【同步讲义】高中化学（鲁科版2019）必修第一册--第21讲 自然界中的氮循环 氮的固定 讲义

第21讲  自然界中的氮循环  氮的固定

知识点01  自然界中的氮循环

1．氮元素的存在和氮的固定

2．自然界中氮的循环

3．人类活动对自然界中的氮循环的影响

（1）氮气_____→氮肥、硝酸等含氮化合物。

（2）燃料燃烧反应→__________参与氮的循环。

4．氮元素的价-类图

5．氮气的性质

（1）物理性质

（2）化学性质

①_____性：通常很难与其他物质发生反应。

②还原性：

③氧化性：_________________________（工业固氮反应）

【即学即练1】下列叙述与氮的固定无关的是（     ）。

    A．工业合成氨

    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，空气中的氮气会与氧气发生反应并最终转化为硝酸盐被植物吸收

知识点02  氮的氧化物

1．氮氧化物的种类

2．NO和NO2的物理性质

3．化学性质

（1）实验探究

（2）转化关系

①NO→NO2：________________________；

②NO2→NO：________________________（工业制取硝酸的关键一步）。

4．其他性质

（1）NO

①结合血红蛋白的能力比CO还_____，更容易造成人体缺氧

②一种传递神经信息的“信使分子”，能够扩张血管、提高免疫力、增强记忆力等

（2）NO2

①能使多种织物褪色，损坏多种织物和尼龙制品

②对金属和非金属材料也有腐蚀作用

【即学即练2】下列关于NO的说法中，正确的是（     ）。

    A．红棕色气体

    B．可用排空气法收集

    C．可用排水法收集

    D．相同状况下，密度比空气的小

考法01  氮氧化物的性质

【典例1】已知：Cu+4HNO3（浓）＝Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O。某学校化学学习小组为探究二氧化氮的性质，按如图所示装置进行实验。请回答下列问题：

（1）装置甲中盛放浓硝酸的仪器A的名称是__________________。

（2）实验过程中，装置乙、丙中出现的现象分别是：______、______；装置丙中的试管内发生反应的离子方程式为__________________________。

（3）为了探究NO的还原性，可以在装置丁的导气管C中通入一种气体，通入的这种气体的名称是________。

（4）为了探究NO2的氧化性，取下装置丙中的试管D，在其中滴加FeSO4溶液，溶液变为______色，为了证明铁元素在该反应中的产物，可以再在溶液中滴加KSCN溶液，溶液变为______色。

【知识拓展】氮氧化物的性质

1．NO和NO2性质的对比

2．氮氧化物的吸收

（1）碱液吸收法：利用碱性溶液将氮氧化物转化为硝酸盐或亚硝酸盐

①2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O

②NO2+NO+2NaOH2NaNO2+H2O

（2）催化还原法：利用还原剂将氮氧化物还原成无毒的氮气

①6NO+4NH35N2+6H2O

②CH4+4NO2N2+CO2+2H2O

③4H2+2NO2N2+4H2O

④2H2+2NON2+2H2O

【误区警示】NO、NO2均不属于酸性氧化物。酸性氧化物是能够与碱反应生成盐和水的氧化物，而且生成的盐是该氧化物同价态的含氧酸所对应的盐。NO不能与碱反应，NO2与NaOH溶液的反应为2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O。但由于生成的不是相应的盐，因此二氧化氮也不是酸性氧化物。

考法02  氮氧化物溶于水的有关计算

【典例2】（2021·无锡高一上学期期末检测）（双选）容积为10mL的试管，充满NO2和O2的混合气体，倒立于水槽中，若最后剩余2mL气体，则原混合气体中，O2的体积可能为（     ）。

    A．0.8mL    B．9.2mL    C．3.6mL    D．1.6mL

【知识拓展】氮的氧化物溶于水的计算

1．反应原理

（1）基本反应

①3NO2+H2O2HNO3+NO

②2NO+O22NO2

（2）推导反应

①反应①×2+②⇒4NO2+O2+2H2O4HNO3

②反应①×2+②×3⇒4NO+3O2+2H2O4HNO3

2．计算类型及方法

（1）NO2溶于水的计算

（2）NO2、O2溶于水的计算

（3）NO、O2溶于水的计算

（4）NO2、NO、O2溶于水的计算

题组A  基础过关练

1．水体中部分含氮有机物的循环过程如图，其中属于氮的固定的是（     ）。

    A．⑤⑥    B．①②    C．③④    D．只有⑤

2．为除去混入NO中的少量NO2，应将气体通过（     ）。

    A．Na2CO3溶液    B．NaHCO3溶液    C．H2O    D．浓硫酸

3．大家在吃薯条等膨化食品时，会发现袋子里东西并不多却鼓鼓囊囊的，袋子里填充的是食品级的氮气而非空气。主要作用有三个方面：①延长食品的保质期；②可以抵御外界潮气的侵入；③保护食品不被压碎。

