第一单元 氮的固定
[核心素养发展目标] 1.能从分子结构的角度认识氮气的化学稳定性,熟知氮气与镁、氧气、氢气的化学反应及其条件。了解氮的固定。2.能从物质类别和氮元素的化合价认识氮氧化物的性质与转化,促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。
一、氮分子的结构与性质
1.氮元素的存在
在自然界中,氮元素既有____________,也有________,但绝大部分氮元素以游离态的氮气分子形式存在于空气中。
2.氮气
(1)氮分子的结构
氮气分子的电子式和结构式分别为________________、____________。
(2)氮气的物理性质
颜色 气味 溶解性 密度
______ ______ ____溶于水 比空气的______
(3)氮气的化学性质
通常状况下较稳定,与其他物质很难发生化学反应。
①氮气能与氧气在放电条件下直接化合,反应的化学方程式为_____________________。
②氮气能与氢气反应,化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。该反应是工业合成氨的反应原理。
③氮气能与金属镁反应,化学方程式为3Mg+N2Mg3N2。
(1)氮元素有多种化合价,其最高正价为+5价( )
(2)氮原子与其他原子只能形成共价键,不能形成离子键( )
(3)氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气( )
(4)N2和O2在放电条件下会生成NO2( )
(5)N2中N元素的化合价为0价,处于中间价态,因此既有氧化性,又有还原性( )
1.下列关于氮气的叙述错误的是( )
A.N2是一种无色、无味的气体
B.N2可用作生产氮肥和硝酸的原料
C.N2可用浓硫酸或碱石灰干燥
D.N2可用排空气法收集
2.下列有关氮气的说法错误的是________(填字母)。
a.氮气在通常情况下不燃烧,也不支持燃烧,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,工业上用其替代稀有气体作焊接金属的保护气
d.在高温高压、催化剂条件下与氢气反应时,氮气作还原剂
e.金属镁在空气(忽略空气中二氧化碳)中燃烧,产物只有氧化镁
二、氮的固定
1.概念
将空气中________的氮转化成__________叫作氮的固定。
2.方法
(1)自然固氮
①生物固氮
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________过程转化为含氮化合物,约占自然固氮的_____________________。
②高能固氮
通过______、____________等途径产生含氮化合物,约占自然固氮的____________,如放电条件下,空气中的氮气与氧气反应生成__________,其化学方程式为_______________,经过一系列转化生成______,渗入土壤与矿物质作用生成______,其中的硝酸根离子被植物吸收转化为养料。
(2)人工固氮——合成氨
在高温、高压和催化剂条件下,以氮气和氢气为原料合成氨,其热化学方程式为______
_____________________________________________________________________________。
该反应放出大量的热,工业上可用来____________,合成氨达到平衡时,分离出氨后,将未反应的__________送回合成塔循环使用。
3.自然界的氮循环
为了促进氮的良性循环,要注意维护______________,保护森林、植树绿化、________生态系统对有害物质的吸收能力,不能过度使用含氮化肥以免污染土壤和水体;控制化石燃料燃烧排放的__________进入大气。
1.下列反应属于氮的固定的是( )
A.3NO2+H2O===2HNO3+NO
B.2NO+O2===2NO2
C.N2+O22NO
D.4NH3+5O24NO+6H2O
2.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NH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
1 氮的固定必须为将游离态的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 。
三、一氧化氮和二氧化氮
1.一氧化氮、二氧化氮的物理性质
氧化物 颜色 状态 气味 水溶性 毒性
NO ____色 气态 ____味 ____溶 有毒
NO2 ____色 气态 _______气味 ____溶 有毒
2.一氧化氮、二氧化氮的化学性质
(1)在一定条件下,NO和NO2可以相互转化
①NO→NO2:_________________________________________________________________
(NO表现________)。
②NO2→NO:_______________________________(NO2既表现_________________,又表现______________)。
(2)NO、NO2的其他性质
①
②
3.NO、NO2溶于水的计算
由于NO2与H2O反应会生成HNO3和NO,NO又可与O2反应生成NO2,因此适量的氧气可使NO或NO2恰好完全溶于水。
3NO2+H2O===2HNO3+NO ①
2NO+O2===2NO2 ②
①×2+②得:________________________________________________________________,
①×2+②×3得:____________________________________________________________。
1.俗话说“雷雨发庄稼”,试说出其中的原理,写出反应的化学方程式。
2.NO2是否属于酸性氧化物?
3.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(所有气体的体积均在标准状况下测定)。
(1)写出观察到的现象。
(2)写出上述过程中发生反应的化学方程式。
(3)最终试管中剩余的气体是什么?体积为多少?
