5.2氮及其化合物 课件（共32张PPT）高中化学 人教版（2019） 必修 第二册

(共32张PPT)
物质结构与反应原理视角下的
氮及其化合物
氮及其化合物价类图
-3
-2
-1
0
+1
+2
+3
+4
+5
单质
氮化物
氧化物
酸
盐
生物固氮
人工固氮
雷电固氮
思考1:大气中游离态的氮是通过哪些途径进入生物圈循环的？
请写出雷电固氮和人工固氮的相关反应的方程式并分析氮气的化学性质。
任务一 氮气
1.已知氮和磷同族，有关氮和磷的键能数据如下：
键 N≡N N－N P≡P P－P
键能/（kJ·mol-1） 946 159 523 209
从能量角度看，氮为双原子分子N2，而白磷则为四原子分子P4（ ）形式存在的原因是。
任务一 氮气
氮气的性质稳定，而白磷在空气中容易自燃
结构 性质
决定
体现
【思考与讨论】
三倍 的N-N键的键能小于N≡N键的键能，而三倍
P－P的键能大于P≡P的键能，
【问题讨论】
1、请计算以上反应的焓变，并分析反应的自发情况？
2、已知：2NO(g) N2(g) + O2 (g) K ≈ 1030（298K），研究发现加热到600℃，NO仍然没有明显分解，推测原因是什么？
3、你如何看待物质转化的速率和限度的关系？
2.(2018·江苏单科，21)已知[Fe(H2O)6]2+可与NO反应生成[Fe(NO)(H2O)5]2+，请在[Fe(NO)(H2O)5]2+结构示意图的相应位置补填缺少的配体。
任务二 氮氧化物
【思考并完成】
3.(2023·湖北，6)W、X、Y、Z为原子序数依次增加的同一短周期元素，其中X、Y、Z相邻，W的核外电子数与X的价层电子数相等，Z2是氧化性最强的单质，4种元素可形成离子化合物 。下列说法正确的是（　）
A. 分子的极性：WZ3C. 氧化性：X2Y3NO是奇分子，带有自由基，易氧化、易缔合，可在人体内传递信号，扩张血管，被称为明星分子。
(XY)+
B、N、O、F
任务二 氮氧化物
【思考与讨论】
A
NO和NO2的比较
性质 NO NO2
色、味、态 ___________ ___________________________
水溶性 _________ 易溶于水
毒性 有毒，大气污染物之一 有毒，大气污染物之一
与水反应 不反应 3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
与氧气反应 _________________ 不反应
无色的气体
红棕色、有刺激性气味的气体
不溶于水
2NO＋O2===2NO2
思考2：NO、NO2常见的污染类型有哪些？
NO、NO2均为有毒气体，实验室如何检验产生的气体为NO、NO2，并将其除去？
任务二 氮氧化物
工厂及汽车排放的NOx在环境中会产生一些列危害。SCR系统（选择性催化还原）是欧美等国目前广泛应用的柴油机NOx尾气处理装置，结构如图。工作的主要过程包括：尿素[CO(NH2)2]水解-热分解、催化还原NOx两个过程。
思考3：请写出尿素水解-热分解的反应方程式。
以NO2 为例写出催化还原的反应方程式。
CO(NH2)2+H2O===CO2+2NH3
8NH3+6NO2====7N2+12H2O
任务二 氮氧化物
1.为什么实验测得NO2的相对分子质量总大于46？
【问题讨论】
NO2与N2O4存在平衡： 2NO2 N2O4
2.NO2的化学性质
ΔH<0
任务二 氮氧化物
思考4：你是如何认识NO2的化学性质的？
认识物质化学性质的视角：物质类别、元素价态、特殊性质
、物质结构
任务三 氮的含氧酸
请谈谈你对硝酸性质的认识？
物理性质：硝酸是 色、 挥发、 气味的液体。
无
易
有刺激性
化学性质：
思考5：为什么硝酸沸点较低，易挥发？
(1)除Au、Pt外的大部分金属→硝酸盐（Fe、Al遇冷浓硝酸钝化）。
(2)一些非金属单质，如C、S等→氧化物或含氧酸。
