
人工固氮
N2＋
氧化
(2)过程②中能通过______________的作用将空气中的氮气固定下来，写出③中固氮反应的化学方程式：_________________，该反应中氮气显____性。
豆科植物根瘤菌
还原
练一练
氮在自然界中的循环如图所示。
(1)过程①称为________，写出合成氨反应的化学方程式：____
____________________，该反应中氮气显____性(填“氧化”或“还原”，下同)
人工固氮
N2＋
氧化
(2)过程②中能通过______________的作用将空气中的氮气固定下来，写出③中固氮反应的化学方程式：_________________，该反应中氮气显____性。
豆科植物根瘤菌
还原
结论：
(1)氮的固定必须为将游离态的N2转化为化合态含氮物质的过程，为氧化还原反应。
(2)氮气性质的“一惰性、两反应”。氮气化学性质很稳定，通常状况下，很难与其他物质反应，但是在一定条件下，也能与氢气、氧气等反应。
(3)氮元素是多价态元素，氮气中氮元素呈0价，处于中间价态，故氮气既有氧化性(与H2反应)，又有还原性(与O2反应)。
练一练
探究02 氮的氧化物
一氧化氮
一、物理性质
无色、无味、有毒、难溶于水的气体。
二、化学性质
常温下，极容易与氧气反应。
2NO + O2 2NO2
红棕色
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
1、物理性质：
红棕色、有剌激性气味的有毒气体，密度比空气大，易液化，易溶于水。
实验室如何收集 NO2
向上排空气法
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
(工业制取硝酸)
结论：在一定条件下，NO 与 NO2 可以相互转化。
现象一：无色气体变红棕色 NO → NO2
现象二：红棕色变为无色 NO2 → NO
实验现象分析：
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
解释“雷雨发庄稼”的原理
N2＋O2 2NO
放电
2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
硝酸与土壤中矿物质作用形成可溶性硝酸盐，
成为氮肥被植物吸收。
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
“实验5-5”发生了哪些化学反应 如果将注射器中的 NO 充分转化，可以采取什么措施 上述实验对工业生产硝酸有什么启示
+ O2
+ H2O
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
2NO + O2 = 2NO2
2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
① NO 与 O2 同时通入水中
2NO + O2 = 2NO2 ①
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO ②
总的化学方程式为： ①×3 + ②×2
4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
② NO2 和 O2 混合气体同时溶于水中
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO ①
2NO + O2 = 2NO2 ②
总的化学方程式为： ①×2 + ②
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
原理
氮的氧化物溶于水的问题首先看清原理实质，无论是单一气体 ( NO2 )，还是 NO、NO2、O2 中的两者或三者的混合气体溶于水，反应的实质是：
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 2NO + O2 = 2NO2
故若有气体剩余只能是 NO 或 O2 ，不可能是NO2。
工业生产硝酸的启示
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
练一练
(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易溶于水生成HNO3，故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)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(　　)
√
√
×
√
×
结论：
(1)NO和O2反应，不能用排空气法收集，可以用排水法收集，NO2和水反应，不能用排水法收集，可用向上排空气法收集。
(2)NO不能和碱反应，NO2可以和碱反应生成硝酸盐、亚硝酸盐和水，但NO2不是酸性氧化物。
(3)NO2可以使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色，不能用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2气体和溴蒸气。
练一练
练一练
2. 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两种气体，它们是①NO和NO2，②NO2和O2，③NO和N2。现将3支试管均倒置于水槽中，充分反应后，试管中剩余气体的体积分别为V1、V2、V3，则下列关系正确的是 (　　)
