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第3节　氮的循环
第1课时　自然界中的氮循环　氮的固定
课标定向
1.认识氮循环过程中重要的含有氮元素的物质及转化,能够对含有氮元素的物质进行分类。(宏观辨识与微观探析)
2.认识氮气、一氧化氮、二氧化氮的物理性质、化学性质以及典型的实验现象;建立从物质类别、元素价态角度研究物质性质和实现含有氮元素的物质之间转化的思路和方法。(科学探究与创新意识)
3.通过自然界中的氮循环,了解氮循环的基本过程,能例举自然固氮与人工固氮的过程,知道人工固氮对社会发展的重要意义。(科学态度与社会责任)
学习任务一　氮的固定与N2的性质
【新知导学】
一、自然界中的氮循环
1.氮元素在自然界中的存在形式:_____态和_____态。
游离
化合
2.自然界中氮的循环
(1)氮在自然界中的循环示意图
(2)氮的循环中含氮物质的转化
3.人类活动的影响
(1)氮气 ___→氮肥、硝酸等含氮化合物。
氨
二、氮气的性质
1.氮的固定
(1)定义:使空气中_______的氮转化为___________的过程。
(2)分类
①自然固氮
实验操作 实验现象 化学方程式
模拟闪电 气体颜色由无色变为_____色 __________________
_________________
游离态
含氮化合物
红棕
N2+O2 2NO、
2NO+O2===2NO2
[提醒]N2和O2反应后的最初产物是NO,而不是NO2。
[总结]
固氮反应一定属于氧化还原反应。
2.氮气的性质
(1)物理性质
颜色 状态 气味 密度 溶解性
___色 气体 ___味 与空气接近 ___溶于水
无
无
难
(2)化学性质
　　　　　 　　　　 　N原子之间以三键结合,很难被破坏。
N2化学性质稳定,通常很难与其他物质发生反应,在一定条件下能与O2或H2等物质反应。
反应物 化学方程式 N2表现的性质
与O2 _________________ _____性
与H2 ______________________ _____性
N2+O2 2NO
还原
N2+3H2 2NH3
氧化
[思考]氮气为什么可以用作保护气
提示:因为氮气的化学性质不活泼,在通常情况下,氮气很难与其他物质反应,也不会和食物反应而使之变质。氮气本身无毒无害,不会对人体产生伤害。
【教材微拓】(溯源教材·P113)
氮气的工业制法
生产方法主要是分离液态空气,并制得液态氧。
【总结升华】
1.氮气的性质与转化
2.氮的固定
【即学即练】
1.易错辨析
(1)实验室可用排空气法收集N2。( )
提示:N2密度和空气接近,且难溶于水,所以只能用排水法收集。
(2)合成氨反应属于自然固氮中的高能固氮。( )
提示:合成氨反应属于人工固氮。
(3)N2可在氧气中燃烧,生成一氧化氮。( )
提示:N2不能在O2中燃烧,与O2在放电条件下反应生成NO。
(4)氮气跟氢气在一定条件下发生反应时,氮气是氧化剂。( )
提示:反应中氮元素的化合价降低,所以是氧化剂。
×
×
×
√
2.下列关于氮的循环的叙述错误的是 (　　)
A.氮气转化为氮的化合物的过程叫做氮的固定
B.氮的固定可以通过自然固氮和人工固氮的方式实现
C.人类的生产活动参与了氮的循环过程
D.氮的循环过程中只有氮元素被氧化的过程
【解析】选D。氮气转化为氮的化合物的过程即游离态的氮变为化合态的氮叫做氮的固定,故A正确;氮的固定可以通过自然固氮和人工固氮的方式实现,雷雨肥田是自然固氮,合成氨是人工固氮,故B正确;人类的生产活动参与了氮的循环过程,如人工合成氨、氮肥的使用等,故C正确;氮的循环过程中可以是氮元素被氧化,也可以是氮元素被还原,故D错误。
3.氮气属于地球大气的主要成分,它是地球生命循环——氮循环的重要组成部分,下列关于氮气的说法错误的是 (　　)
A.氮气不燃烧,也无法支持燃烧,不能供给呼吸
B.液氮可用于医学和高科技领域,制造低温环境
