高中化学苏教版 (2019)必修 第二册第一单元 氮的固定课文配套课件ppt

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化学家在18世纪70年代初发现了空气中含量最多的气体——氮气。氮是粮食作物生长必需的元素，科学家一直探索将空气中的氮转化为植物可吸收的含氮物质。随着世界人口的增长，人类对粮食的需求日益增加，粮食危机成为人类发展难以逾越的鸿沟。直到20世纪初，德国化学家哈伯在实验室中首次用氮气和氢气合成了氨，从此人类进入了新的农业时代，化肥的使用大大提高了粮食产量。
在自然界中，绝大部分氮元素以游离态的氮气存在于空气中。实验证明，在通常情况下，氮气与大多数物质很难发生化学反应，说明氮气的化学性质很不活泼。一般认为，氮气分子是由两个氮原子通过共用三对电子结合而成的，氮气分子中存在氮氮三键。氮气分子的电子式和结构式分别为:
破坏氮气分子中氮原子之间的共价键需要很大的能量，所以氮气分子很稳定。但在高温或放电等特殊条件下，氮气分子获得了足够多的能量，也能与一些金属或非金属单质发生反应，生成含氮化合物。
（1）游离态：氮气主要存在于大气中，约占大气体积的78%
（2）化合态：存在于无机物和有机物中
破坏氮气分子中氮原子之间的共价键需要很大的能量，所以氮气分子很稳定。但在高温或放电等特殊条件下，也能与一些金属或非金属单质发生反应，生成含氮化合物。
氮元素的化合价：-3、0、+1、 +2、+3、+4、+5
（1）作保护气（2）充填灯泡（3）水果保鲜、贮存粮食
（1）深度冷冻保存物质（2）利用液氮处理某些材料
氮是作物体内许多重要有机化合物的组成成分，也是遗传物质的基础成分，是作物不可缺少的营养元素，所以称之为生命元素。蛋白质的组成元素：作物体内的氮元素有两种状态：有机氮和无机氮。无机氮指存在于各器官的铵态氮和硝态氮；有机氮主要包括蛋白质、氨基酸、核酸、叶绿素和维生素类物质。氮是所有氨基酸的重要成分，蛋白质是由氨基酸组成的。蛋白质不仅是构成职务的基本材料，而且可作为酶催化作物体内的各种生理代谢活动。作物生长发育的基本过程细胞分裂，必须有蛋白质的参与。氮素供给不足，作物生长缓慢，生育阶段延迟，其原因就是缺氮导致细胞分裂缓慢。简而言之一句话：如果没有氮，就没有蛋白质，也就没有生命。
我们知道氮在地壳中的含量很少，自然界中绝大部分的氮是以单质分子氮气的形式存在于大气中，氮气的化学性质十分稳定，那么氮气如何进入生物体，参与生命活动的呢？
充足的氮能使植物枝叶茂盛，叶片增大，光合作用增强，促进氨基酸和蛋白质的形成，从而使农作物的产量和产品质量得以提高。 将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫作氮的固定，简称固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮两种方式。植物通过自然固氮可以从空气中获得化合态的氮，但这不能满足许多植物生长的需要。
自然固氮的途径主要有两种：一种是生物固氮，即自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根瘤菌)将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物，约占自然固氮的90%；另一种是高能固氮，即通过闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物，约占自然固氮的10%。
科学家正致力于探索豆科植物“轻而易举”实现固氮的机理，建立了多种化学模型模拟生物固氮，争取实现在温和条件下固定空气中的氮为人类所用，以解决化肥效率不高，以及对土壤和环境带来一定副作用等问题。
豆科植物的根部常附有小根瘤，其中含有固氮菌，能把空气中的游离氮转化为化合物形态的氨(或铵态氮肥) 作为自身的养分。
自然界中并不是所有种类的植物都可以像豆科植物那样能利用根瘤自行固氮。在人类合成氮肥之前，大部分植物对化合态氮元素的需求，除动物粪便等有机肥在微生物作用下进入土壤中的成分外，主要依赖于闪电条件下大气中氮元素的转化。
俗话说，“雷雨发庄稼”。这是因为在放电条件下，空气中的氮气与氧气发生反应，生成一氧化氮。一氧化氮在空气中很不稳定，易被空气中的氧气进一步氧化生成二氧化氮，二氧化氮与水反应生成硝酸。
