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(共39张PPT)
专题7
第一单元　氮的固定
氮与社会可持续发展
1．能依据氮分子的微观结构预测其性质。
2．掌握N2、NO、NO2的重要性质，通过比较NO和NO2的性质，学会类比的科学方法。
3．了解氮的固定的含义和方法，认识人工固氮的化学原理和社会价值。
4．体会化学科学在解决人类社会问题中所发挥的作用。
活动一：哈伯是天使还是魔鬼
1905年，德国人哈伯赴美国考察回国后，采用高压放电固氮，实验历时一年效果不尽如人意。后来从法国化学家用高温、高压合成氨发生爆炸的消息中获得启示，在历经无数次失败后，1909年7月2日，哈伯在实验室采用620 ℃、200个大气压和用金属铁作催化剂的条件下，人工固氮成功，解决了人类人口增长与粮食短缺的矛盾，为人类的发展作出卓越的贡献。
第一次世界大战爆发后，德国要求哈伯全力研制最新式的化学武器。他负责生产的氯气、芥子气等毒气先后应用于战争。1915年4月21日夜间，德军在长达6千米的战线上秘密安放了数以千计的氯气罐。第二天下午5时，德军借助有利的风速以突袭的方式将氯气吹放至法军阵地，在 6 000米宽的正面形成2米高的黄色气体幕墙滚滚向前推进，纵深到达10～15公里，对手毫无防范，致使5 000多人死亡，15 000多人中毒致伤，这次战役后，哈伯受到德皇嘉奖，但同时遭到各国科学家的强烈谴责。
从哈伯首次合成氨开始，人类进入化肥发展的时代，化学家是如何利用空气中的氮气资源造福人类的？有什么意义？
【答案】 氮气与氢气在一定条件下反应生成氨气，制造化肥，大大提高了粮食的产量，缓解了粮食危机。
活动二： 认识氮气的稳定性
在自然界中，绝大部分氮元素以游离态的氮气分子形式存在于空气中。实验证明，在通常情况下，氮气与大多数物质很难发生化学反应，说明氮气的化学性质很不活泼。
1．下表中的数据为使1 mol该物质分解为原子需要的能量，化学上称之为键能。
物质 H2 N2 O2 Cl2
键能/(kJ/mol) 436.3 941.7 497.3 241.7
从化学键的角度分析，氮气的化学性质为什么稳定？
【答案】 氮气分子中存在氮氮三键，电子式、结构式分别为∶N N∶N≡N，破坏氮气分子中氮原子之间的共价键需要很高的能量，所以氮气分子很稳定。
2．通常情况下，氮气很难与其他物质发生化合反应。但在一定条件下，氮气也可以和一些物质发生化合反应。
写出上述氮气发生反应的化学方程式及N2表现出的性质。
活动三：认识自然固氮
1．阅读教材，氮元素对农作物生长有什么重要作用？什么叫氮的固定，氮的固定主要包括哪几种？
【答案】 充足的氮元素能使植物枝叶茂盛，叶片增大，光合作用增强，促进氨基酸和蛋白质的形成，从而使农作物的产量和产品质量得以提高。将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫作氮的固定，简称固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮两种方式。
2．阅读教材，了解自然固氮的途径。
【答案】 自然固氮的途径主要有两种：一种是生物固氮，即自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根瘤菌)将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物；另一种是高能固氮，即通过闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物。
3．阅读分析下列材料。
在我国青海与新疆交界的昆仑山脉，有一条长约一百公里、宽约三十公里的大谷地被人们称为“魔鬼谷”。偶有误入者，常因遭雷击而绝少生还。几百年来，这里被牧民视为禁地。但经勘察证实，这一谷地地层中有一百多个铁矿脉等岩体，容易引来雷电云层中的电荷，形成炸雷。雷电一旦遇上地面突出物体，就会产生尖端放电现象，因而牧场上的人和畜群就成了雷电轰击的目标。但这一谷地内的牧草生长茂盛。
电闪雷鸣是自然界中司空见惯的现象，闪电在给人类造成一些破坏的同时，也给土地带来了丰富的氮肥，所以民间有句俗语叫“雷雨发庄稼”(如图所示)。