D
A．V1>V2>V3 B．V1>V3>V2
C．V2>V3>V1 D．V3>V1>V2
练一练
3.将一支充有12 mL NO2气体的试管倒置于水槽中，充分反应。
(1)下列图示正确的是__。
C
练一练
(2)如水不能充满试管，需再向试管中缓缓充入O2，现象为_____________
____________________，最终充入__ mL氧气，才能使水全部充满。
红棕色，液面逐渐上升
无色气体变为
3
解析　向试管中缓缓充入O2，发生反应①2NO＋O2===2NO2，故气体颜色由无色变为红棕色，然后发生反应②3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，故液面逐渐上升，将①和②两式相组合得4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，要使水全部充满试管，需充入3 mL氧气。
课堂总结
颜色 状态 气味 密度 特性
无 色 　液态 　刺激性 　>　 易 挥发
1、硝酸的物理性质
四、硝酸
(1)酸的通性
写出下列反应的离子方程式：
①硝酸和氢氧化钠反应：_____________________________________。
②硝酸和氧化钠反应：_______________________________________。
③硝酸和碳酸钙反应：_______________________________________。
④使指示剂变色：稀硝酸使紫色石蕊试液变红，浓硝酸使紫色石蕊试液先变红后褪色
H＋＋OH－==H2O
2H＋＋Na2O==2Na＋＋H2O
2H＋＋CaCO3==Ca2＋＋CO2↑＋H2O
2、硝酸的化学性质
4HNO3(浓) ==== 4NO2↑+O2↑+2H2O
△
或光照
(2) HNO3的不稳定性
问题：为什么有的浓硝酸看起来颜色发黄呢！
浓硝酸见光或受热会分解产生NO2，NO2 又溶于浓硝酸使其发黄。
(3) HNO3的强氧化性
① 与Cu反应
【实验5-8】如图5-14所示，在橡胶塞侧面挖一个凹槽，并嵌入下端卷成螺旋状的铜丝。向两支具支试管中分别加入2mL浓硝酸和稀硝酸，用橡胶塞塞住试管口，使铜丝与硝酸接触，观察并比较实验现象。向上拉铜丝，终止反应。
浓硝酸 稀硝酸
实验 现象
实验 结论
蓝
大量气泡
绿
红棕色
NO
NO2
3Cu+8HNO3(稀) === 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
Cu+4HNO3(浓) === Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
反应剧烈,有__________产生,溶液变_____,液面上有________气体产生
反应缓慢,有 气泡产生，溶液变______,试管口有红棕色气体产生
铜与浓硝酸常温下剧烈反应生成_____气体
铜与稀硝酸常温下缓慢反应生成_____气体
少量
废气处理：用氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物
NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O；2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O。
②钝化： 常温下，铁、铝的表面被浓硝酸或浓硫酸氧化，生成了一层致密的氧化物薄膜，这层薄膜阻止了酸与内层金属的进一步反应。
加热时：
Al + 6HNO3(浓) === Al(NO3)3+ 3NO2↑+ 3H2O
△
Fe+6HNO3(浓) === Fe(NO3)3+3NO2↑+3H2O
△
C+4HNO3（浓）= 2H2O+4NO2↑+CO2↑
△
S+6HNO3(浓) = H2SO4+6NO2↑+2H2O
△
③ 与非金属反应
思维拓展
(1)硝酸与金属反应不能生成氢气。硝酸浓度不同，其还原产物不同，一般情况下，浓硝酸被还原为NO2，稀硝酸被还原为NO。
(2)硝酸能与大多数金属(金、铂等除外)反应，将金属氧化为高价态金属的硝酸盐。但在常温下，浓硝酸能使铁、铝钝化。
(3)热的浓硝酸可将非金属单质(碳、硫、磷等)氧化为最高价氧化物或最高价含氧酸。
(4)硝酸的强氧化性还表现在可以氧化具有还原性的化合物或离子，如SO2、FeO、Fe2＋、Br－、I－、S2－、SO 等均能被硝酸氧化。
①浓硫酸、硝酸等都是氧化性酸，因为其中的 易获得电子，表现出很强的氧化性；而盐酸、稀硫酸、碳酸等的酸根部分不能或不易获得电子，是非氧化性酸。
②在水溶液中任何酸都能电离出H＋，H＋在一定条件下可获得电子，被还原为H2，从这一点来说，酸都具有氧化性，但此时H＋表现出的性质是酸性，这与氧化性酸中心元素获得电子表现出的氧化性不同。
酸的氧化性与氧化性酸
相关链接
劳厄和弗兰克，曾获得1914年和1925年的物理学奖，德国纳粹政府要没收他们的诺贝尔奖牌，他们辗转来到丹麦，请求丹麦同行、1922年物理学奖得主玻尔帮忙保存。1940年，纳粹德国占领丹麦，受人之托的玻尔急得团团转。同在实验室工作的一位匈牙利化学家赫维西（1943年化学奖得主）帮他想了个好主意：将奖牌放入“王水” 中，纯金奖牌便溶解了。玻尔于是将溶液瓶放在实验室架子上，来搜查的纳粹士兵果然没有发现这一秘密。战争结束后，溶液瓶里的黄金被还原后送到斯德哥尔摩，按当年的模子重新铸造，于1949年完璧归赵。
