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7.1 氮的固定
【学习目标】
1.能依据氮分子的微观结构预测其性质。
2.了解氮气的性质和氮的固定,认识氮气在生产生活中的应用。
3.了解一氧化氮、二氧化氮的主要性质,认识它们之间转化的价值。
【合作探究】
【学习情境】
在新疆和青海交界处有一狭长山谷,每当牧民和牲畜进入后,风和日丽的晴天顷刻间电闪雷鸣,狂风大作,人畜往往遭雷击倒下,奇怪的是这里的牧草茂盛、四季常青,被当地牧民称为“魔鬼谷”。你知道“魔鬼谷”牧草茂盛、四季常青的原因吗
任务1　氮分子的结构和性质
【新知生成】
一、氮气的结构
1.电子式:　　　　,结构式:　　　　。
2.破坏氮气分子中氮氮三键需要　　　　的能量,所以氮气分子　　　　,化学性质　　　　　　　　　。
二、氮气的性质
1.物理性质
通常状况下,氮气是　　　　色　　　　味的气体,难溶于水,密度略　　　　空气。
2.化学性质
在　　　　或　　　　等特殊条件下,氮气能与一些金属或非金属单质发生反应,生成含氮化合物。
【答案】一、 1.︰N N︰　N≡N　2.很大　很稳定　很不活泼　二、 1.无　无　小于　2.高温　放电
【核心突破】
典例1　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可用下图表示。下列说法正确的是(　　)。
A.N2易溶于水
B.N2的结构式为︰N≡N︰
C.④的离子方程式为3N+4O2N+2H++N2O+5H2O
D.反硝化作用可实现从化合态氮向游离态氮的转化
【答案】D
【解析】N2难溶于水,A项错误;N2的结构式为N≡N,B项错误;④的离子方程式为4N+5O22N+N2O+6H++5H2O,C项错误。
【归纳总结】
N2分子结构稳定,化学性质不活泼,常见的反应有:
1.3Mg+N2Mg3N2
2.3H2+N22NH3
3.N2+O22NO
训练1　实验室以空气和镁为原料制备Mg3N2的装置如图所示(夹持和加热装置略
下列说法正确的是(　　)。
A.装置A、B中可依次加入浓硫酸、NaOH溶液
B.若去掉装置C,对产品纯度无影响
C.实验时应先加热C,通入一段时间空气后再加热D
D.E中碱石灰的作用是吸收尾气
【答案】C
【解析】要制备氮化镁,需要除去空气中的氧气、CO2和水蒸气,则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸,A项错误;若去掉装置C,镁与氧气反应生成氧化镁,对产品纯度有影响,B项错误;实验时,应先加热C,通入一段时间空气除去氧气,然后再加热D,C项正确;装置E中碱石灰的作用是防止空气中的水蒸气和二氧化碳进入装置D与镁粉反应,D项错误。
任务2　氮的固定
【新知生成】
一、概念
将空气中　　　　转化成　　　　　　　　叫作氮的固定,简称固氮。
二、分类
氮的固定主要有　　　　和　　　　两种方式。
三、途径
1.生物固氮:N2NH3(或　　　　态氮肥)
2.高能固氮:N2　　　　……→硝酸盐
3.人工固氮:N2
【答案】游离态的氮　氮化合物　自然固氮　人工固氮　铵　NO　NH3
【核心突破】
典例2　下列反应属于氮的固定的是(　　)。
①N2和H2在一定条件下合成NH3
②NO2和H2O反应生成HNO3和NO
③Mg在N2中燃烧生成Mg3N2
④NO被空气氧化为NO2
A.①② B.②③
C.①③ D.①④
【答案】C
【解析】氮的固定是将游离态的氮转化为含氮化合物,①③符合题意。
【归纳总结】
固氮,游离态氮转变为化合态氮的过程包括:
训练2　中国科学院科研团队研究发现,在常温常压和可见光下,基于LDH(一种固体催化剂)合成NH3的原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)。
A.该过程将太阳能转化成为化学能
B.消耗18 g水时,将生成11.2 L O2
C.该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶3
D.该过程属于氮的固定
【答案】B
【解析】由图可知,该过程是将太阳能转化成化学能,A项正确;该反应的化学方程式为2N2+6H2O4NH3+3O2,每消耗18 g水,将生成0.5 mol O2,但是没有指明是标准状况,因此O2的体积不一定是11.2 L,B项错误;反应中N元素的化合价由0变为-3,化合价降低,O元素的化合价由-2变为0,化合价升高,所以水为还原剂,氮气为氧化剂,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶3,C项正确;基于LDH合成NH3的过程是将氮气转化为NH3的过程,属于氮的固定,D项正确。
