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第二节　氮及其化合物
第1课时　氮气与氮的固定　一氧化氮和二氧化氮
第五章　化工生产中的重要非金属元素
课程标准 核心素养目标
1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮气、氮氧化物的主要性质。
2．认识氮气、氮氧化物在生产中的应用和对生态环境的影响。 1.宏观辨识与微观探析：通过分析氮的原子结构，推断含氮物质可能的化学特性，理解结构与性质的关系。
2．科学探究与创新意识：通过实验探究，了解一氧化氮与氧气反应、二氧化氮与水反应等性质，感受化学变化的奇妙。
一、氮气与氮的固定
1．氮元素及在自然界中的存在
(1)氮元素的原子结构
氮元素位于元素周期表的第二周期、第 族。氮原子的原子结构示意
图为 ，氮原子的最外电子层有 个电子，既不容易得到 个电子，也不容易失去 个电子。氮原子一般通过 与其他原子相互结合构成物质。
ⅤA
5
3
5
共用电子对
(2)氮元素在自然界中的存在
①游离态：主要以 的形式存在于空气中，约占空气体积的 。
②化合态：存在于动植物体内的 中，土壤、海洋里的 盐和 盐中。
2．氮气的物理性质
氮气是一种 色、 味、密度与空气接近、 溶于水的气体。
氮分子
78%
蛋白质
硝酸
铵
无
无
难
3．氮气的分子结构与化学性质
(1)分子结构
氮分子的结构式为 ，两个氮原子间以 结合，因此N2的化学性质很稳定，通常情况下难以与其他物质发生化学反应，无法被大多数生物体直接吸收。
(2)化学性质
在 等条件下，氮分子获得了足够的能量，使 断裂，氮气能够与镁、氧气、氢气等物质发生化合反应(写出下列反应的化学方程式)。
N≡N
共价三键
高温、放电
N≡N
①与镁反应： ，氮气表现 性；
②与氧气反应： ，氮气表现 性；
③与氢气反应： ，氮气表现 性。
氧化
还原
氧化
4．氮的固定
定义 将大气中 的氮转化为 的过程
分类 自然固氮 空气中的N2与O2在闪电作用下反应生成NO，豆科植物根部的 直接将N2固定
人工固氮 合成氨(工业上合成氨)等
游离态
氮的化合物
根瘤菌
二、一氧化氮和二氧化氮
1．一氧化氮(NO)
(1)物理性质
颜色 状态 水溶性
气体
无色
不溶于水
(2)化学性质
NO具有较强的还原性，在常温下很容易与氧气化合，生成NO2，反应的化学方程式为 。
2NO＋O2===2NO2
2．二氧化氮(NO2)
(1)物理性质
颜色、状态 气味 密度 水溶性 特性
色气体 刺激性气味 密度比空气的 溶于水 液化
(2)化学性质
①NO2与水的反应：
NO2溶于水时生成硝酸和一氧化氮，工业上利用这一原理生产硝酸，反应的化学方程式为 。
红棕
大
易
易
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
②实验探究NO2溶于水(实验55)：
实验操作 实验装置或实验现象 结论
在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，然后吸入5 mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器，观察现象
无明显现象
NO不溶于水
实验操作 实验装置或实验现象 结论
打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹，观察现象 气体由无色变为 NO与空气中的O2反应生成NO2
振荡注射器，再观察现象 气体变为 ，注射器活塞左移 NO2与水反应生成NO，气体体积
红棕色
无色
减小
◆名师点拨
自然界中氮元素的重要作用
(1)氮是构成生物体的基本元素，也是维持高等动植物生命活动所必需的元素。
(2)自然界中的氮元素始终处于动态循环之中，这一循环过程广泛涉及生物圈的各个层面。
◆名师点拨