3NO2+H2O===2HNO2+NO
雨水中的硝酸渗入土壤后与矿物质作用生成硝酸盐，其中的硝酸根离子被植物的根系吸收，转化为植物生长所需的养料。
NO和NO2的性质在常温下，NO为无色、无味的气体，微溶于水；NO2为红棕色、有刺激性气味的气体。二氧化氮与水反应生成硝酸和一氧化氮。大气中NO和NO2达到一定浓度时都会对人体造成伤害，能引发上呼吸道及肺部疾病。人体中极少量的NO有助于促进血管扩张，防止血管栓塞。一氧化氮在调节心脑血管、神经和免疫系统等方面有着十分重要的生物学作用和医学前景，受到人们的普遍重视。二氧化氮在火箭燃料中用作氧化剂，在工业上可以用来制造硝酸。
然而，仅靠自然界的生物固氮和高能固氮，远远不能满足农业生产对氮元素的需求，世界各国越来越迫切需要发展氮肥工业。人工固氮技术是20世纪人类最伟大的成就之一，化学家通过化学反应制得了植物可吸收的含氮化合物，为人类解决粮食短缺问题作出了巨大贡献。
一氧化氮和二氧化氮的性质
大气中NO和NO2达到一定浓度时都会对人体造成伤害，能引发上呼吸道及肺部疾病。
一氧化氮在调节心脑血管、神经和免疫系统等方面有着十分重要的生物学作用和医学前景，受到人们的普遍重视。二氧化氮在火箭燃料中用作氧化剂，在工业上可以用来制造硝酸。
哈伯和博施等化学家经过无数次的失败和不懈努力，最终用锇催化剂在1.75×107Pa、550℃的条件下以氮气和氢气为原料，得到浓度为8%的氨，为合成氨的工业化奠定了基础。此后，他们又经过数千次实验的尝试，改变反应条件，并寻找到廉价易得的多种含铁化合物组成的催化剂，于1913年建成了世界上第一座合成氨厂。哈伯和博施也因此在1918年和1931年分别荣获诺贝尔化学奖。
ΔH= -92.4kJ·ml-1
合成氨的原料是氮气和氢气，在较高温度下将混合气体加压后送到合成塔中进行反应。该反应放出大量的热，工业上往往用来预热原料气，以达到反应所需的温度，节约能源。合成氨达到平衡时，混合气体中氨的含量为20%左右，从中分离出氨后，将未反应的氮气、氢气送回合成塔循环使用。
合成氨工业的成功，为植物生长提供足够的氮肥，在很大程度上缓解了地球上有限的耕地资源与庞大的粮食需求之间的矛盾，改变了世界粮食生产的历史，使人类免受饥荒之苦。
氮元素在地球大气圈、岩石圈和生物圈中都有广泛的分布，不同圈层的氮元素通过多种化学反应在层间循环。氮循环是自然界中一种重要的循环，对生态系统的调节起着重要的作用。为了促进氮的良性循环，我们要注意维护生态平衡，保护森林，植树绿化，增强生态系统对有害物质的吸收能力：不能过度使用含氮化肥以免污染土壤和水体：控制化石燃料燃烧排放的氮氧化物进入大气。
自然界的氮循环 不同圈层的氮元素是如何循环的呢？氮分子很稳定，大气中只有少量的氮气通过生物固氮和高能固氮的方式从游离态转化为化合态，进入土壤和海洋。 岩石和矿物被风化后，其中的氮元素也进入土壤和海洋，植物从土壤中吸收含氮化合物制造蛋白质，动物则靠食用植物以获得蛋白质；动物的排泄物和尸体残骸以及植物的腐败物等在土壤中被细菌分解，变为含氮化合物，部分被植物吸收：土壤中的硝酸盐也会被细菌分解而转化为氮气，氮气再返回大气中。
海洋接纳了来自土壤和大气中的氮，一部分被生物体吸收。生物死亡后，体内的氮一部分被其他生物体吸收，一部分以含氮气体的形式进入大气，一部分又返回土壤，还有一部分以沉积物的形式沉积在海洋深处。
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
2.下列关于N2的叙述错误的是(　　)A.N2既可作氧化剂又可作还原剂B.雷雨天，空气中的N2和O2可反应生成NOC.氮的固定是将N2转化成含氮化合物D.NO和NO2都可稳定存在于空气中
3.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 (　 　)
A. 可能是N2与NO2的混合气体B. 只能是NO2一种气体C. 可能是N2与NO的混合气体D. 可能是O2与NO2的混合气体
5.某无色混合气体中可能含有Cl2、O2、SO2、NO、NO2中的两种或多种。现将此混合气体通过品红溶液，品红溶液褪色；然后向剩余气体中通入空气，很快变为红棕色。则下列对原混合气体成分的判断中正确的是 (　　)A.肯定含有SO2和NO B.肯定没有Cl2、O2和NOC.可能含有Cl2和O2 D.肯定含有Cl2和NO