任务3　氮氧化物的性质
【新知生成】
1.物理性质
常温下,NO为　　　　色、　　　　味的气体,微溶于水;NO2为　　　　色、有　　　　气味的气体。两者均　　　　毒。
2.化学性质
①NO与O2反应:　 ;
② NO2与H2O反应:　 。
【答案】无　无　红棕　刺激性　有　2NO+O22NO2　3NO2+H2O2HNO3+NO
【核心突破】
典例3　如图所示,试管中盛装的气体呈红棕色,当倒扣在盛有水的水槽中时,试管内水面上升,但不能充满试管,当向试管内鼓入氧气后,可以观察到试管中水面继续上升,经过多次重复后,试管被水充满,对原试管中盛装的气体说法正确的是(　　)。
A.可能是N2与NO2的混合气体
B.可能是NO气体
C.可能是NO与NO2的混合气体
D.只可能是NO2一种气体
【答案】C
【解析】试管中盛装的气体呈红棕色,那么一定有二氧化氮存在。根据题述现象可知,原试管中盛装的气体的成分可能为①NO2、②NO2和O2(少量)、③NO2和NO等。
【归纳总结】
1.氮的氧化物有N2O(笑气)、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5等,均为大气污染物。
2.NaOH、Na2CO3等碱性溶液可吸收NO2和NO:
①2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O
②NO2+NO+2NaOH2NaNO2+H2O
3.NH3、CO等还原性物质也可去除NO2、NO污染。
训练3　Murad等三位科学家最早提出NO分子在人体内有独特功能,近年来此领域研究有很大进展,因此这三位科学家荣获了诺贝尔医学及生理学奖。最新研究表明:NO吸收治疗法可快速改善SARS重症患者的缺氧状况,缓解病情。病毒学研究同时证实:NO对SARS病毒有直接抑制作用。下列关于NO的叙述中正确的是(　　)。
A.NO是无色气体,可用排空气法收集
B.常温下,氮气与氧气混合就可迅速产生NO
C.常温下,NO很容易与空气中的O2化合生成NO2
D.一定条件下,N2与O2反应可以直接合成NO2
【答案】C
【解析】NO与O2反应,不能用排空气法收集,A项错误;N2、O2需要放电或高温条件下才能生成NO,B项错误;NO与O2常温下就可以生成NO2,C项正确;N2与O2反应先生成NO,NO再与O2反应才能生成NO2,D项错误。
【课堂小结】
【随堂检测】
1.氮气的用途很广泛,下列不属于氮气用途的是(　　)。
A.合成氨制作氮肥
B.充入灯泡作保护气
C.液氮可作制冷剂
D.医疗上可作为危重病人的急救气
【答案】D
【解析】氮气与氢气合成氨能用于制作氮肥,氮气充入灯泡可作保护气,液氮蒸发吸热用作制冷剂,均属于氮气的用途;氮气不具有帮助呼吸的性质,医疗上不可作为危重病人的急救气。
2.氮的固定是指(　　)。
A.植物从土壤中吸收氮肥
B.大豆的根瘤菌将含氮的化合物转变为蛋白质
C.将空气中的氮气转变为氮的化合物
D.硝酸和氨气反应生成氮肥
【答案】C
3.把少量NO2气体通入过量小苏打溶液中,再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠固体的干燥管,最后收集到的气体是(　　)。
A.氧气 B.二氧化氮
C.二氧化氮和氧气 D.二氧化氮和一氧化氮
【答案】C
【解析】少量NO2气体通入过量小苏打溶液中,发生反应:3NO2+H2O2HNO3+NO、HNO3+NaHCO3NaNO3+CO2↑+H2O,逸出的气体是NO、CO2,二者物质的量之比为1∶2,同时还有少量水蒸气逸出,再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠固体的干燥管,CO2与过氧化钠反应生成的O2再与NO反应生成NO2,O2有剩余,同时逸出的少量水蒸气与过氧化钠反应生成O2,所以最后收集到的气体是NO2和O2。
4.自然界中氮的循环如图所示。回答下列问题:
　(1)过程①利用豆科植物的根瘤中的　　　　将空气中的氮气固定下来。
(2)过程②中最重要的是合成氨工业,其反应的化学方程式为　 。
(3)过程③涉及多步反应,其中属于固氮反应的化学方程式为　 。
(4)生产氮素化肥的过程中往往会产生氮的氧化物污染。已知:N2O3是一种酸性氧化物,请写出N2O3与NaOH溶液反应的离子方程式:　 。
【答案】(1)固氮菌　(2)N2+3H22NH3　
(3)N2+O22NO　(4)N2O3+2OH-2N+H2O
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