化学必修1第3章 自然界中的元素第2节 氮的循环课后作业题

自然界中的氮循环　氮的固定

学习理解　共45分

一、选择题(本题共6小题，每小题5分，共30分)

1．(2021·济南高一检测) N2是空气的重要组成部分，因此有科学家根据蒸汽机的原理，设计制造出液氮蒸汽机，即利用液态氮的蒸发来驱动机车，从而达到环境保护的目的。其主要依据是(　　)

A．液态氮的沸点为－195.8 ℃，远低于常温

B．N2在空气中燃烧放热

C．N2与H2反应放热

D．N2在空气中约占78%(体积分数)

【解析】选A。液态氮沸点低，常温时汽化体积膨胀做功，A正确；N2在空气中不能燃烧，B错误；N2与H2反应需高温、高压、有催化剂的条件，生成NH3不利于环保，C错误；N2在空气中的比例大与蒸汽机工作原理无关，D错误。

2．(2021·深圳高一检测)火箭推进剂引燃后发生剧烈反应，产生大量高温无色气体(CO2、H2O、N2、NO)从火箭尾部喷出。但在发射现场看到火箭尾部喷出大量红棕色的气体，产生红棕色的气体的原因是(　　)

A．NO遇空气生成NO2

B．高温下N2遇空气生成NO2

C．CO2与N2反应生成CO和NO2

D．NO和H2O反应生成H2和NO2

【解析】选A。从产生的气体中可以看出能变红棕色的情况就是NO遇空气生成NO2。

3．用碱液吸收工业制硝酸的尾气的化学方程式为NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O，其中生成物NaNO2为(　　)

A．既是氧化产物又是还原产物

B．既是氧化剂又是还原剂

C．只是还原剂的氧化产物

D．只是氧化剂的还原产物

【解析】选A。NO中＋2价的氮元素与NO2中＋4价的氮元素在反应后变为NaNO2中的＋3价，因此NaNO2既是氧化产物也是还原产物。

4．(2021·合肥高一检测)实验探究小组按如图进行实验。试管中装有12 mL NO，然后间歇而又缓慢地通入8 mL O2，下列是有关最终状态的描述：

①试管内气体呈红棕色　②试管内气体呈无色

③试管内液面不变　④试管内液面上升

⑤试管内气体是O2　⑥试管内气体是NO。其中正确的是(　　)

A．①③   B．②④⑤  C．②④⑥    D．②③⑤

【解析】选C。根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可得，剩余气体应为NO，体积为 mL，试管内液面上升。

5．在同温同压下，将充有等体积混合而成的四组气体：①NO2＋O2；②NO2＋NO；③HCl＋N2；④SO2＋O2，分别通入体积相同的试管，并立即倒立于水槽中，如图所示，待试管内液面稳定后，剩余气体体积依次为V1、V2、V3、V4，则剩余气体体积最多的是(　　)

A．V1　　 B．V2　　 C．V3　　 D．V4

【解析】选B。在同温同压下，将充有等体积混合而成的四组气体：①NO2＋O2、②NO2＋NO、③HCl＋N2、④SO2＋O2，分别通入体积相同的试管，并立即倒立于水槽中。①二氧化氮和氧气、水能反应生成硝酸4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，根据方程式知，氧气剩余，参加反应的氧气的体积为氧气总体积的，二氧化氮全部参加反应，所以混合气体减少的体积为试管体积的，故水面上升的高度为试管的；②二氧化氮和水能反应生成硝酸和一氧化氮3NO2＋H2O ===2HNO3＋NO，一氧化氮和水不反应，根据方程式知，气体减少的体积是二氧化氮的，二氧化氮占混合气体的，所以试管内气体减少的体积为试管体积的，故水面上升的高度为试管的；③氯化氢全部溶于水，氮气不溶，所以试管内气体减少的体积为试管体积的，故水面上升的高度为试管的；④在题设条件下二者不反应，二氧化硫溶于水生成亚硫酸，氧气不溶，所以试管内气体减少的体积为试管体积的，故水面上升的高度为试管的。待试管内液面稳定后，剩余气体体积最多的是V2。

6．无色的混合气体甲，可能含NO、CO2、NO2、N2中的几种，将一定量的甲气体经过如图实验的处理，结果得到酸性溶液，而几乎无气体剩余，则甲气体的组成为(　　)

