高中化学人教版 (2019)必修 第二册第二节 氮及其化合物第1课时学案

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册第二节 氮及其化合物第1课时学案，共11页。学案主要包含了学习目标，自主预习，效果检测，合作探究，核心归纳，典型例题，随堂检测等内容，欢迎下载使用。
1.结合真实情境中的应用实例,了解氮的固定及其类型,认识其在生产中的意义。
2.结合真实情境并通过实验探究,了解氮气的主要性质,认识合成氨在氮的循环及农业生产中的重要意义。
3.通过实验探究,了解氮的氧化物的主要性质,结合真实情境认识氮的氧化物在生产中的应用和对生态环境的影响。
【自主预习】
一、氮气
1.氮元素的存在
(1)氮原子的结构
原子结构示意图: ,一般通过 与其他原子结合。
(2)自然界中,氮元素主要以氮气的形式存在于空气中。
2.氮气的物理性质
3.氮气的化学性质
氮气的化学性质 (填“活泼”或“不活泼”),很难跟其他物质反应,但在一定条件下,N2可以跟Mg、O2、H2等发生反应。
(1)N2与Mg反应: ;
(2)N2与O2反应: ;
(3)N2与H2反应(工业合成氨的反应): 。
二、氮的固定
1.定义: 叫作氮的固定,简称 。
2.分类
三、一氧化氮和二氧化氮
1.不同价态氮的氧化物
2.物理性质
3.化学性质
(1)实验探究
(2)结论:在一定条件下,NO与NO2可以相互转化,反应的化学方程式为
①NO→NO2: ;
②NO2→NO: (工业制取硝酸)。
4.毒性
NO和NO2都有毒。
【答案】一、1.(1) 共用电子对 (2)氮气分子 蛋白质 硝酸盐和铵盐 2.无色 无味 难 3.不活泼
(1)N2+3MgMg3N2 (2)N2+O22NO (3)N2+3H22NH3
二、1.将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程 固氮 2.游离 化合 自然 人工
三、1.N2O NO N2O5 +3 +4 +4
2.无色 无味 不 红棕色 刺激性气味 易
3.(1)无明显现象 无色气体变为红棕色 红棕色变为无色 (2)①2NO+O22NO2
②3NO2+H2O2HNO3+NO
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)将空气中的氮气转变成含氮化合物属于氮的固定。( )
(2)“雷雨发庄稼”是由于放电条件有利于游离态的氮转化为化合态。( )
(3)NO2是红棕色气体,易溶于水,属于酸性氧化物。( )
(4)氮气可在氧气中燃烧,生成一氧化氮。( )
(5)NO2可由N2和O2直接化合得到。( )
(6)NO和NO2均既可以用排空气法收集又可以用排水法收集。( )
【答案】(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)×
2.农业上有句谚语是“雷雨发庄稼”,该过程发生了哪些化学反应?
【答案】N2+O22NO,2NO+O22NO2,3NO2+H2O2HNO3+NO。
3.实验室收集N2时,能否使用排空气法?说明理由。
【答案】不能。N2的密度和空气的密度相差不大,故不能用排空气法。
4.氮气分子的结构如何?为什么氮气很稳定?
【答案】氮气分子是由氮原子构成的双原子分子,两个氮原子之间以共价三键(N≡N)结合,使每个原子都达到稳定结构;要断开该化学键需要很高的能量,所以氮气的化学性质很稳定,通常情况下很难与其他物质发生化学反应。
【合作探究】
任务1 氮的固定
情境导入 氮在自然界中的循环如图所示:
问题生成
1.氮在自然界中的主要存在形式有哪些?
【答案】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。
2.由NH3制备化肥NH4HCO3,是否起到固氮作用?
【答案】否;由定义知,氮的固定是将游离态的氮转化成氮的化合物。
3.有哪些固定氮的途径?
【答案】固氮的途径主要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)。
4.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。
【答案】①对人类有益的: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。②对人类有害的: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。
【核心归纳】
氮的循环
【典型例题】
【例1】下列关于氮气性质的叙述中错误的是( )。
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.将空气中的氮气转化成氮的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
【答案】A
【解析】活泼金属钠、镁、铝可以在N2中燃烧。
【例2】氮的循环在自然界元素的循环中具有重要的意义,有些氮的转化是从氮气转化为氮的化合物,有的转化发生在含氮的化合物之间。下列过程中,以游离态的氮为原料,最终产生氮的化合物的是( )。
A.汽车尾气中的氮氧化物形成酸雨
B.硝化细菌的硝化过程