能使不溶于硝酸的金属如金、铂等溶解。
浓硝酸和浓盐酸按体积比为1∶3混合得到的混合物。
王 水
资料卡片
【思考与交流】
写出有关化学方程式:
N2→NH3: ________________________________。
NH3→NO: _______________________________。
NO→NO2: _______________________________。
NO2→HNO3: _____________________________。
4NH3+5O2 4NO+6H2O
2NO+O2===2NO2
3NO2+H2O===2HNO3+NO
N2+3H2 2NH3
高温高压
催化剂
重要的化工原料，用于制化肥，农药，炸药，染料等。
3、硝酸的作用
煤、石油和某些金属矿物中含有硫，在燃烧或冶炼时往往会生成二氧化硫。
在机动车发动机中，燃料燃烧产生的高温条件会使空气中的氮气与氧气反应，生成氮氧化物。它们会引起呼吸道疾病，危害人体健康，严重时会使人死亡。
五、酸雨及防治
酸雨：主要指 pH小于5.6 的雨水，其主要是含有硫酸和硝酸。
S
SO2
SO3
H2SO4
硫酸型酸雨：
硝酸型酸雨：
NO2
HNO3
成因：主要是大气中的SO2与NOx溶于水形成的。
1. 酸雨的形成
(1)对人体的直接危害首先是它的刺激性，其次是它会形成硫酸雾和硫酸盐雾，其毒性比SO2大，能浸入人的肺部，引起肺水肿等疾病而使人致死。
(2)引起河流、湖泊的水体酸化，严重影响水生动物生长。
(3)破坏土壤、植被、森林。
(4)腐蚀金属、油漆、皮革、纺织品及建筑材料等。
(5)渗入地下，可引起地下水酸化，酸化后的地下水中铝、铜、锌、镉等对人体有害金属元素的含量会偏高。
2. 酸雨的危害
(1)调整能源结构，积极开发新能源。
(2)对煤（其中含硫为0.3%-5%)进行处理，如选洗加工、综合开发、在煤中加入适量的生石灰、对排放的烟进行处理等。
(3)种植能够吸收SO2的有关树木(如臭椿、垂柳、柳杉）等。
(4)加强工厂废气的回收处理。
(5)改进汽车尾气的处理技术，控制尾气排放。
3. 酸雨的防治
环境污染 形成原因 主要危害
温室效应 大气中CO2含量不断增加 全球变暖，冰川融化
酸雨 SO2和氮氧化物的排放 土壤酸化，腐蚀建筑物
光化学烟雾 氮氧化物和碳氢化合物的排放 危害人体健康和植物生长
臭氧空洞 氮氧化物和氟氯代烃的排放 地球上的生物受太阳紫外线的伤害加剧
常见的环境污染
相关链接
赤潮和水华 含磷洗衣粉的大量使用及废水的任意排放 使藻类过度繁殖，水质恶化，发生在海水中为赤潮，淡水中为水华
硝酸与金属反应计算规律
课堂延伸
一、原子守恒法
金属与硝酸反应的计算
例1：若将12.8克Cu与一定量的浓HNO3反应，铜全部溶解时，共产生 5.6L气体（标准状况），则所消耗的HNO3的物质的量为 ________
解：n(反应的HNO3)= n(被还原的HNO3)+ n(表现酸性的HNO3)
= n(NOx) + 2n(Cu2+)
= 5.6L/22.4L/mol+2ⅹ12.8g/64g/mol
=0.65mol
0.65mol
例2：64gCu投入一定量浓硝酸中，铜完全溶解，共收集到22.4L气体。将此气体与一定体积的O2一起通入水中，恰好完全溶解，则O2的体积为（气体体积均按标准状况下计量）________
因为 HNO3 NOx HNO3
Cu
O2
所以 2n(Cu)=4n(O2 )
n(O2 )=n(Cu)/2 =0.5mol
反应步骤比较多
金属与硝酸反应的计算
二、电子守恒法
11.2L
HNO3过量时，反应后溶液中（不考虑OH-）：
c(NO3- )=c(H+)+nc(Mn+)(Mn+代表金属离子)
三、电荷守恒法
例3. 3.2 g铜与过量硝酸反应，硝酸被还原为NO2和NO。反应后溶液中含H+ a mol,则此时溶液中含NO3- 的物质的量为__________mol。
解析: 反应后的溶液中溶质是:Cu(NO3)2和HNO3
n(NO3-) =2n(Cu2+)+n(H+)
=2×0.05mol+amol
=(0.1+a)mol
a+0.1
应用于硝酸有剩余的反应
四、离子方程式法
金属与混合酸
例4：向1L 0.1mol/L的HNO3和0.4mol/L的H2SO4的混合液中加入足量的铜粉，最多能溶解铜粉的质量为 ( ) 　
A.2.4g
B.3.2g　
C.6.4g
D.9.6g
解析:n(H+)=0.1+0.8=0.9(mol)；n(NO3-)=0.1mol
3Cu + 8H+ + 2NO3-=3Cu2++2NO↑+4H2O
3 8 2
？ 0.9mol 0.1mol
NO3-不足,溶解n(Cu)=0.15mol;m(Cu)=9.6(g)
D
五、综合运用
例5：将4.8gCu粉和Mg粉的混合物加入600mL 1mol/L的HNO3溶液中充分反应，金属完全溶解，产生2.24L NO(标准状况)气体，向所得溶液中加入2mol/L的NaOH溶液至恰好沉淀完全，则
（1）生成的沉淀的质量为 g
（2）消耗NaOH溶液的体积是 mL
9.9
250
知识小结
金属失电子数＝n(NO2)＋3n(NO)
n(HNO3)＝xn[M(NO3)x]＋n(NO2)＋n(NO)
n(HNO3)酸性＝xn(Mx＋)＝n(转移电子)
若向反应后的溶液中加入NaOH溶液恰好使Mx＋沉淀完全，此时溶质为NaNO3，则存在：n(Na＋)＝n(NO3－)＝n(HNO3)－n(NO)－n(NO2)

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