下列关于N2性质的叙述中错误的是（     ）。

    A．氢气在氮气中能燃烧

    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

4．已知有如下3个反应：①N2+O22NO；②2NO+O22NO2；③6NO+4NH35N2+6H2O。由此可判断，在通常情况下N2、NO、NH3的还原性强弱顺序是（     ）。

    A．NH3＞NO＞N2    B．NO＞NH3＞N2

    C．NO＞N2＞NH3    D．NH3＞N2＞NO

5．（2021·广州高一检测）已知Br2的蒸气为红棕色，溶于水溶液显橙色。某集气瓶中的气体呈红棕色，加入足量水，盖上玻璃片振荡，得橙色溶液，气体颜色消失。再拿走玻璃片后，瓶中气体又变为红棕色，则该气体可能是下列混合气体中的（     ）。

    A．N2、NO2、Br2    B．NO2、NO、N2

    C．NO2、NO、O2    D．N2、O2、Br2

6．在NO2被水吸收的反应中，发生还原反应的物质和发生氧化反应的物质的质量比为（     ）。

    A．3∶1    B．1∶3    C．1∶2    D．2∶1

7．（2021·广西柳州高一上期末）在一定温度和压强下，将装有NO和NO2混合气体的试管倒立在水中，经充分反应后，试管内气体的体积变为原来的4/5，则原混合气体中NO与NO2气体的体积比是（     ）。

    A．3∶5    B．5∶3    C．3∶7    D．7∶3

8．为了有效实现NO和NO2的相互转化，设计如图实验：按图组装好实验装置，并检查装置气密性，实验前用排水法收集半瓶NO气体。

（1）打开止水夹，推动针筒活塞，使O2进入烧瓶。关上止水夹，首先观察到烧瓶中的现象为_______________，产生此现象的化学方程式为_________________。

（2）轻轻摇动烧瓶，观察到烧瓶中的现象为：

     ①_______________________________________；

     ②________________________________________。

产生此现象的化学方程式为____________________________________。

题组B  能力提升练

1．下列关于N2的说法错误的是（     ）。

    A．通常情况下N2性质很稳定，所以N2可在电焊时作保护气

    B．反应N2+O22NO是汽车尾气造成污染的主要原因之一

    C．N2的质量约占空气总质量的

    D．在反应3Mg+N2Mg3N2中，N2作氧化剂

2．（2021·河北邯郸高一下期中）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如下图所示，下列说法正确的是（     ）。

    A．①～⑤均发生了氧化还原反应

    B．③、④反应均属于氮的固定

    C．NH4+、NO2－、NO3－的含量影响海洋生物的生长

    D．生物死亡后，氮不会参与海洋中的氮循环

3．某无色的混合气体可能含NO、CO2、NO2、NH3、N2中的几种，将100mL该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，则此气体的组成为（     ）。

    A．NH3、NO2、N2     B．NH3、NO、CO2

    C．NH3、NO2、CO2    D．NO、CO2、N2

4．N2O是一种有甜味、能溶于水、能助燃的无色气体，它能刺激神经使人发笑，俗称笑气；它具有麻醉作用，曾用作牙科麻醉剂。现有等物质的量的笑气和二氧化碳，下列数值不一定相同的是（     ）。

    A．体积    B．电子数    C．原子数    D．分子数

5．（2021~2022学年辽宁抚顺高一上学期期末检测）实验室可以用浓硝酸和铜反应制取NO2气体，下列装置中间的试管收集的气体中空气的含量最少是（     ）。

6．（2021•南昌高一检测）如图是自然界中氮循环的一部分，下列有关叙述不正确的是（     ）。

    A．在这一循环中氮元素既有被氧化又有被还原

    B．其中有一种变化是氮的固定

    C．这一循环中氮元素的化合价共有三种

    D．由于自然界中氮的循环，使大气中氮气的含量保持稳定

7．（2021~2022学年甘肃嘉陵关市高一上学期期末）绿水青山是习近平总书记构建美丽中国的伟大构想，某工厂拟综合处理含NH4+废水和工业废气（主要含N2、CO2、SO2、NO、CO，不考虑其他成分），设计了如图流程。已知：NO+NO2+2OH－2NO2－+H2O，下列说法正确的是（     ）。