(3)某些还原性的化合物，如Fe2+、 I-、 S2-、SO32- 、SO2等。
任务三 氮的含氧酸
还原产物：NO2、NO、N2O、N2、NH4+
【问题讨论】
1.硝酸对应的还原产物是？
2.为什么浓硝酸常呈黄色？
(2)向浓HNO3中插入红热的炭，产生红棕色气体，证明炭可与浓HNO3反应生成NO2(2021·山东，5C)(　　)
×
×
(1)浓HNO3和稀HNO3与Cu反应的还原产物分别为NO2和NO，故稀HNO3氧化性更强(2021·河北，10D)(　　)
3.你能写出硝化甘油的结构简式吗？
任务三 氮的含氧酸
回顾：工业制硝酸的原理？
NH3
空气
热交换器
转化器
吸收塔
ΔH <0
NH3 空气
NO, O2, N2
NO2, O2, N2
【问题讨论】
（1）原料气在转化器中为何只生成了NO而没有直接生成NO2
（2）在进入吸收塔前，体系的温度和NO2的体积分数变化如图所示，分析可能的原因。（已知后期NO2体积分数虽然降低，但对HNO3产量无影响）
1.已知亚硝酸也不稳定，你能写出其分解方程式吗？
2HNO2===NO↑＋NO2↑＋H2O
2.从元素价态分析亚硝酸的化学性质。
思考6：请从结构的角度解释为什么硝酸的酸性比亚硝酸强？
任务三 氮的含氧酸
【问题讨论】
3.亚硝酸钠还是一种食品添加剂，用作食品防腐剂和肉类食品的发色剂。外观及性质与氯化钠相似，如何鉴别？
回顾：NH3具有哪些特征的性质？
任务四 氮氢化物
【问题讨论】
（2）请画出NH3分子之间、NH3与H2O分子之间
形成的氢键示意图 （注：用X－H···Y表示）
（1）NH3易液化、极易溶于水的原因什么？
NH3与D2O呢？
（3）鱼的腥味其主要成分为三甲胺，烹制时如何去腥？请说明去腥的化学原理。
（4）结合上述反应，NH3能与具有怎样结构特征的微粒发生类似反应？请举例说明。
任务四 氮氢化物
【问题讨论】
（5）NH3键角与NH4+键角大小比较及原因？
NH3、CH3NH2、(CH3)2NH、与Cu2+、H+等配位能力强弱？CO(NH2)2呢？
任务四 氮氢化物
【问题讨论】
（6）已知钠能与液氨反应置换出氢气，请说明原因。
（7）将钠投入氨水中，其反应原理为？请说明理由。
（8）根据NH3中N、H的化合价预测化学性质。
（9）NH3由N、H两种元素组成，请说出能产生NH3的可能反应，并写出来。
大量需要NH3，通常选用制备方法和原料？
角度一：N2→NH3
角度二：NH4+、NH2-、NH2-、N3-→NH3
角度三：NO3-、NOx→NH3
实验室少量需要NH3，通常选用制备方法、原料和装置？
任务四 氮氢化物
【问题讨论】
【2018.11-30节选】（一）合成氨工艺（流程如图1所示）是人工固氮最重要的途径。2018年是合成氨工业先驱哈伯（P Haber）获得诺贝尔奖100周年。
N2和H2生成NH3的反应为：1/2N2(g)+3/2H2(g) NH3(g) H(298K)= -46.2kJ mol-1
1.有哪些角度可以加快反应速率？
2.催化剂是怎样影响反应速率的？
在Fe催化剂作用下的反应历程为（*表示吸附态）
化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)→2H*；
表面反应：N*+ H* NH*；NH*+H* NH2*；NH2* + H* NH3*
脱附：NH3* NH3(g)其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。
实际生产中，常用工艺条件：Fe作催化剂，控制温度773K，压强3.0×107Pa，原料中N2和H2物质的量之比为1：2.8。
①工业生产中控制投料比与反应计量数之比相同，但此题中N2过量的理由 。
N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤，适度过量有利于提高整体反应速率。