A．NO2、N2   B．NO、CO2

C．NO2、CO2     D．NO、CO2、N2

【解析】选B。混合气体无色，气体中不含NO2，气体通过Na2O2后显红棕色，说明原混合气体中含有NO，且有与Na2O2反应生成O2的气体CO2，通入水中，溶液呈酸性，且几乎无气体剩余，说明原气体中不含N2。

二、非选择题(本题共1小题，共15分)

7. (2021·西安高一检测) 探究小组进行如图所示的实验，在B水槽中装有500 mL水，容积为a mL的试管A充满了NO2和NO的混合气体(标准状况)，将试管A倒插入B水槽的水中。充分反应后，试管A中余下气体的体积为0.5a mL。

(1)将A倒插入B水槽中发生的反应为_______，该反应中氧化剂与还原剂的质量比________，原混合气体中NO2和NO的物质的量之比为________。

(2)通过导气管C向余下0.5a mL气体的试管A中持续通入氧气，A中可能观察到的现象是____________________________。

(3)当试管A中充满气体时停止通入氧气，然后将试管取出水槽，水槽B中溶液的物质的量浓度为________ mol·L－1(设溶液的体积仍为500 mL)。

【解析】(1)试管A倒插入B水槽中后，发生反应3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，氧化剂与还原剂均为NO2，质量比为1∶2。根据题意有n(NO2)＋n(NO)＝[n(NO2)＋n(NO)]，n(NO2)∶n(NO)＝3∶1。(2)试管A中剩余0.5a mL气体为NO，通入氧气后，发生反应2NO＋O2===2NO2，4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，可写为4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，无色气体变为红棕色气体，试管中液面不断上升至全充满，继续通入氧气后，试管中液面下降，最后充满无色气体O2。(3)试管中充满气体时，根据原子守恒，n(HNO3)＝n(气体)＝，c(HNO3)＝＝ mol·L－1。

答案：(1)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　1∶2　3∶1

(2)无色气体变为红棕色，试管中液面不断上升至全充满，继续通入氧气后，试管中液面下降，最后充满无色气体O2　(3)

应用实践　共35分

一、选择题(本题共5小题，每小题3分，共15分)

8．(2021·石家庄高一检测)将一量筒倒立于水槽中， 其中装有50 mL NO2和NO混合气体，反应后气体体积缩小为30 mL，则原混合气体中NO2和NO的体积比是(　　)

A．5∶3　　 B．3∶5　　 C．3∶2　　 D．2∶3

【解析】选C。运用差量法计算。

设混合气体中NO2的体积为x

则原混合气体中NO为50 mL－30 mL＝20 mL。

所以V(NO2)∶V(NO)＝30 mL∶20 mL＝3∶2。

9．向盛有15 mL NO气体，倒立于水槽的试管中通入O2，充分反应后试管中还剩余气体3 mL，则通入的O2体积可能是(　　)

①9 mL　②12.25 mL　③14.25 mL

④15.0 mL

A．①② 　　B．②③　　C．①③　　D．③④

【解析】选C。此题属于混合气体与水反应的计算，应分析讨论试管中剩余的3 mL气体为何物，依据有关反应的化学方程式进行计算。

(1)若剩余气体是NO，

则反应的NO为15 mL－3 mL＝12 mL。

据总反应式：

4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3

4     3

12 mL V(O2)

V(O2)＝9 mL。

(2)若剩余的气体为O2，则反应的NO为 15 mL，

4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3

4     3

15 mL V(O2)

V(O2)＝11.25 mL。

则通入O2的总体积为11.25 mL＋3 mL＝14.25 mL。

10．(2021·烟台高一检测)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，试管内液面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中液面继续上升。经过多次重复后，试管内完全被充满，原来试管中盛装的气体是(　　)

A．可能是N2和NO2的混合气体

B．一定是NO2气体

C．可能是NO与NO2的混合气体

D．不可能是NO2一种气体

【解析】选C。

2NO＋O2===2NO2①

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO②

由①×3＋②×2得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3

由①＋②×2得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3

NO或NO2都可与适量O2完全溶于水生成硝酸，又因为该气体为红棕色，所以该气体可能是NO2，也可能是NO和NO2的混合气体。

11．(2021·合肥高一检测)实现氮气按照一定方向转化一直是科学领域研究的重要课题，如图为N2分子在催化剂的作用下发生的一系列转化示意图。下列叙述正确的是(　　)

