5.2 氮及其化合物(第1课时 氮和氮的氧化物)(解析版)

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名称 5.2 氮及其化合物(第1课时 氮和氮的氧化物)(解析版)
格式 docx
文件大小 636.6KB
资源类型 试卷
版本资源 人教版(2019)
科目 化学
更新时间 2023-07-24 16:33:39

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第五章 第二节 氮及其化合物
第1课时 氮和氮的氧化物
【学习目标】
1. 结合真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解氮及其重要化合物的主要性质,认识其在生产中的应用和对生态环境的影响。
2.结合实例认识氮及其氧化物的性质,了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化。
3.认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
【素养目标】
1.通过从结构分析氮和氮氧化物的性质,培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
通过对氮的氧化物的污染与防治的学习,培养学生“科学精神与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一:氮的固定和氮气的性质
1.氮元素的位置、结构与存在
(1)氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族。氮原子的最外电子层有5个电子,既不容易得到3个电子,也不容易失去5个电子。因此,氮原子一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。
(2)氮元素在自然界中主要以氮分子的形式存在于空气中,部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中,还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。
2.氮的固定
氮的固定:将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程
(1)自然固氮:大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为含氮的化合物,或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成氨。
(2)人工固氮:人类通过控制条件,将氮气氧化或还原为氮的化合物,最重要的人工固氮途径就是工业合成氨。
3.N2的性质及应用
(1)物理性质:无色无味的气体,密度比空气略小,难溶于水,熔点、沸点比O2的低。
(2)化学性质
N2的电子式为?,结构式为。
①与Mg反应的化学方程式:N2+3MgMg3N2,N2表现氧化性。
②与H2反应的化学方程式:N2+3H22NH3,N2表现氧化性。
③与O2反应的化学方程式:N2+O22NO,N2表现还原性。
【点拨】氮元素是一种活泼非金属,但N2稳定的原因是N2分子中氮氮三键很稳定,不易断裂,难发生化学反应。
典例1. 下列关于氮气的说法中错误的是(  )
A.通常情况下N2性质很稳定,所以N2可以在电焊时作保护气
B.N2+O22NO,该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一
C.N2在空气中约占的质量比为
D.在反应3Mg+N2Mg3N2中,N2作氧化剂
【答案】C
【解析】N2很稳定,常用作保护气;但在高温下N2与O2产生的NO易被氧化为NO2,故汽车尾气会造成环境污染;N2在空气中的体积含量约为4/5;N2与金属、H2反应时作氧化剂。
知识点二:氮的氧化物
1.氮有多种价态的氧化物
氧化物的化学式 N2O NO N2O3 NO2、N2O4 N2O5
氮元素的价态 +1 +2 +3 +4 +5
(1)N2O俗称笑气。
(2)N2O3、N2O5是HNO2、HNO3相应的酸性氧化物(或酸酐)。