N21.2元/m3
H21.8元/m3
原料气中N2相对易得，适度过量有利于提高H2转化率
1.工业制NH3
任务四 氮氢化物
3.怎样提高合成氨工业中H2的平衡转化率？
4.怎样提高合成氨工业中H2的相同时间转化率？
【真题再现】②关于合成氨工艺的下列理解，正确的是 。
A．合成氨反应在不同温度下的△H和△S都小于零
B．控制温度（773K）远高于室温，是为了保证尽可能的平衡转化率和快的反应速率
C．当温度、压强一定时，在原料气（N2和H2的比例不变）中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率
D．基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化，不断将液氨移去，利于反应正向进行
E．分离空气可得N2，通过天然气和水蒸气转化可得H2，原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生。
ADE
【2018.11-30节选】（一）合成氨工艺（流程如图1所示）是人工固氮最重要的途径。2018年是合成氨工业先驱哈伯（P Haber）获得诺贝尔奖100周年。
N2和H2生成NH3的反应为：1/2N2(g)+3/2H2(g) NH3(g) H(298K)= -46.2kJ mol-1
任务四 氮氢化物
2.实验室制NH3
NH4Cl+CaO[或Ca(OH)2]
NH3·H2O+CaO
或NH3·H2O加热
用强还原性金属（Mg或Zn)还原很稀的硝酸，可以产生NH3，写一写反应方程式。
任务四 氮氢化物
思考7：根据N2H4，如果3个N通过单键相连，结构式怎样写？
4个N、5个N……你能找出通式吗？
依据N2H4推理N2H2、N2，N3H5存在N—N 、 N=N、N≡N
产物怎样写？N3H3怎样写？N4H4呢？N4呢？
C与H、O等构成了含碳化合物的世界——有机物；N与H、O会构成一类化合物；Si与H、O也可能构成一类化合物……
在物质领域，我们刚刚踩在门槛上，同学们，化学的未来还不知道有多宽广，正在向我们招手！
NH5为离子化合物？电子式？
任务四 氮氢化物
N2H4的结构与性质
（1）从NH3的结构与性质关系迁移分析，推测N2H4的化学性质，用相应的化学用语表示（结构式、反应方程式、电离方程式）。
（3）写出N2H4在水中的电离方程式和Kb1=？Kb2= 表达式
Kb1(N2H4)=3.0×10-6；Kb2(N2H4)=7.6×10-15
（2）推测N2H4的水溶性，并进行说理分析。
（4）为什么N2H4在水中的电离能力比NH3弱？
（5）N2H4的自耦电离方程式？ H2O2 CH3CH2OH
由于H2O2显弱酸性，在一定条件下它能同强碱作用生成正盐或酸式盐，请写出H2O2与Ba(OH)2反应生成正盐的化学方程式：_______________。
任务四 氮氢化物
【问题讨论】
水合肼的制备
【链接高考】N2H4·H2O（水合肼）极毒且不稳定，100℃以上易分解失水，常用作还原剂和除氧剂（通常生成N2和H2O），其熔点为－40℃，沸点118.5℃。现以Cl2、NaOH、(NH2)2CO（尿素）和SO2为原料可制备N2H4·H2O和无水Na2SO3，其主要流程如下：
已知：Cl2(g)＋2OH-(aq)=ClO-(aq)＋Cl-(aq)＋H2O(aq) △H<0
（1）步骤Ⅰ制备NaClO溶液时，若温度超过40℃，Cl2与NaOH溶液充分反应生成NaClO3和NaCl。实验中为控制反应温度除了用冰水浴、充分搅拌外，还需采取的措施是_______________________。
缓慢通入Cl2
任务四 氮氢化物
水合肼的制备
【链接高考】N2H4·H2O（水合肼）极毒且不稳定，100℃以上易分解失水，常用作还原剂和除氧剂（通常生成N2和H2O），其熔点为－40℃，沸点118.5℃。现以Cl2、NaOH、(NH2)2CO（尿素）和SO2为原料可制备N2H4·H2O和无水Na2SO3，其主要流程如下：
