人教版高中化学必修第二册第五章化工生产中的重要非金属元素课时学案

第二节　氮及其化合物

第一课时　氮气及氮的氧化物

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学习任务1　氮气

NO.1　自主学习·夯实基础

1.氮的结构及存在

(1)氮原子的最外电子层有 5个电子,很难得失电子,一般通过共用电子对与其他原子结合构成物质,氮元素的非金属性比氧元素弱。

(2)氮元素在自然界中的存在

2.氮气的性质

相关反应的化学方程式:

①3Mg+N2Mg3N2。

②N2+3H22NH3。

③N2+O22NO。

微点拨:无论氧气是否过量,氮气和氧气反应直接生成的是一氧化氮。

3.氮的固定

(1)概念:将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。

(2)分类

NO.2　互动探究·提升能力

如图为自然界中氮的循环。

探究　自然界中氮的转化

问题1:氮在自然界中主要存在形式有哪些?人体里的蛋白质中的氮元素是从哪儿来的?

提示:大部分以氮气的形式存在,少部分以化合物的形式(如硝酸盐、铵盐、蛋白质等)存在;人体里的蛋白质中的氮元素是从外界摄入的,特别是肉类、蛋类等物质,若溯本求源,则来自大气中的N2。

问题2:固定氮的途径有哪些?

提示:固定氮的途径有自然固氮和人工固氮,自然固氮有高能固氮(雷电作用)、生物固氮(豆科植物)。

问题3:氮循环中含氮物质有多种形式的转化,有的对人类生产、生活有益,有的则产生负面作用,请举例说明。

提示:对人类有益的事例有人工固氮如合成氨,不仅为农作物的生长提供了必需的氮元素,而且为其他化工产品的生产提供了重要的原料。对人类有害的事例有工业废气、汽车尾气中的氮氧化物会造成大气污染等;工厂废液、生活废水中的氮元素对水体造成污染。

(2)氮的固定是指氮元素的游离态变为化合态的过程,如NH3转化为NO就不是氮的固定。

NO.3　应用体验·形成素养

题点一　氮气的性质

1.下列关于氮气的说法中,正确的是(　A　)

A.通常情况下,氮气的性质比较稳定

B.可在氧气中燃烧,生成一氧化氮

C.1 mol N2与3 mol H2完全反应生成2 mol NH3

D.氮元素是活泼的非金属元素,氮气在化学反应中只作氧化剂

解析:N2不能在O2中燃烧,与O2在放电或高温时反应生成NO,B错误;N2与H2的反应是可逆反应,1 mol N2与3 mol H2不可能完全反应生成2 mol NH3,C错误;氮气中氮元素的化合价为零价,在化学反应中既可升高也可降低,既可作氧化剂也可作还原剂,D错误。

2.氮气是大气中含量最多的气体。下列有关氮气的说法正确的是(　D　)

①氮元素的非金属性较强,所以氮气是一种活泼的非金属单质

②常温下,N2既能与O2反应又能与H2反应

③通过灼热的镁粉除去N2中的O2

④“雷雨发庄稼”是指雷雨时可增加土壤中氮肥的含量,此变化属于氮的固定

⑤3 mol H2与1 mol N2混合反应生成NH3,转移电子的数目小于6×6.02×1023

A.①②③④⑤ B.②③④⑤

C.②④⑤      D.④⑤

解析:氮元素是非金属性较强的元素,N2的结构式为N≡N,两个氮原子通过共价三键结合,键能大,难断裂,所以N2是一种不活泼的非金属单质,故①错误。N2既能与O2反应又能与H2反应,但不是常温下,N2+O22NO,N2+3H22NH3,故②错误。N2与O2均能与灼热的镁粉发生反应,2Mg+O22MgO,N2+3MgMg3N2,所以不能通过灼热的镁粉除去N2中的O2,故③错误。雷雨时,空气中的N2能在放电的条件下转化为NO,进而通过一系列反应转化为HNO3,可增加土壤中氮肥的含量,此变化属于氮的固定,故④正确。N2与H2合成NH3属于可逆反应,1 mol N2与3 mol H2不可能完全反应生成2 mol NH3,所以转移电子的物质的量小于6 mol,故⑤正确。

题点二　氮的固定及循环

3.下列叙述与氮的固定无关的是(　B　)