(3)NO2与N2O4可相互转化:2NO2N2O4。
2.NO、NO2的比较
NO NO2
颜色 无色 红棕色
毒性 有毒 有毒
溶解性 难溶于水 易溶于水
与O2或与H2O反应 2NO+O2===2NO2 3NO2+H2O===2HNO3+NO
收集方法 排水法 向上排空气法
与人体、环境的关系 ①与血红蛋白结合,使人中毒; ②转化成NO2,形成酸雨、光化学烟雾 形成酸雨、光化学烟雾
3.二氧化氮溶于水的实验分析
实验步骤 实验现象 实验结论
试管内气体颜色慢慢变为无色,水面不断上升,最后静止在距试管底部约1/3处 NO2不能全部被水吸收,有无色气体NO生成
把充满NO2的试管倒立水中,再通入O2 水面不断上升,最后试管内无色气体约为原NO2体积的1/3,通入适量O2后液面继续上升,最后试管全部充满液体 NO2溶于水生成的NO全部与O2反应被水吸收
水面不断上升,最后试管全部充满液体 NO2可被NaOH溶液全部吸收
4.氮的氧化物溶于水的计算方法
(1)关系式法
①NO2和O2混合气体溶于水的计算:
由4NO2+O2+2H2O===4HNO3可知:
V(NO2)∶V(O2) 
②NO与O2同时通入水中:
由4NO+3O2+2H2O===4HNO3可知:
V(NO)∶V(O2)
③NO2、NO、O2三种混合气体通入水中:
a.可先将NO和O2转化为NO2,再按上述各种情况分别处理。
b.也可先将NO2和H2O反应转化为NO,再按4NO+3O2+2H2O===4HNO3情况处理。
(2)得失电子守恒法
当NOx转化为硝酸时要失去电子,如果是NOx与O2混合,则反应中O2得到的电子数与NOx失去的电子数相等。
典例2.关于NO的叙述正确的是(  )
①NO可以是某些含低价氮的物质氧化的产物 ②NO是亚硝酸的酸酐 ③NO可以是某些含高价氮的物质还原的产物 ④NO是无色气体,在空气中可变为红棕色
A.全部 B.①③④
C.②③④ D.①④
【答案】B
【解析】NO中氮元素的化合价处于中间价态,它可以是还原产物,如HNO3→NO,也可以是氧化产物,如NH3→NO;HNO2的酸酐是N2O3;NO是无色气体,可被空气中的氧气氧化为红棕色的NO2。
典例3.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2种气体,它们是①NO和NO2,②NO2和O2,③HCl和N2。将3支试管均倒置于盛水的水槽中,充分反应后,试管中剩余气体的体积分别为V1、V2、V3,则下列的关系正确的是(  )
A.V1>V2>V3      B.V1>V3>V2
C.V2>V3>V1  D.V3>V1>V2
【答案】B
【解析】设各种气体的体积都为1体积。①根据3NO2+H2O2HNO3+NO,即剩余NO的体积V1=(1+)体积。②根据4NO2+O2+2H2O4HNO3,即剩余O2的体积V2=(1-)体积。③剩余N2的体积V3=1体积。即B项符合题意。
典例4.在一定条件下,将NO2和O2的混合气体12 mL通入足量水中,充分反应后剩余2 mL气体(同温同压下),则原混合气体中氧气的体积为(  )
①1.2 mL  ②2.4 mL  ③3 mL  ④4 mL
A.①② B.②③ C.③④ D.①④
【答案】D
【解析】混合气体通入水中,涉及的反应有①4NO2+O2+2H2O===4HNO3,②3NO2+H2O===2HNO3+NO。剩余气体为NO或O2。若剩余的气体是O2,则V(NO2)=×(12-2)mL=8 mL,V(O2)=12 mL-8 mL=4 mL。若剩余的气体是NO(2 mL) 6 mL NO2,则V(O2)=×(12-6)mL=1.2 mL。
核心价值与学科素养
氮氧化物对环境的污染及防治
1.常见的污染类型
(1)光化学烟雾:NOx在紫外线作用下,与碳氢化合物发生一系列光化学反应,产生的一种有毒的烟雾。
(2)酸雨:NOx排入大气中后,与水反应生成HNO3和HNO2,随雨雪降到地面。
(3)破坏臭氧层:NO2可使平流层中的臭氧减少,导致地面紫外线辐射量增加。
(4)NO与血红蛋白结合使人中毒。
2.防治措施
(1)调整能源结构,发展清洁能源。
(2)研究煤的脱硫技术,改进燃烧技术,减少SO2和氮的氧化物的排放。
(3)加强工厂废气的回收处理。
(4)改进汽车尾气的处理技术,控制汽车尾气排放标准。
