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(共31张PPT)
第一单元 氮的固定
专题7 氮与社会可持续发展
学习目标
核心素养
1.了解氮的固定。
2.认识氮氧化物的性质和用途。
1.建立认知模型，并能运用模型解释氮氧化物与水的反应。
2.具有安全意识和严谨求实的科学态度，认识氮氧化物的污染。
氮的固定
新课导入
氮的固定
新课导入
氮的固定
德国化学家弗里茨·哈伯
空气中含量最多的是氮气，氮是农作物生长必需元素。20世纪初，德国化学家哈伯首次合成氨，人类进入新的农业时代。
氮元素的存在
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。
氮是自然界各种生物体生命活动不可缺少的重要元素，自然界是怎样通过氮的循环为生物体提供氮元素的呢？
一、氮分子的结构
知识拓展
温故知新
空气的组成稳定，其总体积中约 是氮气，约 是氧气。
氮气可能具有怎样的性质？
氮分子的具有什么样的结构？
一、氮分子的结构
78%
21%
性质稳定，与大多数物质难反应。
知识梳理
一、氮分子的结构
游离态：N2
∶N N∶
N≡N
1．自然界中氮元素
化合态：硝酸盐、铵盐等
2．氮气物理性质
无色、无味，密度比空气稍小，难溶于水
3．电子式：
结构式：
液氮
结构决定性质化学性质？
知识梳理
一、氮分子的结构
4．氮气化学性质
通常状况下，N2的化学性质不活泼
N≡N
氮氮三键键能较大
催化剂
高温、高压
N2 + 3H2 2NH3
N2 + O2 2NO
放电或高温
N2 + 3Mg Mg3N2
点燃
反应中氮气表现什么性质？
氧化性
氧化性
还原性
二、自然固氮
新课导入
大气中N2
NH3
尿素及动植物遗体
土壤中的微生物
氮素化肥
自然界中氮的循环
二、自然固氮
新课导入
大自然通过闪电、火山爆发等释放的能量将氮气转化为含氮的化合物，或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。
交流讨论
空气中的氮气如何转化为含氮的化合物？
1．氮的固定：
（1）将空气中游离态的氮转化成含氮化合物，简称固氮。
（2）分类
二、自然固氮
知识梳理
合成氨 (N2＋3H2 2NH3)
仿生固氮
高能固氮(N2＋O2 2NO)
生物固氮(豆科植物根瘤菌)
自然固氮
人工固氮
10%
高温高压
催化剂
90%
二、自然固氮
学以致用
例1.氮在自然界中的循环如下图所示。
(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)
(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。
(3)过程④中的亚硝酸盐有毒，工业上若直接排放将会造成环境污染。已知NaNO2遇到还原性较强的 会被还原为N2，在废液中加入下列物质不能使NaNO2无害化排放的是_____(填字母)。 a.H2O2　 b.NH4Cl　c.KNO3　　d.NaOH
人工固氮
氧化
催化剂
高温、高压
N2 + 3H2 2NH3
豆科植物根瘤菌
还原
acd
二、自然固氮
归纳总结
(1)氮的固定必须为将游离态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)。
二、自然固氮
2．一氧化氮、二氧化氮
视频导学
闪电有助于生成氮氧化合物
交流讨论
“雷雨发庄稼”怎么解释？
2NO + O2 === 2NO2
N2＋O2===2NO
放电
3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO
二、自然固氮
2．一氧化氮、二氧化氮
氮的固定实验
视频导学
二、自然固氮
2．一氧化氮、二氧化氮
视频导学
氮的氧化物
N2O
NO
N2O3
NO2
N2O4
N2O5
+1
氮元素的常见化合价：
+2
+3
+4
+5
思考交流
2NO + O2 === 2NO2
(1) NO
NO能使人中毒，其原理与CO相似
无色无味气体，不溶于水，有毒
NO不能与O2大量共存
只 能 用 排 水 法 收 集
①物理性质
②化学性质
二、自然固氮
2．一氧化氮、二氧化氮
知识梳理
NO一向被视为大气污染物，却在生命过程中有如此重要的功能，这是否能给人们一些什么启示呢？
人们发现在生物体内存在少量的一氧化氮，具有扩张血管、促进消化和增强记忆力的特殊功能。一氧化氮起着生物信使分子的特殊作用，在人体内扮演着传递重要讯息和调节细胞功能的角色。高血压、动脉粥样硬化、冠状动脉炎等心血管疾病都是因为人体内一氧化氮长期供给不足而引起的。
1998年的诺贝尔生理学和医学奖的主要研究成果是发现NO在人体的血管系统内具有传送信号的功能。
拓展视野
信使分子——NO
二、自然固氮
密度比空气的大、易液化、易溶于水
3NO2＋H2O === 2HNO3＋NO
+4 +5 +2
红棕色、有刺激性气味的有毒气体
②化学性质
NO2既是氧化剂又是还原剂
(2)NO2
①物理性质
2．一氧化氮、二氧化氮
知识梳理
二、自然固氮
①将盛满NO2气体的试管倒置于盛水的水槽中，如图甲所示。
③将制得的O2缓慢通入步骤①的试管中，如图乙所示。
NO2能溶于H2O并发生反应，为了使NO2尽可能被H2O吸收，某化学兴趣小组设计了如下实验步骤，以探究NO2被H2O吸收的程度。