A.工业上氮气与氢气化合成氨

B.工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物

C.豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为含氮化合物

D.电闪雷鸣的雨天,N2与O2会发生反应并最终转化为硝酸盐被植物吸收

解析:氮的固定是指把大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。B选项中,NH3→HNO3属于含氮化合物之间的转化,不是N2的转化,所以不是氮的固定。

4.氮在自然界中的循环如图所示。

(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　　　　(填“氧化”或“还原”,下同)性。 

(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对环境造成污染。已知NaNO2遇到具有还原性的N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

解析:(3)据题给信息,NaNO2可以被N还原为N2,因此NH4Cl可以处理废水中的N,而H2O2为氧化剂,不能将NaNO2还原为无毒的N2,KNO3、NaOH和NaNO2不反应,故a、c、d符合题意。

答案:(1)人工固氮　N2+3H22NH3　氧化

(2)豆科植物的根瘤菌　N2+O22NO　还原

(3)acd

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)。

学习任务2　氮的氧化物——NO和NO2

NO.1　自主学习·夯实基础

1.NO与NO2性质的比较

2.一氧化氮、二氧化氮的性质探究及相互转化

微点拨:(1)NO和O2反应,不能用排空气法收集,可用排水法收集;NO2和水反应,不能用排水法收集,可用向上排空气法收集。

(2)NO不能和碱反应,NO2可以和碱反应生成硝酸盐、亚硝酸盐和水,但NO2不是酸性氧化物。

(3)NO2可以使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝,不能用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2和溴蒸气。

NO.2　互动探究·提升能力

在元旦联欢会上,小明同学给同学们表演了一段魔术:首先收集一集气瓶红棕色的气体,用玻璃片盖好,然后向其中加入少量水,振荡后变为无色,然后轻轻移动玻璃片使少量空气进入集气瓶,气体又变为红棕色,振荡,又变为无色……

探究　NO和NO2的转化

问题1:集气瓶中气体颜色变化的原因是什么?

提示:NO2与H2O反应生成无色气体NO,NO遇到空气中的O2反应又生成红棕色的NO2。

问题2:若要将NO2充分转化为硝酸,可以采取什么措施?对工业上生产硝酸有什么启示?

提示:可通入适量的氧气;在用水吸收NO2制取硝酸的过程中,要不断地补充一些空气,使NO2尽可能多地转化为硝酸。

问题3:若把NO2与O2的混合气体同时通入水中时反应原理是什么?剩余气体的情况如何?

提示:3NO2+H2O2HNO3+NO、2NO+O22NO2;剩余气体可能是O2,也可能是NO。

NO.3　应用体验·形成素养

题点一　NO、NO2的性质

1.下列对NO、NO2的描述,不正确的是(　B　)

A.NO2是红棕色气体,易溶于水,不是酸性氧化物

B.NO可以用排水法收集,但不能由N2和O2直接化合而得到

C.NO、NO2在一定条件下可相互转化,且两者都是引起光化学烟雾的大气污染物

D.NO、NO2都有毒,且NO是汽车尾气的有害成分之一

解析:A项,NO2是红棕色气体,易溶于水,并与水发生反应,3NO2+H2O2HNO3+NO,由于反应前后氮元素的化合价发生了变化,因此NO2不是酸性氧化物,正确;B项,NO难溶于水,可以用排水法收集,在放电时可由N2和O2直接化合而得到,不正确;C项,NO与氧气发生反应生成NO2,NO2与水反应生成硝酸和NO,因此两者在一定条件下可相互转化,且两者都是引起光化学烟雾的大气污染物,正确;D项,NO、NO2都有毒,且汽车发动时,在电火花作用下N2和O2化合产生NO,NO是汽车尾气的有害成分之一,正确。

2.NO中有少量的NO2,除去方法为(　D　)

A.通过盛有浓H2SO4的洗气瓶

B.通过盛有无水CaCl2的干燥管

C.先通过盛有浓H2SO4的洗气瓶,然后再通过盛有水的洗气瓶

D.先通过盛有水的洗气瓶,然后再通过盛有浓H2SO4的洗气瓶

解析:利用NO不溶于水且不与水反应的性质,应先通过盛有水的洗气瓶,发生反应3NO2+H2O2HNO3+NO,NO中会混有水蒸气,则应再通过浓H2SO4除去水分,故选D。

