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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
第1课时
2
1
本节重点
本节难点
氮气的性质及用途
氮气与氮的固定
农谚有云：“种豆子不上肥，连种几年地更肥”
空气中氮元素丰富，但大多数的植物不能直接利用，豆科植物与根瘤菌共生可以将氮气转化成植物需要的氮素营养，同时固定的氮素也会释放到土壤中，从而被其他植物利用。
思考：自然界是怎样通过氮的循环为生物体提供氮元素的呢？
游离态：主要以_______的形式存在于空气中。
化合态：部分存在于动植物体内的 中；
部分存在于土壤、海洋里的 中。
氮气与氮的固定
氮分子
蛋白质
硝酸盐和铵盐
氮元素在自然界中的存在
空气的成分(按体积)
(78%) 氮气
(21%)
氧气
氮元素位于元素周期表中：第2周期 ⅤA族
氮气与氮的固定
元素周期表中的位置
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。
氮气与氮的固定
氮原子得失电子情况
氮原子结构示意图
氮气
氮气与氮的固定
探究一 观察实验桌上的氮气，总结氮气的物理性质
氮气的物理性质
颜色
状态
密度
气味
无色
气体
密度比
空气略小
无味
溶解性
难溶
于水
收集氮气时用排水法不用排空法！
氮气
氮气与氮的固定
氮气
氮气在空气中的体积分数为78%，化学性质稳定，这是为什么呢？(从化学键的角度分析)
共价三键(N≡N)
较多
稳定
很难
氮气与氮的固定
氮气
氮气
氮分子形成过程
N
N
N
N
氮分子内两个氮原子间以_______________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，无法被大多数生物体直接吸收。
氮气的稳定性
化学性质不活泼—保护气
焊接金属时用作保护气
充入灯泡中以延长使用寿命
充入食品包装中以防腐
氮气与氮的固定
氮气的用途
液氮 — 制造低温
医疗上可在液氮冷冻
麻醉条件下做手术
超导材料在液氮的低温
环境下能显示超导性能
氮气与氮的固定
氮气的用途
化肥和化工原料
氮气与氮的固定
氮气的用途
硝酸
氮肥
硝酸甘油
高温、放电等条件下，氮分子获得了足够的能量，使N≡N断裂，氮气能够与镁、氧气、氢气等物质发生化合反应，氮气分子中氮元素化合价为0，是氮元素的中间价态，在一定条件下能表现出氧化性或还原性。
氧化性
N2＋3Mg Mg3N2
点燃
-3
0
N2＋3H2 2NH3
高温、高压
催化剂
-3
0
N2＋O2 2NO
放电或高温
+2
0
氮气与氮的固定
氮气的用途
还原性
(工业上合成氨)
概念
游离态
的氮
氮的
化合物
氮的固定
氮气与氮的固定
氮气的固定
分类
雷电/大气/高能固氮
(如雷雨天气N2转化为NO)
生物固氮
(如豆科植物的根瘤菌固氮)
合成氨 (工业上合成氨)
仿生固氮
(某些金属有机化合物可起到根瘤菌的作用)
自然
固氮
人工
固氮
回顾所学内容，判断下列问题的对与错
问题1
氮元素有多种化合价，其最高正价为＋5价(　　)
氮原子与其他原子只能形成共价键，不能形成离子键(　　)
问题2
氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气(　　)
问题3
硝酸盐在某些细菌作用下转化成氮气为自然固氮(　　)
问题4
高温、高压、催化剂条件下，1 mol N2与3 mol H2混合可生成2 mol NH3 (　　)
问题5
氮气与氮的固定
探究二 观察氮在自然界中的循环，回答相关问题
氮在自然界中主要存在形式有哪些？
思考1
大部分以氮气的形式存在，少部分以化合物的形式(如硝酸盐、铵盐、蛋白质等)存在
人体里的蛋白质中的氮元素是从哪儿来的？
思考2
人体里蛋白质中的氮是从外界摄入的，特别是肉类、蛋类物质等。若溯本求源，则来自大气中的N2
自然界中有哪些固定氮的途径？
思考3
自然界中固氮主要有自然固氮和人工固氮，自然固氮有高能固氮(雷电作用)、生物固氮(豆科植物)
氮循环中，有的对人类生产生活有益，有的则产生负面作用，举例说明
思考4
有益：人工固氮如合成氨，为农作物的生长提供了必需的氮元素等
有害：工业废气、汽车尾气中的氮氧化物会造成大气污染等
【例1】下列关于性质的叙述中错误的是( )
A.任何物质在氮气中都不能燃烧