自然界中氮的循环
◆拓展延伸
氮的氧化物
氮元素有＋1、＋2、＋3、＋4、＋5价，因此氮有多种氧化物。
(1)氮氧化物的类别
类别 氧化物
不成盐氧化物 N2O、NO、NO2、N2O4
酸性氧化物 N2O3、N2O5
(2)N2O3对应的酸是HNO2(亚硝酸，弱酸)，N2O5对应的酸是HNO3(硝酸，强酸)。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)任何情况下，氮气的化学性质稳定，不燃烧，也不支持燃烧(　　)
(2)NO2可由N2和O2直接化合得到(　　)
(3)NO不能用排空气法收集，但可用排水法收集(　　)
(4)据2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O可知，NO2是酸性氧化物(　　)
×
×
×
√
◆拓展延伸
氮的氧化物小结
(1)氮元素能形成6种氧化物，分别为N2O(笑气)、 NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5。
(2)N2O3、N2O5为酸性氧化物，分别是HNO2和HNO3的酸酐，二者与水反应的化学方程式分别为 N2O3＋H2O===2HNO2、N2O5＋H2O===2HNO3。
(3)NO、NO2不是酸性氧化物。
探究一 氮气的结构与化学性质
氮气是空气的主要成分，工业上常通过分馏液态空气的方法大规模制取。全球每年由此法生产的氮气总量超过3 300万吨。右图是氮气在生产、生活及医疗等方面的重要应用。
[问题设计]
(1)尽管氮元素的非金属性稍弱于氧元素，但N2的化学性质很稳定，O2的化学性质较活泼。试从微观角度分析其原因。
提示：O2中存在O===O，N2中存在N≡N。断裂N≡N需要的能量远大于断裂O===O需要的能量，因此氮气的化学性质更稳定。
(2)利用N2制造氮肥(NH3)的反应原理是什么？该固氮反应中，N2体现什么性质？
(3)利用氮气作灯泡填充气和粮食瓜果的保护气，依据的性质是什么？
提示：氮气的化学性质很稳定，通常情况下难以与其他物质发生化学反应，因此利用氮气作灯泡填充气和粮食瓜果的保护气，可隔绝空气，防止食物因氧化而变质。
从元素价态和分子结构角度认识氮气的化学性质
(1)元素价态：氮气中氮元素显0价，处于中间价态，既有氧化性又有还原性。
(2)分子结构：N2中存在N≡N，断裂共价键需要消耗较多能量，故N2很稳定。在一定条件下，N2可与Mg、H2、O2等发生反应。
[微点拨]　(1)氮的固定是指将游离态的氮转化为氮的化合物的过程。所有固氮过程的本质都是氧化还原反应。
(2)氮气的性质可概括为“一惰性、两反应(氧化反应和还原反应)”。氮气的化学性质很稳定，通常情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。
D
[例1] 下列关于氮气性质的说法正确的是 (　　)
A．点燃条件下，N2在氧气中燃烧生成NO
B．点燃时，N2与Mg反应生成Mg3N2，N2作还原剂
C．在合成氨反应中，N2发生氧化反应
D．氮气的化学性质稳定，其原因是两个氮原子间以共价三键结合
N2不能在O2中燃烧，但在高温或放电条件下可反应生成NO；点燃时，N2与Mg反应生成Mg3N2，其中氮元素由0价降低到－3价，N2是氧化剂；在合成氨反应中，氮元素由0价降低到－3价，N2是氧化剂，发生还原反应；N2中存在N≡N，较难断裂，故N2的化学性质稳定。
C
1．下列关于N2的叙述不正确的是 (　　)
A．两个氮原子间以共价三键结合
B．N2既可用作氧化剂又可用作还原剂
C．氮的固定过程中N2均被氧化
D．大自然通过闪电释放的能量可将N2转化为氮的化合物
探究二 一氧化氮和二氧化氮的性质
为应对燃油汽车的使用带来的空气污染，汽车普遍加装了尾气催化转化装置。尾气在催化剂表面的吸附与解吸过程如下图所示。
[问题设计]
(1)汽车尾气中的主要污染物有哪些？