题点二　NO、NO2、O2的混合气体溶于水的反应规律及计算

3.在一定条件下,将6体积的NO2(不考虑N2O4)和一定体积的NO置于试管中,并将试管倒置于水中,当通入4.5体积的O2充分反应后,剩余1.5体积的气体,则原NO的体积可能为(　C　)

①3体积　②4体积　③5体积　④5.5体积

⑤2体积

A.③ B.①或⑤

C.④或⑤ D.②或⑤

解析:本题的关键在于理解剩余的1.5体积气体,可能是一氧化氮,也有可能是氧气。若剩余的为一氧化氮,则氧气全部反应,二氧化氮完全反应用掉了1.5体积的氧气,剩余的3体积应该被一氧化氮消耗,所以一氧化氮的体积为4体积+1.5体积=5.5体积;若剩余的为氧气,则这过程中一氧化氮消耗的氧气为1.5体积,所以一氧化氮的体积是2体积。

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(　D　)

①1.2 mL　②2.4 mL　③3 mL　④4 mL

A.①② B.②③ C.③④ D.①④

解析:4NO2+O2+2H2O4HNO3,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。

(2)若NO2和O2通入水中,总关系式为4NO2+O2+2H2O4HNO3。

1.误认为N2与O2反应,O2不足生成NO,O2过量生成NO2。其实不然,因为两者反应只能生成NO。

2.误认为氮气与氧气点燃就可以反应。其实不然,因为两者反应的条件是高温或放电。

3.误认为氮原子最外层五个电子且半径小,所以氮气易得电子,很活泼。其实不然,因为氮气中氮原子与氮原子形成稳定的三键,导致氮气很稳定。

4.误认为NO2为酸性氧化物。其实不然,因为与碱反应时发生氧化还原反应,所以其属于特殊氧化物。

5.误认为NO2氧化性不强。其实不然,因为遇到水会生成氧化性很强的硝酸。

NO分子因会污染空气而引起人们的注意。近年来的研究发现,少量NO在生物体内许多组织中存在,它有扩张血管、增强免疫及记忆的功能,因而成为生命科学的研究热点,NO亦被称为“明星分子”。

(1)NO来源于　　　　　(填字母,下同)。

A.汽车、飞机尾气　　　B.工业制硝酸尾气　　 　C.电闪雷鸣

(2)工业上可采用碱液吸收和氨还原处理含NOx的尾气,其中用碱液吸收的化学方程式为NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O,2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O。根据上述原理,下列气体中被过量NaOH溶液吸收后有气体剩余的是　　　　　。 

A.1 mol O2和4 mol NO2　　　　　B.1 mol NO和4 mol NO2

C.1 mol O2和7 mol NO D.4 mol NO和4 mol NO2

(3)烟道气中的NOx是主要的大气污染物之一,为了监测其含量,选用如下采样和检测方法。回答下列问题:

采样步骤:

a.检验系统气密性;

b.加热器将烟道气加热至140 ℃;

c.打开抽气泵置换系统内空气;

d.采集无尘、干燥的气样;

e.关闭系统,停止采样。

①A中装有无碱玻璃棉,其作用是　　　　　。 

②C中填充的干燥剂是　　　　　(填字母)。 

A.碱石灰　　　　　　　　　B.无水CuSO4　　　　　　C.P2O5

③用实验室常用仪器组装一套装置,其作用与D(装有碱液)相同,在虚线框中画出该装置的示意图,标明气体的流向及试剂。

④采样步骤b加热烟道气的目的是　。 

解析:(1)现代城市空气污染物之一NO主要来源于汽车、飞机尾气,A正确;工业制硝酸,尾气中含有NO,B正确;电闪雷鸣的条件下,氮气会和氧气化合为NO,C正确。

(2)1 mol O2和4 mol NO2会恰好完全转化为硝酸,能被氢氧化钠溶液完全吸收,A不符合题意;根据反应NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O,NO被吸收完毕,二氧化氮剩余,但是二氧化氮能直接被NaOH溶液吸收,B不符合题意;1 mol O2和7 mol NO混合后反应生成二氧化氮,同时会有NO剩余,剩余的NO不能被NaOH溶液完全吸收,C符合题意;4 mol NO和4 mol NO2的体积比是1∶1,根据反应NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O知,能被NaOH溶液完全吸收,D不符合题意。