B.氮气既具有氧化性，又具有还原性
C.将空气中的氮气转变成含氮化合物属于氮的固定
D.氮气与氧气在一定条件下反应生成一氧化氮
【例2】下列叙述与氮的固定无关的是( )
A.工业上氮气与氢气化合成氨
B.工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物
C.豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为含氮化合物
D.电闪雷鸣的雨天，空气中的氮气会与氧气发生反应并最终转化为硝酸盐被植物吸收
A
B
仿生化学模拟生物固氮酶
无论是在工业合成氨还是在生物固氮酶固氮过程中，铁氮化物(Fe≡N)均被认为氮气还原转化为氨气的关键中间体。近年来，基于理论计算研究推测，活泼的氮化物中间体的生成与氢化还原放氨，可能是通过多个铁中心的协同作用而得以实现的，但是迄今为止仍然缺乏可靠的实验证据。
1．下列叙述错误的是
A．氮元素位于元素周期表的第二周期，第VA族
B．氮元素主要以氮分子的形式存在自然界中
C．氮元素最外层有5个电子
D．氮分子中的两个氮原子通过离子键结合
【答案】D
【详解】A．氮原子核外电子数为7，核外K、L层依次排有2、5个电子，氮元素位于元素周期表的第二周期、第VA族，A项正确；
B．在自然界里，氮元素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，B项正确；
C．氮原子核外电子数为7，核外K、L层依次排有2、5个电子，即最外层有5个电子，C项正确；
D．氮分子中两个氮原子间以共价三键(N≡N)结合，D项错误；
2．有关氮元素的说法错误的是
A．自然界里氮元素主要以游离态的形式存在于空气中
B．豆科植物能进行高效固氮，固氮过程与氧化还原反应有关
C．合成氨工艺是将氮气和氢气在常温、高压、催化剂条件下转化成氨气
D．“雷雨发庄稼”的过程中氮元素呈现了4种不同的化合价
【答案】C
【详解】A．空气中氮气占78%，所以自然界里氮元素主要以游离态的形式存在于空气中，A正确；
B．豆科植物固氮时，将N2转化为NH3，所以固氮过程是一个氧化还原反应过程，B正确；
C．合成氨反应是以氮气和氢气为原料，条件是高温、高压、催化剂，C不正确；
D．“雷雨发庄稼”的过程中，发生N2→NO→NO2→HNO3等转化，氮元素呈现了4种不同的化合价，D正确；
3．N2能大量存在于空气中，且能维持固定含量的最主要原因是
A．氮元素的非金属性弱
B．氮元素的非金属性强
C．氮气可作保护气
D．氮分子中N≡N键能大
【答案】D
【详解】氮原子的原子半径较小，元素的非金属较强，但是氮气分子中存在氮氮三键，键能大，破坏它需要很大的能量，因此氮气能够大量、稳定地存在存在于空气中，其性质稳定，能够做保护气，故选D。
4．关于氮气的性质的说法中，错误的是
A．氮在自然界中既以游离态存在又以化合态存在
B．通常情况下，氮气性质很不活泼
C．在反应3Mg＋N2=Mg3N2中N2作氧化剂
D．放电条件下可与氧气反应生成二氧化氮
【答案】D
【详解】A．氮在自然界中存在游离态，如空气中的N2，也有化合态，如蛋白质中的氮，故A正确；
B．氮气分子内存在氮氮三键，键能很高，氮气化学性质稳定，一般不和其他物质发生反应，故B正确；
C．在反应3Mg＋N2=Mg3N2中，N元素化合价降低，N2作氧化剂，故C正确；
D．放电条件下氮气与氧气反应生成一氧化氮，故D错误；
5．氮元素在海洋中的循环是整个海洋生态系统的基础和关键，海洋中无机氮的循环过程如图所示，下列说法正确的是
A．①~⑤均发生了氧化还原反应
B．③、④反应均属于氮的固定
C．NH4+、NO2-、NO3-的含量影响海洋生物的生长
D．生物死亡后，氮不会参与海洋中的氮循环。
【答案】C
【详解】A．过程①为氮气的溶解，不属于氧化还原反应，故A错误；
B．氮的固定是指游离态的氮转化为化合态氮的过程，过程③④均是化合态转化为游离态氮的过程，均不属于氮的固定，故B错误；
C．氮元素是植物生长必需的元素，NH4+、NO2-、NO3-的含量影响海洋生物的生长，故C正确；
D．生物死亡后，身体腐烂、分解，使氮元素回归自然界，进而参与海洋中的氮循环，故D错误；
氮气
氮的固定
概念
分类
物理性质
化学性质
氮的循环
第二节
氮及其化合物
第1课时
THANKS

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