提示：汽车发动机中燃油不完全燃烧会产生CO；氮气在高温条件下与氧气反应生成NO，部分NO进一步被氧化生成NO2。因此，汽车尾气的主要污染物为CO、NO、NO2等。
(2)请根据图示分析，写出汽车尾气催化转化装置中发生的化学反应，并指出在反应中氮的氧化物表现出的化学性质。
(3)NO和O2必须在催化剂表面才能发生反应吗？
提示：NO和O2在空气中就能迅速反应生成NO2。
(1)比较两种氮氧化物(NO和NO2)的性质
氮氧
化物 NO NO2
物理
性质 通常为无色无味的气体，不溶于水 通常为红棕色、有刺激性气味的气体，易溶于水
毒性 有毒(易与血红蛋白中的铁离子结合) 有毒
氮氧
化物 NO NO2
与水反应 不反应(不溶于水) 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
与氧气
反应 2NO＋O2===2NO2 不反应
收集
方法 常用排水法 常用向上排空气法
(2)NO和NO2的转化
(3)氮氧化物溶于水的计算
①根据化学方程式进行计算：
②根据“守恒法”进行计算：
项目 具体操作
氮原子守恒　 若反应后无NO剩余，则有n(HNO3)＝n(NO2)＋n(NO)
得失电子守恒 O2作氧化剂，氮氧化物作还原剂，则有4n(O2)＝n(NO2)＋3n(NO)
D
解答本题的思路如下：
(1)根据NO和NO2的性质、气体X与O2等体积及发生的反应，推测气体X、Y的成分。
(2)根据气体Y的体积及反应原理(4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3)，推测混合气体体积V的取值范围。
D
C
1．病毒学研究证实，一氧化氮对SARS病毒有直接抑制作用。下列关于一氧化氮的叙述正确的是 (　　)
A．一氧化氮是一种红棕色气体
B．常温常压下，一氧化氮不能与空气中的氧气直接化合
C．一氧化氮可由氮气和氧气在放电条件下直接化合得到
D．一氧化氮易溶于水，不能用排水法收集
NO是一种无色难溶于水的气体，可以用排水法收集；常温常压下，NO易与氧气直接化合生成NO2。
D
2．下列有关NO2的说法正确的是 (　　)
A．NO2能与水反应生成硝酸，在反应中NO2只是还原剂
B．要除去O2中混有的NO2，可将混合气体通入水中，将NO2溶解
C．鉴别NO2与溴蒸气可用NaOH溶液。其中，与NaOH溶液反应得到无色溶液的是NO2，得到橙色溶液的是溴蒸气
D．在NO2与水的反应中氧化剂与还原剂的质量之比为1∶2
对于反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，从产物HNO3和NO中N的化合价可知，NO2中N的化合价既升高又降低，因此NO2既是氧化剂又是还原剂，氧化剂与还原剂的质量之比为1∶2；若要除去O2中混有的NO2，将混合气体通过水时，NO2会与水反应，虽能除去NO2，但会生成新的杂质NO，且NO能与O2反应生成NO2，导致无法彻底净化；NO2和溴蒸气分别与NaOH溶液反应均可得到无色溶液，现象相同，因此仅用NaOH溶液无法鉴别二者。
D
3．下列有关自然界中氮循环的说法错误的是 (　　)
A．在氮的固定过程中，氮元素可能被氧化或被还原
B．豆科植物可依靠根瘤菌的作用实现生物固氮
C．含氮无机物与含氮有机物可以相互转化
D．安装汽车尾气净化装置，可将尾气中的NOx转化为氨
在氮的固定过程中，氮元素可能被氧化(如氮气转化为NO)，也可能被还原(如氮气与氢气反应生成氨气); 豆科植物含有根瘤菌，能将空气中的氮气转化为氨，从而实现生物固氮；二氧化碳与氨在一定条件下反应可制得尿素，实现了从含氮无机物向有机氮的转化，而蛋白质在动物体内消化生成氨，则是从有机氮向含氮无机物的转化；汽车尾气净化装置可将污染物CO和NOx转化为无害的CO2和N2。
B
B

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