C.利用氮气的稳定性,工业上用来替代稀有气体作焊接金属的保护气
D.氮气可用于食品保鲜
【解析】选A。氮气可支持镁的燃烧,故A错误;氮气的沸点为-196 ℃,故液氮可用于医学和高科技领域,制造低温环境,故B正确;利用氮气的稳定性,工业上用来替代稀有气体作焊接金属的保护气,故C正确;氮气化学性质不活泼,可用于食品保鲜,故D正确。
学习任务二　氮的氧化物的性质
【新知导学】
一、含氮氧化物的种类
[思考]上述六种氮的氧化物中属于酸性氧化物的为____________。
氮的化合价 +1 +2 +3 +4 +5
对应氧化物 N2O ____ N2O3 _____、N2O4 N2O5
NO
NO2
N2O5、N2O3
二、NO与NO2的性质
1.物理性质
物质 颜色 状态 气味 毒性 水溶性
NO _____ 气态 _____ 有毒 ___溶于水
NO2 _______ 气态 _______ 气味 有毒 ___溶于水
无色
无味
难
红棕色
刺激性
易
2.化学性质
(1)实验探究
实验装置 实验操作 现象
向充满NO气体的试管中通入O2 气体颜色由_____逐渐变为
_______
无色
红棕色
实验装置 实验操作 现象
向充满NO2气体的试管中注入水 气体逐渐减少,颜色由_______变
为_____,得到_____溶液
红棕色
无色
无色
(2)结论:在一定条件下,NO和NO2可以相互转化
变化过程 化学方程式 变化过程中表现的性质
NO→NO2 _________________ NO表现_______
NO2→NO ________________________ NO2既表现_______,
又表现_______
[思考]NO2与水的反应中,作为氧化剂的NO2和作为还原剂的NO2物质的量之比是多少
提示:1∶2。
2NO+O2===2NO2
还原性
3NO2+H2O===2HNO3+NO
氧化性
还原性
3.NO、NO2的其他性质
(1)
(2)
【即学即练】
1.易错辨析
(1)NO是一种有刺激性气味的红棕色气体。( )
提示:NO是一种有刺激性气味难溶于水的无色气体,红棕色的是NO2。
(2)NO易溶于水,所以可用排空气法收集。( )
提示:NO难溶于水,可以用排水法收集,NO与氧气反应生成NO2,不可用排空气法收集。
(3)NO和NO2都是大气污染气体,在空气中都能稳定存在。( )
提示:2NO+O2===2NO2,NO在空气中不能稳定存在。
×
×
×
(4)NO2易溶于水生成HNO3,故NO2是酸性氧化物。( )
提示:NO2溶于水发生的反应为3NO2+H2O===2HNO3+NO,除生成HNO3外还生成了NO,不符合酸性氧化物的定义。
(5)NO2不能通过化合反应获得。( )
提示:NO2能通过化合反应获得:2NO+O2===2NO2。
×
×
2.国产电动汽车的发展减少了氮氧化物的排放。NO2是典型的氮氧化物,危害人体健康。下列关于NO2的叙述正确的是 (　　)
A.有毒气体　　　　 B.黄绿色气体
C.难溶于水 D.密度比空气小
【解析】选A。NO2为有毒气体,A正确;NO2为红棕色气体,黄绿色气体为Cl2,B错误;NO2可以与水反应生成硝酸,NO2易溶于水,C错误;NO2的相对分子质量为46,大于空气的平均相对分子质量,故NO2的密度比空气大,D错误。
3.(2025·北京三中高一期中)NO对于心脑血管系统功能的改善具有重要作用。下列关于NO的描述不正确的是 (　　)
A.易溶于水
B.可由氮气和氧气在放电条件下反应生成
C.常温下能与氧气化合
D.无色气体
【解析】选A。NO难溶于水,A错误;氮气与氧气在放电条件下会发生反应生成NO,化学方程式为N2+O2 2NO,B正确;常温下NO与氧气会化合生成红棕色的NO2,化学方程式为2NO+O2===2NO2,C正确;NO为无色气体,D正确。
学习任务三　NO、NO2溶于水的计算
【合作探究】
探究NO、NO2溶于水的计算
[情境]