C.动物尸体腐烂
D.豆科植物的根瘤菌固氮
【答案】D
【解析】氮氧化物形成酸雨是其与水反应生成硝酸的缘故;硝化细菌的硝化过程是将氨或铵盐转化成硝酸盐;动物尸体腐烂是由高分子有机氮转化为小分子有机氮的过程;豆科植物的根瘤菌固氮过程是将氮气转化为氮的化合物。
任务2 一氧化氮和二氧化氮的性质
情境导入 小白鼠接触空气中一氧化氮维持6~7分钟引起麻醉,在12分钟死亡。一氧化氮能与血红蛋白结合引起高铁血红蛋白血症。NO分子因污染空气而臭名昭著。近年来,科学家发现有少量的NO存在于生物体内的许多组织中,它因有扩张血管、免疫、增强记忆的功能,而成为当前生命科学的研究热点,NO亦称为“明星分子”。NO对环境有一定危害,但对生命又有很大的作用,这对你有何启示?你了解的氮的氧化物有几种?你知道NO对人体造成危害的主要原因吗?
问题生成
1.常温下能用排空气法收集一氧化氮吗?为什么?实验室中应该怎样收集一氧化氮?
【答案】不能。因为发生反应:2NO+O22NO2。实验室中应该用排水集气法收集一氧化氮。
2.NO2转化为NO的变化中,NO2只能作氧化剂吗?
【答案】NO2与水反应转化为NO的同时生成HNO3,NO2既作氧化剂又作还原剂。
3.把一支充满NO2气体的试管倒置在水槽中,充分反应后有什么现象?
【答案】由反应3NO2+H2O2HNO3+NO可知,当NO2与H2O充分反应后,试管内的气体由红棕色变为无色,且剩余气体占试管体积的1/3。
4.为了有效实现NO和NO2的相互转化,设计如下实验:按图组装好实验装置(夹持装置已省略),并检查装置的气密性,实验前用排水法收集NO。
(1)打开止水夹,推动注射器活塞,使O2进入烧瓶。关上止水夹,首先观察到烧瓶中的现象是什么?写出产生此现象的化学方程式。
(2)轻轻摇动烧瓶,观察到烧瓶中的现象是什么?利用化学方程式解释产生这种现象的原因。
(3)假设烧瓶内充有100 mL NO,那么通入多少O2才能使水充满烧瓶?
【答案】(1)首先观察到的现象是烧瓶中的气体由无色变为红棕色,反应的化学方程式为2NO+O22NO2。
(2)摇动烧瓶,使得NO2与水发生反应:3NO2+H2O2HNO3+NO,所以烧瓶中的红棕色气体又变为无色,且烧瓶内压强减小,烧杯中的水倒吸到烧瓶内,导致烧瓶中液面上升。
(3)已知:2NO+O22NO2①,3NO2+H2O2HNO3+NO ②,由反应的化学方程式①×3+②×2得:4NO+3O2+2H2O4HNO3,即当NO和O2的体积之比为4∶3时,水可以充满烧瓶,故需通入75 mL O2。
【核心归纳】
一、一氧化氮和二氧化氮的区别与联系
二、氮的氧化物溶于水的计算规律
1.相关反应原理
3NO2+H2O2HNO3+NO ①
2NO+O22NO2 ②
由方程式①×2+②得:
4NO2+O2+2H2O4HNO3 ③
由方程式①×2+②×3得:
4NO+3O2+2H2O4HNO3 ④
2.氮的氧化物溶于水的三种类型
(1)NO2:NO2气体溶于水时仅涉及反应①,剩余气体为NO。
(2)NO2和O2的混合气体:NO2和O2的混合气体溶于水时涉及反应③:
(3)NO和O2的混合气体:NO和O2的混合气体溶于水时涉及反应④:
3.利用原子个数比分析氮氧化物与氧气的混合气体溶于水的反应
化学方程式:4NO2+O2+2H2O4HNO3和4NO+3O2+2H2O4HNO3中的“4NO2+O2”和“4NO+3O2”从组成上均相当于“N2O5”的组成,也就是N、O原子个数比符合2∶5时,氮的氧化物和氧气均无剩余,这两种情况均可利用混合气体中N、O原子个数比来分析:
N(N)N(O)25,剩余NO
【典型例题】
【例3】下列对反应3NO2+H2O2HNO3+NO的说法正确的是( )。
A.氧化剂与还原剂的质量之比为1∶2
B.氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2
C.NO2是氧化剂,H2O是还原剂
D.在反应中若有6 ml NO2参与反应,则有3 ml电子发生转移
【答案】A
【解析】该反应中NO2既是氧化剂又是还原剂,HNO3为氧化产物,NO为还原产物。HNO3与NO的物质的量之比为2∶1,还原剂(NO2)与氧化剂(NO2)的物质的量之比为2∶1。若有6 ml NO2参与反应,则转移电子4 ml。
【例4】一定条件下,将O2(g)和NO2(g)按1∶4的体积比充满干燥烧瓶(两种气体换算到标准状况下的总体积为V L),把烧瓶倒置于水中,瓶内液体逐渐上升,假设烧瓶内溶液不向外扩散,最终烧瓶内溶液里溶质的物质的量浓度为( )。
A.114 ml·L-1B.45 ml·L-1
C.128 ml·L-1D.142 ml·L-1
【答案】C
【解析】烧瓶的体积为V L,则NO2的体积为45V L。根据反应4NO2+O2+2H2O4HNO3,又因O2和NO2的体积之比为1∶4,最终液体充满整个烧瓶,溶液的体积为V L,原NO2
的物质的量为45V L÷22.4 L·ml-1=128V ml,NO2完全转化为HNO3,所以硝酸的物质的量浓度为128V ml÷V L=128 ml·L-1。
【随堂检测】
1.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如图表示。下列关于海洋氮循环的说法正确的是( )。