②制备一定量O2。
探究实验
图甲
图乙
二、自然固氮
NO2被H2O吸收的实验
实验步骤 现象 解释
将充满NO2的试管倒立水槽中
红棕色逐渐消失，试管水位上升到试管容积2/3处
4NO2+2H2O+O2 === 4HNO3
继续通入氧气
水逐渐充满试管
3NO2+H2O===2HNO3+NO
2NO+O2===2NO2
向试管通入O2
水位继续上升，红棕色又消失
3NO2+H2O === 2HNO3+NO
实验中观察到的现象是什么？反应的化学方程式是什么？
问题思考：
实验结论：通过实验得到的结论是什么？
无色气体变成红棕色
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，即V(NO2)∶V(O2)＝4∶1时NO2恰好完全被水吸收
二、自然固氮
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ①
2NO＋O2===2NO2 ②
由方程式①×2＋②得：
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 ③
由方程式①×2＋②×3得：
4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 ④
(2)氮氧化物溶于水的不同情况及剩余气体：
(1)相关反应原理
①NO2与O2的混合气体溶于水(反应③)
② NO与O2的混合气体溶于水(反应④)
氮的氧化物溶于水的数量关系
归纳总结
二、自然固氮
特别说明
(2)对于连续发生的化学反应，可用化学方程式叠加的方法得到复合反应，解决问题更简便。
(1) 氮的氧化物与O2的混合气体溶于水时，剩余的气体可能是O2，也可能是NO，但不可能是NO2。
二、自然固氮
课堂总结
二、自然固氮
一氧化氮、二氧化氮性质比较
性 质 NO NO2
物理性质
毒 性
与水反应
与氧气反应
实验室制备
收集方法
其他
对环境影响
无色、无味的有毒气体，难溶于水
红棕色、有刺激性气味的有毒气体
不反应(难溶于水)
3NO2+H2O====2HNO3+NO
2NO+O2====2NO2
不反应
铜与稀硝酸反应
铜与浓硝酸反应
常用排水法
常用向上排空气法
2NO2 N2O4
导致光化学烟雾和酸雨，破坏臭氧层
有毒（跟血红蛋白结合）
有毒
1909年，德国化学家哈伯经过反复的实验研究后发现，在500~600℃、17.5~20.0MPa和锇为催化剂的条件下，反应后氨的含量可达到6%以上，具备了工业化生产的可能性。
哈伯
(F.Haber，1868-1934)
为了把哈伯合成氨的实验室方法转化为规模化的工业生产，德国工程师博施作出了重要贡献。由于合成氨工业生产的实现和相关研究对化学理论与技术发展的推动，哈伯和博施都获得了诺贝尔化学奖。
合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大成就。
人 工 固 氮
合 成 氨
三、人工固氮——合成氨
科学史话
三、人工固氮——合成氨
1．原料
2．原理
3．化工流程
4．意义
知识梳理
合成氨工厂
氮气、氢气
N2＋3H2 2NH3
高温高压
催化剂
为植物提供足够氮肥，提高了粮食产量。
ΔH＝-92.4 kJ·mol－1
N2＋3H2 ——→ 合成塔 → 分离塔 → NH3
高温加压
课堂小结
氮的固定
一、氮分子的结构
氮元素的存在、氮分子的结构、氮气的性质
二、自然固氮
1．自然固氮(高能固氮、生物固氮)和人工固氮
2．一氧化氮和二氧化氮
三、人工固氮——合成氨
2NO + O2 === 2NO2
N2＋O2===2NO
放电
3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO
N2＋3H2 2NH3
高温高压
催化剂
C
知识巩固
当堂训练
解析　氮的固定是将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。
1.下列过程中不属于氮的固定的是( )
A.工业制氨气
B.雷雨天产生NO
C.由氨气生成硝酸铵
D.氮气在根瘤菌作用下生成
2.对3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反应的下列说法正确的是（ ）
A.氧化剂与还原剂的质量比为1∶2
B.氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2
C.NO2是氧化剂，H2O是还原剂
D.在反应中若有6 mol NO2参与反应时，有3 mol电子发生转移
A
知识巩固
当堂训练
解析　该反应中NO2既是氧化剂又是还原剂，硝酸为氧化产物，NO为还原产物。硝酸与NO的物质的量之比为2∶1，还原剂(NO2)与氧化剂(NO2)的物质的量之比为2∶1。若有6 mol NO2参与反应，则转移电子4 mol。
3.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
C
当堂训练
解析　①N2→NO2不能一步完成，②③NO2与H2O反应即可，但H2O不是氧化剂，④N2→NO中N2被氧化，需要加入氧化剂，⑤N2与H2反应生成NH3，加入的H2是还原剂。
本节内容结束

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