(3)①A的过程叫“过滤”,所以其中玻璃棉的作用是除去烟道气中的粉尘。②碱石灰是碱性干燥剂,可能与NOx反应,所以不能使用。无水硫酸铜的吸水能力太差,一般不用作干燥剂,所以不能使用。五氧化二磷是酸性干燥剂,与NOx不反应,故选C。③实验室通常用洗气瓶来吸收气体,与D的作用相同,应该在洗气瓶中加入强碱(氢氧化钠)溶液,所以装置示意图为。④加热烟道气的目的是避免水蒸气冷凝后,NOx溶于水中。

答案:(1)ABC　(2)C　(3)①除尘　②C　③　④防止NOx溶于冷凝水

课时作业巩固

选题表

合格考题组

1.下列关于氮气性质的叙述中错误的是(　A　)

A.任何物质在氮气中都不能燃烧

B.氮气既具有氧化性,又具有还原性

C.将空气中的氮气转变成含氮化合物属于氮的固定

D.氮气与氧气在一定条件下反应生成一氧化氮

解析:活泼金属钠、镁、铝可以在N2中燃烧。

2.下列反应中属于氮的固定的是(　A　)

A.N2+3H22NH3

B.2NO+O22NO2

C.4NH3+5O24NO+6H2O

D.NH3+H2O+CO2NH4HCO3

解析:氮的固定是把N2转化为含氮化合物的过程,故选A。

3.已知某厂排放的尾气中NO、NO2的体积比为1∶1,该厂采用NaOH溶液来处理该尾气,处理后所得溶液中只有一种含氮的钠盐。则该含氮的钠盐中,氮元素的化合价为(　C　)

A.-3 B.+1 C.+3 D.+5

解析:体积比为1∶1的NO、NO2通入NaOH溶液中只生成一种产物,反应后的化合价应介于+2和+4之间,应为+3,发生反应的化学方程式为NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O。

4.某化学学习小组为探究NO2和SO2的反应,特进行如图所示实验。

(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在该反应中显　　　　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:　   。

解析:图3中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。

答案:(1)下　(2)两气体混合后,颜色消失

(3)NO　氧化　(4)NO2+SO2NO+SO3

等级考题组

5.氮元素在海洋中的循环是整个海洋生态系统的基础和关键。海洋中无机氮的循环过程可用下图表示。下列关于海洋氮循环的说法正确的是(　D　)

A.海洋中的氮循环起始于氮的氧化

B.海洋中的氮循环属于固氮作用的是③

C.海洋中的反硝化作用一定有氧气的参与

D.向海洋排放含N的废水,会影响海洋中N的含量

解析:海洋中的氮循环起始于N2N,即起始于氮的还原,A项错误;海洋中的氮循环属于固氮作用的是②,B项错误;反硝化作用中氮元素化合价降低,被还原,而O2是常见的氧化剂,不需要有O2参与,C项错误;根据转化关系图可知,若向海洋中排放含N的废水,会使N增多,反硝化作用增强,海洋中N2增多,从而影响海洋中N的含量,D项

正确。

6.将40 mL NO2和NO的混合气体通入倒立于水槽中盛满水的试管里,充分反应后,试管中剩余20 mL气体,则原混合气体中NO2和NO的体积比为(　C　)

A.2∶1 B.1∶1 C.3∶1 D.4∶1

解析:3NO2+H2O2HNO3+NO　　ΔV

   3 mL         1 mL 2 mL

   V(NO2)　　　　　　 　  40 mL
                           -20 mL

=,解得V(NO2)=30 mL,

所以原混合气体中V(NO)=40 mL-30 mL=10 mL,因此V(NO2)∶V(NO)=

30 mL∶10 mL=3∶1。

7.运载火箭的推进剂引燃后发生剧烈反应,产生大量高温气体从火箭尾部喷出。引燃后的高温气体成分有CO2、H2O、N2、NO等,这些气体均为无色,但在卫星发射现场看到火箭喷射出大量“红烟”,产生“红烟”的原因是(　D　)