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NO3-的废水,会影响海洋中NH4+的含量
【答案】D
【解析】海洋中的氮循环起始于N2NH4+,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N的化合价降低,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,若向海洋排放含NO3-的废水,会使NO3-增多,反硝化作用增强,海洋中N2增多,从而影响海洋中NH4+的含量,D项正确。
2.下列关于氮氧化物的说法正确的是( )。
A.氮氧化物一定对人体有害
B.可以用排水集气法收集NO2气体
C.雷电多的地方容易形成酸雨
D.收集NO要用排水集气法
【答案】D
【解析】A项,极稀的一氧化氮可调节血管紧张度,降低血压,调节血液循环,氮氧化物不一定都对人体有害,错误;B项,二氧化氮与水反应生成硝酸和NO,故不能选排水集气法收集,错误;C项,空气中的氮气和氧气在雷电作用下生成NO,而造成酸雨的主要气体是二氧化硫,错误;D项,NO能与氧气反应,且难溶于水,因此可用排水集气法收集NO,正确。
3.下列有关NO2的说法中正确的是( )。
A.NO2能与水反应生成硝酸,在反应中NO2只是还原剂
B.除去O2中混有的NO2,可将混合气体通过水,将NO2溶解
C.NO2与溴蒸气的鉴别可用NaOH溶液,溶于NaOH溶液得无色溶液的是NO2,得橙色溶液的为溴蒸气
D.在NO2与水的反应中氧化剂与还原剂的质量之比为1∶2
【答案】D
【解析】除去O2中混有的NO2,将混合气体通过水,NO2溶解的同时又生成新的杂质NO,且NO又能与O2反应,B项错误;NO2、溴蒸气分别与NaOH溶液反应均得无色溶液,所以用NaOH溶液无法鉴别NO2与溴蒸气,C项错误。
4.发射卫星的运载火箭,其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。引燃后产生的高温气体主要是CO2、H2O、N2、NO,这些气体均为无色,但在卫星发射场看到火箭喷出大量“红烟”,产生“红烟”的原因是( )。
A.高温下N2遇空气生成NO2
B.NO遇空气生成NO2
C.CO2与NO反应生成CO和NO2
D.NO与H2O反应生成H2和NO2
【答案】B
【解析】NO是一种极易被空气中O2氧化的气体,产物是红棕色气体NO2。
5.氮氧化物会严重污染大气,所以必须对含有氮氧化物的废气进行处理。用NaOH溶液可以吸收废气中的氮氧化物,反应的化学方程式如下:
①NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O
②2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O
(1)在反应①中,参加反应的氧化剂和还原剂的物质的量之比为 。
(2)下列措施能提高尾气中NO和NO2去除率的是 (填字母)。
A.加快通入尾气的速率
B.采用气、液逆流的方式吸收尾气
C.吸收尾气过程中定期补加适量NaOH溶液
(3)吸收后的溶液经浓缩、结晶、过滤,得到NaNO2晶体,该晶体中的主要杂质是 (填化学式,下同);吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是 。
(4)NO的氧化吸收:用NaClO溶液吸收硝酸尾气,可提高尾气中NO的去除率。在酸性NaClO溶液中,HClO氧化NO生成Cl-和NO3-,反应的离子方程式为 。
【答案】(1)1∶1 (2)BC
(3)NaNO3 NO
(4)3HClO+2NO+H2O3Cl-+2NO3-+5H+
【解析】(1)在反应①中,NO中N元素化合价升高,作还原剂,NO2中N元素化合价降低,作氧化剂,根据化学方程式可知,参加反应的氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶1。颜色
状态
气味
密度
溶解性

气体

密度与空气接近
溶于水
氧化物


N2O3
NO2
N2O4

对应氮的化合价
+1
+2



+5
物质
颜色
状态
气味
水溶性
NO

气体

溶于水
NO2

气体

溶于水
实验
装置
实验
操作
在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO,然后吸入5 mL水,用乳胶管和弹簧夹封住管口,振荡注射器
打开弹簧夹,快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹,观察现象,然后再振荡注射器
现象
,振荡后
物质
一氧化氮
二氧化氮
生成
N2+O22NO
2NO+O22NO2
物理性质
无色无味的气体,难溶于水
红棕色、有刺激性气味的气体,易液化,易溶于水
收集方法
排水法
向上排空气法
化学性质
2NO+O22NO2
3NO2+H2O2HNO3+NO
2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O
x=V(NO2)V(O2)
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