如图所示,室温下向盛有3.0 mL NO的试管中缓缓通入1.5 mL O2(所有气体体积均在标准状况下测定)。
(1)过程中可观察到什么样的现象
提示:通入O2,试管内气体变为红棕色;试管内液面升高;最后试管内剩余一种无色气体。通入的O2与NO发生反应生成NO2,化学方程式为2NO+O2===2NO2,所以看到有红棕色气体生成,生成的NO2溶于水,反应的化学方程式为3NO2+H2O===2HNO3+NO。两反应的总方程式为4NO+3O2+2H2O===4HNO3,气体被消耗,所以又会看到试管内液面上升。V(NO)∶V(O2)≠4∶3,故最后有气体剩余,不论剩余NO还是O2,都为无色气体。
(2)最终试管中剩余的气体是什么 体积为多少
提示:NO、1.0 mL。设1.5 mL O2全部参加反应,由总反应式可知:
V反应(NO)=V反应(O2)×=1.5 mL×=2.0 mL,而NO的总体积是3.0 mL,故剩余NO气体为1.0 mL。
【总结升华】
氮的氧化物溶于水的计算
1.有关的化学方程式
Ⅰ.单一气体(NO2)溶于水:3NO2+H2O===2HNO3+NO①
Ⅱ.混合气体溶于水:
(1)NO2与O2混合:4NO2+O2+2H2O===4HNO3②
(2)NO与O2混合:4NO+3O2+2H2O===4HNO3③
(3)NO2、NO与O2混合:
可先将NO和O2转化为NO2,再按②处理;也可先将NO2和H2O反应转化为NO,再按③处理。
2.具体情况分析
(1)NO2或NO2与NO溶于水
气体 反应 剩余气体 剩余气体的体积
NO2 ① NO V(NO2)
NO2+NO ① NO V(NO)原+V(NO2)
(2)NO2与O2混合气体溶于水
气体 反应 剩余气体 剩余气体的体积
=4∶1 ② 无 0
<4∶1 ② O2 V(O2)原-V(NO2)
>4∶1 ①② NO [V(NO2)-4V(O2)]
(3)NO与O2混合气体溶于水
气体 反应 剩余气体 剩余气体的体积
=4∶3 ③ 无 0
>4∶3 ③ NO V(NO)-V(O2)
<4∶3 ③ O2 V(O2)-V(NO)
【即学即练】
1.盛满NO2气体的试管,倒置在水槽中,反应后,液面上升的高度是试管的(　　)
A.　　　B.　　　C.　　　D.
【解析】选C。根据反应可知,反应生成的硝酸直接溶于水中,造成试管内压力减小,3体积的二氧化氮变为1体积的一氧化氮,水槽内的水会压入试管,随着反应的进行,最终试管内存留三分之一试管容量的气体,液体上升的高度是试管的三分之二。
2.在一定条件下,将15 mL NO2和3 mL O2的混合气体置于试管中,并将试管倒立于水槽中,充分反应后,剩余气体的体积为 (　　)
A.1 mL　　B.3 mL　　C.5 mL　　D.11 mL
【解析】选A。将15 mL NO2和3 mL O2的混合气体置于试管中发生:4NO2+O2+2H2O===4HNO3,剩余二氧化氮(15-3×4) mL=3 mL,继续反应3NO2+H2O===2HNO3+NO,最终剩余一氧化氮1 mL,A正确。
课堂检测
1.我国科学家实现了用氮气、二氧化碳和水在常温下合成尿素。该方法属于 (　　)
A.人工固氮　　　　　 B.自然固氮
C.大气固氮 D.生物固氮
【解析】选A。用氮气、二氧化碳和水在常温下合成尿素,该方法是通过化学方法将氮气转化为化合态的尿素,属于人工固氮。
2.氮气在大气中虽多于氧气,但由于它的化学性质不活泼,人们是在认识氧气之后才认识氮气的,不过它的发现却早于氧气。D·卢瑟福发现这气体不能维持生命,具有灭火性质,可以分离空气获得。氮气能大量存在于空气中的根本原因是 (　　)
A.氮气化学性质稳定,即使在高温下也很难与其他物质发生反应
B.氮气比空气轻,且不溶于水
C.氮分子中两个氮原子间结合得很牢固,分子结构稳定
D.氮气无氧化性,也无还原性,不与其他物质反应