A.N2→NH3、NH3→NO均属于氮的固定

B.催化剂a在反应过程中不参与中间过程，两个反应前后催化剂质量不变

C.人工合成NH3的反应条件是高温、催化剂两个

D.在催化剂a作用下氮原子发生了还原反应

【解析】选D。A.NH3→NO是不同化合态的氮的转化，不属于氮的固定，故A错误；B.在催化剂a作用下，N2→NH3，氮原子化合价从0降低至－3价，发生了还原反应，参与中间过程，两个反应前后催化剂质量不变，故B错误；C.工业合成氨反应是一个放热的可逆反应，反应条件是高温、高压，并且需要合适的催化剂，故C错误；D.在催化剂a作用下N2转化为NH3，化合价降低，氮原子发生了还原反应，故D正确。

12．(2021·烟台高一检测)关于氮及其化合物间的转化关系图如下：

则下列说法不正确的是(　　)

A．路线①②③④是人工固氮生产硝酸的主要途径

B．路线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是自然固氮生成硝酸的主要途径

C．上述所有反应都属于氮的固定

D．上述所有反应都是氧化还原反应

【解析】选C。工业上生产硝酸的流程是N2和H2反应生成NH3，NH3与O2反应生成NO和H2O，NO与O2反应生成NO2，NO2被水吸收得到HNO3，故A正确；在放电条件下，N2和O2反应生成NO，NO与O2反应生成NO2，NO2被水吸收得到HNO3，故B正确；反应Ⅰ中氮气转变为含氮化合物属于氮的固定，其他反应是氮的化合物之间的转化而不属于氮的固定，故C不正确；题述所有反应都有元素化合价的变化，都是氧化还原反应，故D正确。

二、非选择题(本题共1小题，共20分)

13．为了探究几种气态氧化物的性质，某同学设计了以下实验：用三只集气瓶收集二氧化硫、二氧化氮气体，倒置在水槽中。然后分别缓慢通入适量氧气或氯气，如图所示。一段时间后，A、B装置中集气瓶充满溶液，C装置中集气瓶里还有气体。

(1)如果装置A中通入的氧气恰好使液体充满集气瓶，假设瓶内液体不扩散。

①写出A中总反应的化学方程式：___________________；

该实验对工业上生产硝酸的启示是____________________。

②假设该实验条件下，气体摩尔体积为a L·mol－1，集气瓶中溶液的物质的量浓度为________。

(2)实验前在C水槽里滴加几滴紫色石蕊溶液，通入氧气前后，实验现象可能为_____；

写出化学方程式： _____________________________。

(3)溶液充满集气瓶后，在B水槽里滴加硝酸钡溶液，可能观察到的现象为__________________________；

写出所有反应的离子方程式：_________________________；

证明B水槽反应后溶液里有Cl－的操作方法是___________。

【解析】(1)①A瓶中发生的反应有3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，2NO＋O2===2NO2，总反应的化学方程式为4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3。工业上利用二氧化氮与水反应制硝酸，为了使原料充分利用，不排放大气污染物NO，应向吸收塔(向NO2中)通入足量空气，使氮的氧化物全部转化成硝酸。②设A装置中集气瓶体积为V L，NO2气体体积为V L，n(NO2)＝＝ mol，最后充满液体，硝酸溶液体积为V L，c(HNO3)＝＝ mol·L－1。(2)SO2溶于水生成H2SO3，H2SO3是中强酸，通入O2反应后，生成强酸(硫酸)，溶液红色变深。(3)Cl2在水中将SO2氧化成H2SO4，检验Cl－前要除去SO。

答案：(1)①4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3　在吸收塔里充入足量空气　② mol·L－1

(2)红色由浅变深　2SO2＋O2＋2H2O===2H2SO4

(3)出现白色沉淀　Cl2＋SO2＋2H2O===2Cl－＋SO＋4H＋，Ba2＋＋SO===BaSO4↓　取少量反应后的溶液于试管中，向试管里加入过量的硝酸钡溶液，待沉淀完全后静置，取上层清液加硝酸银溶液，若产生白色沉淀，则说明原溶液中含有Cl－