A.“红烟”是Fe2O3

B.NO与H2O反应生成NO2

C.CO2与NO反应生成NO2

D.NO遇空气生成NO2

解析:气体中不含铁元素,“红烟”不可能是Fe2O3,A项错误;NO与H2O不反应,B项错误;CO2与NO不反应,C项错误;高温气体的成分有CO2、H2O、N2、NO等,其中NO与空气中的O2反应生成红棕色的NO2而产生“红烟”,反应的化学方程式为2NO+O22NO2,D项正确。

8.在同温同压下,将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,则剩余气体体积最多的是(　B　)

A.① B.② C.③ D.④

解析:假设各种气体的体积都是a,试管的容积为2a,气体减少的体积等于试管内液体的体积。①根据4NO2+O2+2H2O4HNO3知,NO2完全反应,剩余气体是O2,则剩余O2的体积为a;②根据3NO2+H2O2HNO3+NO可知,生成NO的体积为NO2体积的,则NO2和水反应生成NO的体积为a,原来混合气体中NO的体积为a,故NO总的体积为a;③N2和水不反应,HCl极易溶于水,故剩余气体为N2,其体积为a;④SO2易溶于水,能和水反应,该反应是可逆反应,气体溶解使液面上升,O2不和水反应,剩余气体的体积比a略大,故剩余气体体积最多的为②。

9.利用石灰乳和硝酸工业的尾气(含NO、NO2)反应,既能净化尾气,又能获得应用广泛的Ca(NO2)2,其部分工艺流程如图:

已知:①NO+NO2+Ca(OH)2Ca(NO2)2+H2O。

②4NO2+2Ca(OH)2Ca(NO2)2+Ca(NO3)2+2H2O。

(1)上述工艺中采用气—液逆流接触吸收(尾气从吸收塔底进入,石灰乳从吸收塔顶喷淋),其目的是　　　　　　　　　　　　　　　;滤渣可循环使用,滤渣的主要成分是　　　　(填化学式)。

(2)该工艺需控制NO和NO2的物质的量之比接近1∶1。若n(NO)∶n(NO2)>1∶1,则会导致　　　　　　　　　　　　　;若n(NO)∶n(NO2)<1∶1,则会导致　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

(3)生产中溶液需保持弱碱性,在酸性溶液中Ca(NO2)2会发生反应,产物之一是NO,其反应的离子方程式为 　　　　　　　　　。

解析:(1)气—液逆流可以使气体与吸收液充分接触,吸收更完全;因Ca(OH)2微溶于水,石灰乳为Ca(OH)2的悬浊液,据流程图知Ca(NO2)2应是滤液中的主要成分,所以滤渣的主要成分是Ca(OH)2,可以循环使用。(2)根据“该工艺需控制NO和NO2的物质的量之比接近1∶1”可知,制备Ca(NO2)2的化学方程式为NO+NO2+Ca(OH)2Ca(NO2)2+H2O,根据该方程式可知,尾气中NO与NO2的物质的量之比为1∶1时恰好反应。如果n(NO)∶n(NO2)>1∶1,剩余的NO不能被吸收,会导致排放的气体中NO含量升高;如果n(NO)∶n(NO2)<1∶1,剩余的NO2能继续反应,

4NO2+2Ca(OH)2Ca(NO2)2+Ca(NO3)2+2H2O,会导致产品Ca(NO2)2中Ca(NO3)2的含量升高。(3)Ca(NO2)2中氮元素显+3价,在酸性条件下N发生歧化反应,其离子方程式为3N+2H+N+2NO↑+H2O。

答案:(1)使尾气中的NO、NO2被充分吸收

Ca(OH)2

(2)排放气体中NO含量升高(或气体吸收不完全)　产品Ca(NO2)2中Ca(NO3)2含量升高

(3)3N+2H+N+2NO↑+H2O

 命题解密与解题指导

情境解读:本题以NO为背景,通过NO不同的来源和用途认识NO的性质。

素养立意:能依据实际条件并运用所学化学知识和方法解决生产、生活中的简单问题,在实践中逐步形成节约成本、循环利用、保护环境的观念,培养学生科学态度与社会责任素养的水平。

思路点拨:(1)NO是大气污染物。

(2)NO为不成盐氧化物,但NOx能与碱反应。