3.常见的NOx尾气处理方法
(1)碱液吸收法
工业尾气中NOx常用碱液吸收处理,NO2、NO的混合气体能被足量烧碱溶液完全吸收的条件是n(NO2)≥n(NO)。
NO2+NO+2NaOH===2NaNO2+H2O
2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O
(2)氨气吸收法
8NH3+6NO27N2+12H2O 4NH3+6NO5N2+6H2O
(3)催化转化法
在催化剂、加热条件下,氨可将氮氧化物转化为无毒气体(N2);NOx与CO在一定温度下催化转化为无毒气体(N2和CO2)(一般适用于汽车尾气的处理)。
2CO+2NO2CO2+N2
典例5. 化学与环境密切相关,下列有关说法错误的是(  )
A.NO2、NO含氮氧化物是光化学烟雾的主要污染物
B.对酸性物质的排放加以控制,开发新清洁能源是减少酸雨的有效措施
C.CO2、NO2或SO2都会导致酸雨的形成
D.大气中CO2含量的增加会导致温室效应加剧
【答案】C
【解析】A.N的氧化物可导致光化学烟雾发生,则NO2、NO含氮氧化物是光化学烟雾的主要污染物,A正确;B.二氧化硫可导致酸雨发生,为减少酸雨发生,酸性物质的排放加以控制,开发新清洁能源是减少酸雨的有效措施,B正确;C.溶解CO2的雨水为正常雨水,而NO2或SO2都会导致酸雨的形成,C错误;D.二氧化碳过量排放可导致全球温度升高,则CO2含量的增加会导致温室效应加剧,D正确;答案选C。
典例6.汽车尾气中的氮氧化合物NOx与大气中的NH3发生如下作用,形成一种雾霾。
有关该雾霾的叙述正确的是(  )
A.NOx为酸性氧化物,可形成酸雨
B.反应②是氧化还原反应
C.NH3是形成该雾霾的催化剂
D.NH3可能来自过度施用氮肥
【答案】D
【解析】NOx为不成盐氧化物,故A错误;五氧化二氮和硝酸中的氮的化合价相同,所以反应②是非氧化还原反应,故B错误;由图示可知氨气参与反应生成铵盐,为反应物,不是催化剂,故C错误;NH3可能来自过度施用氮肥,铵盐不稳定易分解产生氨气,故D正确。
典例7.随着我国汽车年销量的大幅增加,空气环境受到了很大的污染。汽车 尾气装置里,气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如图所示,下列说法正确的是(  )
A.反应中NO为氧化剂,N2为氧化产物
B.汽车尾气的主要污染成分包括CO、NO和N2
C.NO和O2必须在催化剂表面才能反应
D.催化转化总化学方程式为2NO+O2+4CO4CO2+N2
【答案】D
【解析】反应过程中NO、O2为氧化剂,N2为还原产物;汽车尾气中的N2不是污染物;NO和O2的反应不需要催化剂;根据题中的图示,可将反应的过程分成如下两步写:2NO+O2===2NO2,2NO2+4CO===N2+4CO2,将两步反应式合并可得总化学方程式为2NO+O2+4CO4CO2+N2。
【跟踪练习】 基础过关
福建省三钢集团近年来大气污染治理成绩显著,厂区“绿”意盎然。治理后,钢铁厂排放的尾气中,下列 物质含量最大的是(  )
A.CO2       B.NO2 C.SO2 D.PM10
【答案】A
【解析】钢铁厂产生二氧化碳气体,不属于污染气体,二氧化氮、二氧化硫、PM10属于污染物质,治理后减少排放,二氧化碳含量最多。
如图所示,相同条件下,两个容积相同的试管分别装满NO2和NO气体,分别倒置于水槽中,然后通过导管缓慢通入氧气,边通边慢慢摇动试管,直到两个试管内充满液体。假设试管内的溶质不向水槽中扩散,则两个试管内溶液物质的量浓度之比为(  )
A.1∶1 B.5∶7 C.7∶5 D.4∶3
【答案】A
【解析】NO2、NO装满试管,则体积相同,根据阿伏加德罗定律:n(NO2)=n(NO),根据氮原子守恒所得硝酸的物质的量相同,溶液的体积相同,所以两个试管中溶液物质的量浓度之比为1∶1。
3. 如图所示,室温下的两个连通容器用活塞分开,左右两室体积相同,左室充入一定量NO,右室充入一定量O2,且恰好使两容器内气体密度相同。打开活塞,使NO与O2充分反应,反应如下:2NO+O2=2NO2。下列判断正确的是(不考虑NO2转化为N2O4)
A.反应前后左室的压强相同
B.开始时左右两室中的分子数相同