(1)由于NO2极易与水反应且密度比空气大,因此收集NO2只能用向上排空气法( )
(2)NO2易溶于水生成HNO3,故NO2是酸性氧化物( )
(3)N2与O2反应时,不论O2是否足量,其一步反应都只能得到NO,不能生成NO2( )
(4)NO和NO2都是有刺激性气味的有毒气体,它们都是大气污染物( )
(5)可用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2和Br2( )
1.下列关于氮的氧化物的说法正确的是( )
A.氮的氧化物都是酸性氧化物
B.氮的氧化物都既有氧化性,又有还原性
C.NO与H2O反应生成HNO3
D.只能用排水法收集NO
2.将充有20 mL N2和NO2的混合气体的试管倒立在水槽中,充分反应后,试管残留10 mL气体,则原混合气体中N2和NO2的体积之比是( )
A.1∶1 B.1∶2
C.1∶3 D.2∶3
熟记NOx与O2混合气体被吸收关系
(1)4NO2+O2+2H2O===4HNO3
V(NO2)∶V(O2)
(2)4NO+3O2+2H2O===4HNO3
V(NO)∶V(O2)
1.(2022·上海市洋泾中学高一期中)下面能实现人工固氮的是( )
A B C D
闪电 电解饱和食盐水车间 根瘤 合成氨车间
2.下列关于N2的叙述错误的是( )
A.N2既可作氧化剂又可作还原剂
B.雷雨天,空气中的N2和O2可反应生成NO
C.氮的固定是将N2转化成含氮化合物
D.NO和NO2都可稳定存在于空气中
3.按下图进行实验,试管内装有12 mL NO,然后间歇而缓慢地通入8 mL O2,下面有关实验最终状态的描述正确的是( )
A.试管内气体呈红棕色
B.试管内气体为无色的NO
C.试管内气体为无色的O2
D.试管内液面上升至充满整个试管
4.NO与NO2中氮元素的价态均处于中间价态,则NO与NO2均既有氧化性又有还原性。
(1)NO极易与氧气反应表现________性,化学方程式为____________________________;
在一定条件下与氨气发生归中反应生成N2,其化学方程式为_______________________。
(2)NO2可发生自身歧化反应,NO2与H2O的化学方程式为_________________________,
氧化剂和还原剂的物质的量之比为________,NO2与NaOH溶液反应可生成两种盐,其中一种是NaNO3,化学方程式为_________________________________________________。
第一单元 氮的固定
一、
1.游离态 化合态
2.(1) N≡N (2)无色 无味 难 稍小 (3)①N2+O22NO
正误判断
(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√
应用体验
1.D [N2是一种无色、无味的气体,A正确;N2可与H2反应生成氨气,NH3可用作生产氮肥和硝酸的原料,B正确;N2与浓硫酸和碱石灰都不反应,可用它们干燥,C正确;N2的密度比空气略小,不能用排空气法收集,D错误。]
2.de
解析 氮气的化学性质很稳定,在通常情况下不燃烧,也不支持燃烧,不能供给呼吸,a项正确;液氮汽化吸热,可用于制造低温环境,b项正确;氮气的化学性质很稳定,可用作焊接金属的保护气,c项正确;氮气与氢气生成氨气的反应中,N的化合价从0降低到-3,作氧化剂,d项错误;Mg在点燃条件下可以和O2及N2发生反应:2Mg+O22MgO、3Mg+N2Mg3N2,因此产物为MgO和Mg3N2,e项错误。
二、
1.游离态 含氮化合物
2.(1)①生物化学 90% ②闪电 火山爆发 10% 一氧化氮 N2+O22NO 硝酸 硝酸盐 (2)N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1 预热原料气 N2、H2
3.生态平衡 增强 氮氧化物
应用体验
1.C [氮的固定是将空气中游离态的氮转化成含氮化合物的过程,即由单质变为化合物,故选C。]
2.(1)人工固氮 N2+3H22NH3 氧化 (2)豆科植物根瘤菌 N2+O22NO 还原 (3)acd
解析 (3)据题给信息,NaNO2可以被NH还原为N2,因此NH4Cl可以处理废液中的NO,而H2O2、KNO3都为氧化剂,不能将NaNO2还原为无毒的N2,NaOH和NaNO2不反应,故a、c、d符合题意。
三、
1.无 无 微 红棕 刺激性 易
2.(1)①2NO+O2===2NO2 还原性 ②3NO2+H2O===2HNO3+NO 氧化性 还原性
3.4NO2+O2+2H2O===4HNO3 4NO+3O2+2H2O===4HNO3
深度思考
1.雷电条件下,空气中的N2和O2反应生成NO,NO迅速被氧化为NO2,NO2溶于水生成HNO3,HNO3跟土壤中的矿物质作用生成硝酸盐,NO可被植物吸收。N2+O22NO,2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO。
2.NO2与水反应除了生成HNO3外,还生成NO,因此,NO2不属于酸性氧化物。
3.(1)①通入O2,试管内气体由无色变为红棕色;②试管内液面上升;③试管内剩余无色气体。
(2)2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO。
(3)NO,1.0 mL。
设1.5 mL O2全部参加反应,由总反应4NO+3O2+2H2O===4HNO3知,V反应(NO)=V(O2)×
=1.5 mL×=2.0 mL,而NO的总体积是3.0 mL,故剩余NO的体积是1.0 mL。
正误判断
(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)×
应用体验
1.D [NO不能与碱溶液反应,A项错误;N2O5中氮元素为最高价,只有氧化性,B项错误;NO与水不反应,C项错误。]
2.C [据3NO2+H2O===2HNO3+NO,则V(剩)=V(N2)+V(NO2),设N2有x mL,则NO2为(20-x) mL,有V(剩)=10 mL=x mL+(20-x) mL,解得x=5,即V(N2)=5 mL,V(NO2)=15 mL,所以V(N2)∶V(NO2)=1∶3。]
随堂演练 知识落实
1.D 2.D
3.B [试管内装有12 mL NO,然后间歇而缓慢地通入8 mL氧气,依据反应4NO+3O2+2H2O===4HNO3,知NO过量,反应后剩余NO的体积为12 mL-8 mL×= mL,即试管内气体为无色的NO。]
4.(1)还原 2NO+O2===2NO2 4NH3+6NO5N2+6H2O
(2)3NO2+H2O===2HNO3+NO 1∶2 2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O