闪电有助于生成氮氧化物
魔鬼谷中牧草生长茂盛、“雷雨发庄稼”都包含了哪些化学原理？
【答案】 “雷雨发庄稼”是因为在放电条件下，空气中的氮气与氧气发生反应，生成一氧化氮，一氧化氮在空气中很不稳定，易被空气中的氧气进一步氧化生成二氧化氮，二氧化氮与水反应生成硝酸。雨水中的硝酸渗入土壤后与矿物质作用生成硝酸盐，其中硝酸根离子被植物根系吸收，转化为植物生长所需的养料。
【归纳总结】 NO和NO2性质的比较
氮氧化物 NO NO2
物理性质 无色、不溶于水的气体 红棕色、有刺激性气味、易溶于水的气体、易液化，密度比空气大
化学性质 与水反应 — 3NO2＋H2O═══2HNO3＋NO
与O2反应 2NO＋O2═══2NO2 —
与碱反应 — 2NO2＋2NaOH═══NaNO3＋NaNO2＋H2O　
(1) 实验室若制取NO、NO2应该怎样收集？
【答案】 NO可以用排水法收集，NO2可以用向上排空气法收集。
(2) 已知：①NO不与NaOH溶液反应。②2NO2＋2NaOH═══NaNO3＋NaNO2＋H2O。③NO＋NO2＋2NaOH═══2NaNO2＋H2O。若NO、NO2的混合气体能被NaOH溶液完全吸收，混合气体中NO、NO2的物质的量需满足什么条件？
【答案】 n(NO2)≥n(NO)
活动四：学习人工固氮——合成氨
1．合成氨的反应两次获得诺贝尔化学奖。
哈伯和博施等化学家经过无数次的失败和不懈努力，最终用锇作催化剂在1.75×107 Pa、550 ℃的条件下以氮气和氢气为原料，得到浓度为8%的氨，为合成氨的工业化奠定了基础。此后，他们又经过数千次实验的尝试，改变反应条件，并寻找到廉价易得的多种含铁化合物组成的催化剂，于1913年建立了世界上第一座合成氨厂。哈伯和博施也因此在1918年和1931年分别荣获诺贝尔化学奖。
工业合成氨采用的两种气体原料是什么？写出合成氨的化学方程式。工业生产中，反应所得混合气中氨的含量只占20%左右，为什么？分离出氨气后的未反应的物质应该怎样处理？
2．了解自然界中氮循环的重要性。
观察上图，被固定的氮最终是怎样进入大气的？
【答案】 最终被固定的氮转化为亚硝酸盐、硝酸盐，再被细菌分解生成氮气回到大气中。
1．(教材习题)下列关于N2的叙述错误的是 (　　)
A．实验室中N2可以用向下排空气法收集
B．N2既可作氧化剂又可作还原剂
C．在雷雨天，空气中的N2和O2可反应生成NO
D．氮的固定是将N2转化成含氮的化合物
1
A
【解析】 N2的密度与空气相近，不能用向下排空气法收集，A错误；N2中N元素的化合价为0，处于中间价态(＋5和－3之间)，故N2既可作氧化剂又可作还原剂，B正确；雷雨天，放电条件下，N2和O2可反应生成NO，C正确；氮的固定指N2转化为含氮化合物，D正确。
2
2．(教材习题)关于收集NO和NO2两种气体的方法，下列叙述正确的是 (　　)
A．都可用排水法收集
B．NO用排水法收集，NO2用向上排空气法收集
C．都可用向上排空气法收集
D．NO用向上排空气法收集，NO2用排水法收集
B
【解析】 NO2可与水反应，不能用排水法收集NO2，A、D错误；NO能与空气中的O2反应，不能用排空气法收集NO，C错误。
3
3．(2025扬州中学月考)下列关于氮氧化物的形成、吸收的说法正确的是 (　　)
A．汽车尾气中的含氮氧化物，主要来源于汽油的不完全燃烧
B．用石灰乳吸收NO和NO2，加快气体流速可提高氮氧化物的吸收率
C．收集NO2气体时采用排水法，可提高NO2气体的纯度
D．用CO(NH2)2可将NO2转化为N2，是利用了CO(NH2)2的还原性
D
【解析】 汽车尾气中的含氮氧化物主要来源于空气中的N2和O2在气缸中高温条件下化合生成，A错误；增加气体流速后，可能会导致NO和NO2来不及反应就逸出，不能有效提高氮氧化物的吸收率，B错误；NO2和水可发生反应转化为硝酸和NO，不能采用排水法收集NO2，C错误；由NO2→N2知，N元素化合价降低，NO2被还原，故CO(NH2)2是还原剂，体现其还原性，D正确。
3
4
4．自然界中的氮循环部分过程如图所示，下列有关循环过程的说法正确的是 (　　)
A． 固氮过程中，N2可能作还原剂
B．硝化过程的反应物中，NH3属于盐
C．反硝化过程中，必须有O2的参与
