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第二节 氮及其化合物
第五章 化工生产中的重要非金属元素
——氮气与氮的固定
一氧化氮和二氧化氮
（大气：N2及少量的NH3、NO、NO2）
雷电作用
产生NO
NH3
根瘤菌固氮
人工合成NH3
酸雨HNO3
动物遗体或者排泄物
铵盐或者氨
硝酸盐
NO经氧化等转化
亚硝酸盐
植物吸收产生蛋白质
硝酸盐 分解产生氮气
硝化作用
NO、NO2
NO、NO2
-3
0
+2
+4
+5
氢化物
单质
氧化物
酸
碱
盐
NH3
N2
NO 2 、N2O4
NO
HNO3
HNO2
NaNO3
NaNO2
+3
NH3·H2O
NH4·Cl
氮元素的价类二维图
氮的固定
游离态的氮
氮的化合物
N2
含“N”物质
一、氮的固定
概念：将大气中 的氮转化为 的过程
游离态
氮的化合物
氮的固定
分类
自然固氮
高能固氮(雷雨或者火山喷发)
生物固氮(如豆科植物的根瘤菌固氮)
人工固氮
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作用)
高能固氮
生物固氮
合成氨
仿生固氮
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
科学史话
在我们空气中含量最多的就是氮气，
为何大多数农作物不能直接利用吸收氮气而需要施氮肥？
二、氮气
N的位置？
N的电子结构
第二周期、第ⅤA族
最外层有5个电子
1.氮元素的非金属性比氧元素弱，比碳元素强 ，也比磷强。
硝酸的酸性比碳酸强，也比磷酸强。
2.氮元素的最高价态为+5，最低价态为-3。
结构决定性质
2.1 氮元素的“位-构-性”
+7
2
5
①游离态：主要以 的形式存在于空气中。
②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。
氮气分子
蛋白质
硝酸盐和铵盐
2.2氮元素在自然界中的存在形式
2.3 氮气的物理性质
{EB344D84-9AFB-497E-A393-DC336BA19D2E}颜色
状态
气味
密度
溶解性
_____
气体
_____
密度与空气接近
___溶于水
无色
无味
难
氮气占空气体积的78%
(1)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。因此无法被大多数生物体直接吸收。
共价三键(N≡N)
较多
稳定
很难
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}电子式
结构式
氮氮三键
稳定
很难
①金属镁： ，
（Li、Mg、Ca）
②氢气： ，
氧化性
还原性
人工合成氨
2.4 氮气的化学性质
可逆反应
N2+3Mg===Mg3N2
点燃
N2+3H2====2NH3
催化剂
高温高压
N2+O2======2NO
放电
或高温
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}物质
颜色 密度
状态
气味
毒性
水溶性
NO
气体
有毒（与血红蛋白结合）
___溶于水
NO2
气体
有毒
溶于水
3.1 一氧化氮和二氧化氮的物理性质
无色
无味
不
红棕色
刺激性
易
与空气相近
大于空气
三、一氧化氮和二氧化氮
三、一氧化氮和二氧化氮
实验
装置

{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}实验
操作
在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，观察颜色 ， 然后吸入5mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器
现象
___________
结论
无色
无色气体变红棕色
红棕色变为无色
NO难溶于水
无明显现象
三、一氧化氮和二氧化氮
实验
装置

{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}实验
操作
打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹，观察现象，然后再振荡注射器
现象
_________________,
振荡后________________
结论
三、一氧化氮和二氧化氮
实验
装置