【解析】选C。N2化学性质稳定,但在高温下可与H2等物质反应表现出氧化性,与O2在放电条件下反应表现出还原性,A、D项不正确;氮气密度与空气相近,且不溶于水,但这不是N2能大量存在于空气中的根本原因,B项不正确。
3.含氮元素的气体在生产、科技中有广泛应用,下列对NO、NO2的描述不正确的是 (　　)
A.NO2是红棕色气体,不是酸性氧化物
B.NO、NO2都可以用排水法收集
C.NO、NO2在一定条件下可相互转化,且二者都是引起光化学烟雾的大气污染物
D.NO、NO2都有毒
【解析】选B。NO2是红棕色气体,NO2与氢氧化钠反应生成硝酸钠和亚硝酸钠,不是酸性氧化物,故A正确;NO2与水反应生成硝酸和NO,NO2不能用排水法收集,故B错误;NO和氧气反应生成NO2,NO和NO2在一定条件下可相互转化,二者都是引起光化学烟雾的大气污染物,故C正确;NO、NO2都是有毒气体,故D正确。
4.下列关于自然界中氮循环(如图)的说法错误的是 (　　)
A.①和②均属于氮的固定
B.氢、氧元素也参与了自然界中的氮循环
C.④中每生成1 mol N,消耗1 mol O2
D.③和⑤过程中氮元素分别被氧化和还原
【解析】选C。氮的固定指将N2转化为氮的化合物,反应①将N2转化为NO,属于氮的固定,反应②属于生物固氮,A正确;由图示知,氮循环过程中涉及氢、氧元素,B正确;反应④是O2将NH3氧化为硝酸根离子,N元素化合价由-3价升高到+5价,失去8个电子,即1 mol氨气生成1 mol硝酸根离子失去电子8 mol,失去的电子被O2得到,根据转移电子关系O2~4e-,可知得8 mol电子需要
2 mol O2,C错误;反应③中NO转化为硝酸根离子,氮元素化合价由+2价升高到+5价,被氧化,反应⑤中硝酸根离子转化为氮气,氮元素化合价由+5价降低到0价,被还原,D正确。
5.(2025·福州高一期末)下列说法中错误的是(　　)
A.除去NO2中NO气体的方法是通入足量的O2
B.NO2可以使湿润的淀粉-KI试纸变蓝
C.NO2与H2O的反应中氧化剂与还原剂的质量之比为1∶2
D.除去NO中的NO2气体的方法是将气体依次通入盛有水和浓H2SO4的洗气瓶
【解析】选A。氧气过量产生新杂质,A错误;NO2具有强氧化性,能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝,B正确;发生反应:3NO2+H2O===2HNO3+NO,该反应中N元素的化合价由+4价变为+5价和+2价,所以生成硝酸的二氧化氮是还原剂,其化学计量数是2,生成NO的二氧化氮是氧化剂,其化学计量数是1,所以氧化剂和还原剂的质量之比是1∶2,C正确;除去NO中的NO2气体的方法是将气体依次通入盛有水和浓H2SO4的洗气瓶,二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮,通过浓硫酸吸收气体中水蒸气得到一氧化氮,D正确。
6.将盛有6 mL NO2和O2的混合气体的量筒倒立于水槽中,充分反应后,还剩余1 mL无色气体,则原混合气体中NO2的体积可能是 (　　)
A.0.6 mL　　 B.2 mL　　
C.2.4 mL　　 D.4 mL
【解析】选D。根据化学方程式:4NO2+O2+2H2O===4HNO3;
3NO2+H2O===2HNO3+NO,设O2的体积为x,剩余的气体有两种可能:①若剩1 mL O2,则另外5 mL气体发生4NO2+O2+2H2O===4HNO3,则二氧化氮占
5 mL气体的五分之四,即NO2体积为5 mL×=4 mL;②若剩1 mL NO,根据3NO2+H2O===2HNO3+NO,得到生成1 mL NO气体消耗的二氧化氮气体体积为3 mL,说明另外还有3 mL气体发生4NO2+O2+2H2O===4HNO3,则这
3 mL气体中二氧化氮占五分之四,则总的二氧化氮气体体积为3 mL+
3 mL×=5.4 mL。

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