D．氮元素可通过氨化过程从无机物转移到有机物中
A
4
【解析】 固氮过程中，氮气转化为硝酸根离子、亚硝酸根离子时，氮元素的化合价升高，被氧化，氮气作还原剂，A正确；氨气属于气态氢化物，不属于盐，B错误；反硝化过程中，硝酸根离子、亚硝酸根离子转化为氮气，氮元素的化合价降低被还原，应有还原剂参与，不可能有氧气参与，C错误；氮元素可通过氨化过程从有机物转移到无机物中，D错误。
5
5. 如图所示，试管中盛装的是红棕色气体(可能是混合物)，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柱继续上升，经过多次重复后，试管完全被水充满。原来试管中盛装的气体可能是(　　)
A. 可能是N2与NO2的混合气体
B. 可能是O2与NO2的混合气体
C. 不可能是NO与NO2的混合气体
D. 只能是NO2一种气体
B
5
6．氮的氧化物性质探究实验如下：
步骤1：在一支50 mL的注射器中充入20 mL无色气体NO，然后吸入5 mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，如图所示。振荡注射器，无明显现象。
步骤2：打开弹簧夹，快速吸入少量O2后夹上弹簧夹，气体变成红棕色。
步骤3：振荡注射器，气体又变为无色，溶液仍无色。
6
下列说法不正确的是 (　　)
A．步骤1说明NO难溶于水
B．步骤2中红棕色气体是NO2
C．步骤3中发生反应的氧化剂和还原剂的质量之比为2∶1
D．重复步骤2、步骤3多次，可使NO充分转化
6
C
【解析】 NO难溶于水，不与水反应，A正确；步骤2中发生的反应为2NO＋O2═══2NO2，NO2显红棕色，B正确；步骤3中发生的反应为3NO2＋H2O═══2HNO3＋NO，氧化剂、还原剂均为NO2，物质的量之比为1∶2，则质量之比也为1∶2，C错误；重复步骤2、步骤3多次，总反应为4NO＋3O2＋2H2O═══4HNO3，D正确。
7．用石灰乳吸收硝酸工业的尾气(含NO、NO2)可获得Ca(NO2)2，其部分工艺流程如图。
7
下列说法不正确的是 (　　)
A．吸收时主要反应的化学方程式为NO＋NO2＋Ca(OH)2═══ Ca(NO2)2＋H2O
B．将石灰乳改为澄清石灰水，吸收效率将会增大
C．采用气液逆流接触有利于尾气中NO、NO2的充分吸收
D．若尾气中n(NO2)∶n(NO)＜1∶1，吸收后排放的气体中NO含量升高
7
B
【解析】 由最终产品是Ca(NO2)2知，吸收时主要反应的化学方程式为NO＋NO2＋Ca(OH)2═══Ca(NO2)2＋H2O，A正确；石灰乳中Ca(OH)2含量高，有利于气体吸收，改为澄清石灰水，Ca(OH)2含量降低，吸收效率将会降低，B错误；采用气液逆流接触，增大了气体和石灰乳的接触面积，有利于尾气中NO、NO2的充分吸收，C正确；NO2能被碱液吸收，NO不能被碱液吸收，碱液足量，将NO2、NO混合且n(NO2)∶n(NO)≥1∶1时，不会有氮氧化物逸出(参考A项方程式)，n(NO2)∶n(NO)＜1∶1，过量的NO不能被碱液吸收，会导致吸收后排放的气体中NO含量升高，D正确。
7
8．为了有效实现NO和NO2的相互转化，设计如下实验。按图组装好实验装置，并检查装置气密性，实验前用排水法收集半烧瓶NO气体。
8
(1) 打开止水夹，推动注射器活塞，使O2进入烧瓶。关闭止水夹，首先观察到烧瓶中的现象是______________________________，产生此现象的化学方程式为________________________。
烧瓶中气体由无色变为红棕色
2NO＋O2═══2NO2
(2) 轻轻晃动烧瓶，观察到烧瓶中的现象为_____________________ ___________________________________________________。产生此现象的化学方程式为_______________________________。
烧瓶中红棕色气体又变为无色，烧杯中的水倒吸到烧瓶中(或烧瓶中液面上升)
8
3NO2＋H2O═══2HNO3＋NO

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