{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}实验
操作
打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹，观察现象，然后再振荡注射器
现象
_________________,
振荡后________________
结论
无色气体变红棕色
红棕色变为无色
在一定条件下，
NO和NO2可以相互转化。
NO化学性质
2NO+O2===2NO2
（还原性为主）
3NO2+H2O===2HNO3+NO
NO2化学性质
2NO2 ? N2O4(无色气体)
?
NO2与水反应转化为NO的同时生成HNO3， NO2既作氧化剂又作还原剂。
3.2 一氧化氮与二氧化氮的化学性质
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？
2NO+O2===2NO2
3NO2+H2O===2HNO3+NO
(1) 原理
解答氮的氧化物溶于水的计算问题首先明确原理，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，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，不能是NO2。
工业生产硝酸的启示
① NO与O2同时通入水中
2NO+O2===2NO2 ①
3NO2+H2O===2HNO3+NO ②
①×3+②×2 总的化学方程式为 4NO+3O2+2H2O===4HNO3
工业生产硝酸的启示
② NO2和O2混合气体溶于水的计算
3NO2+H2O===2HNO3+NO ①
2NO+O2===2NO2 ②
①×2+② 总的化学方程式为 4NO2+O2+2H2O===4HNO3
工业生成硝酸的启示
如果以氨气和氧气为初始原料，生成产物为硝酸，应该最佳比例为：
如果以氨气和氧气为初始原料，生成产物为硝酸铵，应该最佳比例为：
（守恒配平）（板演）
工业生成硝酸的启示------循环利用定量守恒
(1) NO和NO2分别采用什么方法收集？
(2)NO2转化为NO的变化中，NO2只能作氧化剂吗?
常温下NO能与O2反应，只能用排水法收集；
NO2能与水反应生成NO，故只能用排空气法收集。
NO2与水反应转化为NO的同时生成HNO3， NO2既作氧化剂又作还原剂。
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
【总结】NO和NO2的性质对比
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
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。
√
氮气与氮的固定
一氧化氮和二氧化氮
氮气
氮原子的结构
氮气的性质
物理性质
无色无味不溶于水
化学性质
氧化性：与镁、氢气反应
还原性：与氧气反应
氮的固定
自然固氮
雷雨固氮
根瘤菌固氮
人工固氮
合成氨
仿生固氮
一氧化氮、
二氧化氮
一氧化氮的性质
一氧化氮物理性质
无色、有毒、气体，不溶于水
一氧化氮化学性质
与氧气反应
二氧化氮的性质
二氧化氮物理性质
红棕色，有毒，刺激性气味气体
二氧化氮化学性质
与水反应
请依据本节课的内容，解释“雷雨丰庄稼”的原理，
并用化学方程式解释
雷电发生时，N2和O2化合生成NO，
NO迅速被氧化为NO2，
NO2溶于水生成HNO3，
HNO3和土壤作用生成硝酸盐，
NO3-可被植物吸收
2NO+O2====2NO2
3NO2+H2O====2HNO3+NO
N2+O2====2NO
放电
HNO3+NH3====NH4NO3
+O2
+O2
+H2O
+NH3
N2 NO NO2 HNO3
NH4NO3
农业技术
化肥产业
【课堂练习】
1. 如图所示的试管中装有12 mL NO，然后间歇缓慢地通入8 mLO2。有关最终状态的描述：①试管内气体呈红棕色，②试管内气体呈无色，③试管内液面不变，④试管内液面上升，⑤试管内气体是O2，⑥试管内气体是NO 。其中正确的是(　　)
C
A． ①③ B． ②④⑤
C． ②④⑥ D． ②③⑤
【课堂练习】
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
【课堂练习】
3. 在容积为672 mL的烧瓶中充满NO和NO2的混合气体，将其倒立在水槽里，去塞后再通入280 mL氧气，恰好完全反应，且液体充满烧瓶(气体体积都已折合为标准状况下的体积)，下列有关叙述正确的是(　　)
B
A． 总反应为NO＋NO2＋O2＋H2O === 2HNO3
B． 总反应为4NO＋8NO2＋5O2＋6H2O === 12HNO3
C． 生成硝酸的物质的量浓度均为0.030 mol·L－1
D． 生成硝酸的物质的量浓度约为0.060 mol·L－1

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