已知：Cl2(g)＋2OH-(aq)=ClO-(aq)＋Cl-(aq)＋H2O(aq) △H<0
（2）步骤Ⅱ合成N2H4·H2O的装置如题右图1所示。NaClO碱性溶液与尿素水溶液在40℃以下反应一段时间后，再迅速升温至110℃继续反应。实验中通过滴液漏斗滴加的溶液是______（填字母）；
a．尿素溶液 b．NaClO碱性溶液 c．尿素溶液或NaClO溶液任选其一，理由是______。
过量的NaClO溶液会将水合肼氧化
b
任务四 氮氢化物
水合肼的制备
【链接高考】N2H4·H2O（水合肼）极毒且不稳定，100℃以上易分解失水，常用作还原剂和除氧剂（通常生成N2和H2O），其熔点为－40℃，沸点118.5℃。现以Cl2、NaOH、(NH2)2CO（尿素）和SO2为原料可制备N2H4·H2O和无水Na2SO3，其主要流程如下：
已知：Cl2(g)＋2OH-(aq)=ClO-(aq)＋Cl-(aq)＋H2O(aq) △H<0
（3）步骤Ⅲ中分离出N2H4·H2O应该采用的方法最合理是_____________。
减压蒸馏
任务四 氮氢化物
【链接高考】N2H4·H2O（水合肼）极毒且不稳定，100℃以上易分解失水，常用作还原剂和除氧剂（通常生成N2和H2O），其熔点为－40℃，沸点118.5℃。现以Cl2、NaOH、(NH2)2CO（尿素）和SO2为原料可制备N2H4·H2O和无水Na2SO3，其主要流程如下：
（6）工业上还可以用水合肼还原法制取碘化钠，工艺流程如图：
还原过程中可用硫化钠或铁屑等物质替代水合肼，但水合肼还原法制得的产品纯度更高，原因是______________。
N2H4 H2O的氧化产物为N2和H2O，分离产品过程容易进行。
任务四 氮氢化物
NH3分子中的H可以被活泼金属取代形成氨基化物，如NaNH2。
NH3分子中的H可以被羟基取代，形成羟胺（NH2OH）。
问题8
羟胺固体不稳定，易分解甚至爆炸，但羟胺的水溶液比较稳定。
羟胺水溶液的酸碱性？其电离方程式？与盐酸、硫酸形成的盐？
NH2OH中N的化合价为-1，主要用作还原剂，其氧化产物是无污染的N2和H2O。羟胺是有机化学中的重要试剂。
任务四 氮氢化物
当用联氨还原亚硝酸时，生成叠氮酸HN3溶液。叠氮酸很不稳定，常因震动引起强烈爆炸：2HN3→3N2+H2
HN3水溶液较稳定，易挥发，是一种一元弱酸，故也可由不挥发性酸与叠氮化物反应得到。
叠氮酸的盐叫做叠氮化物，也很不稳定，受撞击时爆炸，军事上常用作引爆剂。NaN3用于汽车安全气袋中氮气的发生剂。
任务五 叠氮化物
（2010高考）25.（14分）洗车安全气囊是德国安全的重要保障。当车辆发生碰撞的瞬间，安全装置通电点火使其中的粉末分解释放出大量的氮气形成气囊，从而保护司机及乘客免受伤害。为研究安全气囊工作的化学原理，取安全装置中的粉末进行实验。经组成分析，确定该粉末仅Na、Fe、N、O四种元素。水溶性试验表明，固体粉末部分溶解。经检测，可溶物为化合物甲；不溶物为红棕色固体，可溶于盐酸。
取13.0g化合物甲，加热使其完全分解，生成氮气和单质乙，生成的氮气折合成标准状况下的体积为6.72L。单质乙在高温隔绝空气的条件下与不溶物红棕色粉末反应生成化合物丙和另一种单质。化合物丙与空气接触可转化为可溶性盐。
请回答下列问题：
（1）甲的化学式为 ，丙的电子式为 。
（4）以下物质中，有可能作为安全气囊中红棕色粉末替代品的是 。
A. KCl B. KNO3 C. Na2S D. CuO
叠氮酸根离子N3-是直线形离子，与CO2是等电子体，结构相似。N3-是一个类卤离子，与Ag+形成AgN3也难溶于水。
任务五 叠氮化物
物质性质
物质转化
从结构……角度预测、解释
从速率、平衡角度调控
元素化合物
合理
利用