C.反应后容器内的密度与反应前的相同
D.反应后容器内无O2存在
【答案】C
【解析】由左右两室体积相同,两容器内气体密度相同可知,两容器中气体的质量一定相等,再结合n=m/M可知NO和O2的物质的量之比为32 g/mol:30 g/mol=16:15;A、发生2NO+O2===2NO2,反应后气体的总的物质的量减少,均匀充满左右两室,故反应后左室的气体物质的量要减小,故压强减小,故A错误;B、NO和O2的物质的量之比为16:15,气体分子数目之比等于物质的量之比,开始时左右两室分子数不相同,故B错误;C、反应后气体的总质量为原来一氧化氮与氧气质量之和,为氧气质量的2倍,体积为左右两室的体积之和,为右室的2倍,故密度不变,故C正确;D、NO和O2的物质的量之比为16:15,发生反应:2NO+O2===2NO2,O2过量,故最终容器内有O2存在,故D错误。故选C。
4. N2O俗称“笑气”,早期被用于牙科手术的麻醉,是人类最早应用于医疗的麻醉剂之一。反应3CO+2NO23CO2+N2O能产生N2O。下列关于N2O的说法一定正确的是(  )
A.上述反应中,每消耗2 mol NO2,就会生成22.4 L N2O(标准状况下测定)
B.N2O有氧化性,且为HNO2的酸性氧化物
C.当生成3 mol CO2时,转移的电子数为12NA
D.N2O使用时必须少量,否则会与人体血红蛋白结合,使人中毒
【答案】D
【解析】由方程式可知,反应中每消耗2 mol NO2,可生成1 mol N2O,标准状况下的体积为22.4 L,A正确;N2O中氮元素的化合价为+1价,HNO2中氮元素的化合价为+3价,N2O不是亚硝酸的酸性氧化物,B错误;反应中碳元素的化合价由+2价升高到+4价,当生成3 mol CO2时转移6 mol电子,C错误;N2O能作麻醉剂,说明其不能和人体血红蛋白结合,D错误。
如图,试管中充满NO2,现向其中缓慢通入O2,用水吸收NO2(假设每次通 入的O2能完全反应)。下列说法正确的是(  )
A.当试管内溶液的pH不再变化时,说明NO2全部转化为HNO3(假设试管内的溶质不向水槽中扩散)
B.当试管内气体不是红棕色时,说明NO2全部转化为HNO3
C.水槽内的水改为稀盐酸,有利于吸收NO2
D.水槽内的水改为稀NaOH溶液,有利于吸收NO2
【答案】D
【解析】试管中发生反应:4NO2+O2+2H2O===4HNO3,根据NO2→HNO3,c(HNO3)=,消耗的NO2的体积等于试管中溶液的体积,即ΔV(NO2)=V(溶液),则c(HNO3)=,试管内溶液的pH始终不变,故A错误;根据3NO2+H2O===2HNO3+NO,当试管中气体不是红棕色时,不能说明NO2全部转化为HNO3,故B错误;水槽内的水改为稀盐酸时,NO2仍是与稀盐酸中的水反应,不能促进NO2的吸收,故C错误;NO2与NaOH溶液能够发生反应:2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O,水槽内的水改为稀NaOH溶液,有利于吸收NO2,故D正确。
能力达成
某化学学习小组为探究NO2和SO2的反应,特进行如下实验(如图所示)。
(1)图1两集气瓶中 (填“上”或“下”)瓶颜色深。
(2)图2中反应的现象是 。
(3)图3中“有红棕色气体产生”说明SO2和NO2反应的产物中有____________,说明NO2在该反应中表现____________性。
(4)由图2和图3中的现象写出NO2和SO2反应的化学方程式: 。
【答案】(1)下 (2)下瓶中的红棕色逐渐消失,最终变为无色 
(3)NO 氧化 (4)NO2+SO2NO+SO3
【解析】图3中反应生成的气体遇空气显红棕色,说明图2中反应生成了NO,即NO2和SO2反应,NO2转化为NO,表现氧化性,而SO2则表现还原性,被氧化,硫元素化合价升高,只能变成+6价,应转化为SO3。
NOx是汽车尾气中的主要污染物之一。
(1)NOx能形成酸雨,写出NO2转化为HNO3的化学方程式: 。其中氮元素的化合价在此反应中发生的变化是________(填序号)。
A.不变       B.仅升高
C.仅降低 D.既有升高又有降低
(2)在汽车尾气系统中装置催化转化器,可有效降低NOx的排放。
①当尾气中空气不足时,NOx在催化转化器中被还原成N2排出。写出NO被CO还原的化学方程式: 。