    A．固体1中主要含有CaCO3、CaSO4

    B．X可以是空气，且需过量

    C．捕获剂所捕获的气体主要是CO

    D．处理含NH4+废水时，发生的反应：NH4++5NO2－+4H+6NO↑+4H2O

8．（不定项）向盛有12mLNO气体并倒立水槽中的试管里，通入一定量的O2充分反应后，试管内还剩余4mL无色气体，则通入O2的体积可能为（     ）。

    A．6mL    B．10mL    C．13mL    D．16mL

9．为了证明NO可以与O2和H2O共同反应生成HNO3，某学生设计了以下装置：

按如下实验步骤进行实验：

    ①检查装置气密性。

    ②在中间四通直管中装入一定的水，并向左右两侧试管及分液漏斗中加入图示试剂。

    ③将铜丝插入稀硝酸，开始反应（3Cu+8HNO3（稀）3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O），一段时间后再铜丝从溶液中抽出。

    ④打开分液漏斗活塞，在试管中加入少量水，再立刻关闭。

    ⑤滴入几滴石蕊试液。

请你参与帮助解答以下问题：

（1）步骤①中，检查该装置的气密性的方法是____________________________。

（2）步骤③中，当铜丝插入稀硝酸时，观察到的主要现象有：___________________。

（3）步骤④中，中间四通直管中，水面是否变化______（填：上升、下降、不变），写出此时变化的反应方程式____________________________________。

（4）加入石蕊试液的作用是_________________________。

10．火力发电厂燃煤排烟，释放出大量的NOx和SO2气体。启东大唐热电厂同时具有烟气脱氮和脱硫设施，成为高效、绿色环保燃煤电厂。试回答下列问题：

（1）脱硫：用粉末状的碳酸钙或熟石灰的悬浊液洗涤废气，反应产物为生石膏（CaSO4•2H2O）。写出在空气中的SO2与碳酸钙悬浊液反应的化学方程式：______________________________；

（2）脱氮：氮氧化物进入大气后，可形成硝酸型酸雨和光化学烟雾，必须对其进行处理。

    ①用过量的NaOH溶液吸收NO2气体，所得的溶液中除了含有NaOH、NaNO2，还含有_________。

    ②若某时刻烟气排出的尾气中NOx的含量为0.056%（体积分数），用氨气可以将其转化为无害气体，发生的反应为：6NOx+4xNH3＝（3+2x）N2+6xH2O，若处理1×105L（标准状况）该尾气需42.5gNH3，则x＝_________。

（3）汽车排出的尾气中也含有氮氧化物，为避免污染，常给汽车安装尾气净化装置。净化装置里装有催化剂，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的机理如图所示。写出净化过程中的总化学反应方程式：___________________________。

题组C  培优拔尖练

1．（2022·延安高一期末检测）事实上，很多非金属氧化物在一定条件下都能与Na2O2反应，且反应极有规律。如：Na2O2+SO2Na2SO4，2Na2O2+2SO32Na2SO4+O2。据此，你认为下列反应方程式中正确的是（     ）。

    ①2Na2O2+2N2O54NaNO3+O2↑

    ②Na2O2+2NO22NaNO2+O2

    ③2Na2O2+2N2O34NaNO2+O2

    ④Na2O2+N2O42NaNO3

    A．①②    B．②③    C．③④    D．①④

2．已知Cu（NO3）2在某一温度下受热分解的化学方程式为2Cu（NO3）22CuO+4NO2↑+O2↑，少量的Cu（NO3）2固体放入试管中加热，然后用带火星的木条放入试管中，木条复燃。下列说法正确的是（     ）。

    A．NO2能支持燃烧

    B．NO2不能支持燃烧

    C．木条复燃是因为硝酸铜分解产生了氧气的缘故

    D．以上说明均不正确

3．（江苏省扬州市2020~2021学年高一下学期期中调研）用石灰乳吸收硝酸工业的尾气（含NO、NO2）可获得Ca（NO2）2，其部分工艺流程如下：

下列说法不正确的是（     ）。

    A．吸收时主要反应的化学方程式为NO+NO2+Ca（OH）2Ca（NO2）2+H2O

    B．将石灰乳改为澄清石灰水吸收效率将会增大

    C．采用气液逆流接触有利于尾气中NO、NO2的充分吸收

    D．若尾气中n（NO2）∶n（NO）＜1∶1，吸收后排放的气体中NO含量升高

4．将1.25mol的NO、NO2、N2O4混合物（其中NO的体积分数为0.60）通入水中，在空气充足的条件下完全反应后可获得硝酸的物质的量可能是（     ）。

    A．1.25mol    B．1.50mol    C．1.75mol    D．2.00mol

5．（2021•上海宝山区高一上期末）已知NO2与NaOH溶液反应：2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O，NO和NO2可一起与NaOH溶液作用：NO2+NO+2NaOH2NaNO2+H2O，现用VL某烧碱溶液能完全吸收nmolNO2和mmolNO组成的混合气体。

（1）所用烧碱溶液的物质的量浓度至少为________mol/L。

（2）若所得溶液中c（NO3－）∶c（NO2－）＝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NO3－和NO2－离子浓度的比值c（NO3－）∶c（NO2－）＝________。