②根据上述反应,若反应掉1.5 mol的NO,转移电子的物质的量为________ mol。
(3)设空气中O2体积分数为0.25,N2体积分数为0.75,有水存在的条件下,氮的氧化物和一定量空气混合恰好完全反应,反应后气体体积减少一半,该氮的氧化物是________(填序号)。
A.NO
B.NO2
C.NO和NO2物质的量之比为2∶1的混合物
D.NO和NO2物质的量之比为1∶1的混合物
【答案】(1)3NO2+H2O2HNO3+NO  D
(2)①2NO+2CON2+2CO2  ②3 
(3)D
【解析】(1)NO2与H2O反应生成HNO3与NO。由于NO2中的氮元素的化合价为+4价,而生成物NO中的氮元素的化合价是+2价,而硝酸中的氮元素的化合价是+5价,所以NO2中氮元素的化合价既有升高又有降低。(2)①NO被CO还原成N2,由得失电子守恒和元素守恒可知CO被氧化为CO2;②根据化学方程式2NO+2CO N2+2CO2可知,反应中氮元素的化合价由+2价变成0价,所以1.5 mol NO转移电子的物质的量是3 mol。(3)混合气体全部与空气中的氧气反应,没有物质是过量的,最终氮的氧化物与氧气、水反应生成HNO3,反应后气体体积减少一半,剩余气体为氮气,令剩余氮气为0.75 mol,则氮的氧化物为1.5 mol—0.75 mol—0.25 mol=0.5 mol,结合选项令氮的氧化物的平均组成为NOx,根据电子转移守恒,则:(5-2x)×0.5 =0.25×4,解得x=1.5,故氮的氧化物为NO和NO2的混合物,令NO和NO2的物质的量分别为a mol、b mol,则:a+b=0.5,(a+2b)/0.5=1.5,解得a=0.25,b=0.25,故NO和NO2的物质的量之比为0.25 mol∶0.25 mol=1∶1,故选D。
氮的氧化物和硫的氧化物是导致酸雨的物质。
(1)形成酸雨的原理之一可简单表示如下:
回答下列问题:
①酸雨的pH________(填“>”、“<”或“=”)5.6。
②D物质的化学式为____________。
③反应②的化学方程式为_________________________________________。
(2)在一定条件下氨气亦可用来将氮氧化物转化为无污染的物质。写出氨气和二氧化氮在一定条件下反应的化学方程式: ,反应中氧化剂是_______,还原剂是_______。
(3)用氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物,反应的化学方程式如下:
NO2+NO+2NaOH===2NaNO2+H2O,
2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O
现有V L某NaOH溶液能完全吸收n mol NO2和m mol NO组成的大气污染物。
①所用烧碱溶液的物质的量浓度至少为________ mol·L 1。
②若所得溶液中c()∶c()=1∶9,则原混合气体中NO2和NO的物质的量之比n∶m=______。
③用含n和m的代数式表示所得溶液中和浓度的比值c()∶c()=________。
【答案】 (1)①< ②H2SO3 ③2SO2+O22SO3
(2)6NO2+8NH37N2+12H2O NO2 NH3
(3)① ②3∶2 ③
【解析】(1)酸雨的pH<5.6,正常雨水的pH=5.6。由图示转化可知:A为SO2,B为SO3,D为H2SO3。
(2)NH3 和NO2反应生成的无污染物质是N2和H2O。(3)①因产物NaNO3、NaNO2中n(Na+)=n(N),故n(NaOH)=n(NO)+n(NO2)=(m+n) mol,c(NaOH)= mol·L 1。②NO2与NO混合气体与NaOH溶液反应可以认为先后发生如下反应:
NO2+NO+2NaOH===2NaNO2+H2O
m m 2m 2m
2NO2+2NaOH===NaNO2 + NaNO3 + H2O
n m (n m) (n m)
当V(NO)2≥V(NO)时能吸收完全,所以c()∶c()==,得n∶m=3∶2。
③c()∶c()=(n m)∶[2m+(n m)]=。
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