人教版 (2019)必修 第二册第二节 氮及其化合物第1课时学案

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新知探究(一) 氮气与氮的固定[学考层级]
阅读教材，回答下列问题：
1．氮元素的存在
(1)游离态：在自然界中氮元素主要以游离态N2的形式存在于空气中。
(2)化合态：部分氮元素以化合态形式存在于动植物的体内蛋白质中和土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。
2．氮气的性质
(1)物理性质：氮气是一种无色、无味气体，密度比空气略小，难溶于水。
(2)化学性质
分别写出上面标出序号的反应的化学方程式：
①N2＋3Mgeq \(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2；
②N2＋3H2eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3；
③N2＋O2eq \(=====,\s\up7(放电或高温))2NO。
3．氮的固定
(1)定义：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。
(2)分类
下列变化过程中属于自然固氮的是_ ；属于人工固氮的是 。
①3Mg＋N2eq \(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2；
②根瘤菌将氮气转化成氨；
③N2＋O2eq \(=====,\s\up7(放电或高温))2NO；
④N2＋3H2eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3；
⑤2NO＋O2===2NO2。
[落实新知能]
(1)氮元素在自然界中主要以N2的形式存在于大气中，在空气中占体积分数约为0.78，N2的相对分子质量与空气接近，故N2的密度与空气接近，实验室只能用排水法收集。
(2)N2化学性质不活泼，在一般条件下不与氧气反应，经常作为食品包装袋的填充剂隔绝空气，避免食品被氧化变质。在一定条件下能与部分活泼金属、非金属反应，表现出氧化性或还原性。
(3)氮的固定是指氮元素由游离态变为化合态，如NH3转化为NO就不是氮的固定。
[演练新学考]
1．关于氮气的性质说法中，错误的是( )
A．氮在自然界中既以游离态存在又以化合态存在
B．通常情况下，氮气性质很不活泼
C．可在氧气中燃烧生成一氧化氮
D．大气、陆地和水体中的氮元素在不停地进行着氮的循环
2．下列有关氮气用途的说法不正确的是( )
A．作焊接金属的保护气
B．制硝酸和化肥的原料
C．食品袋中充氮气来防腐
D．与氧气反应制NO从而制硝酸
3．下列叙述中与氮的固定无关的是( )
A．工业合成氨
B．工业上将氨转化成硝酸和其他氮的氧化物
C．豆科植物的根瘤菌吸收空气中的氮气使之转化成植物蛋白质
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
4．下列关于自然界中氮的循环(如图)的说法不正确的是( )
A．氮元素均被氧化
B．工业合成氨属于人工固氮
C．含氮无机物和含氮有机物可相互转化
D．碳、氢、氧三种元素也参与了氮循环
新知探究(二) 氮的氧化物[学考层级]
[自学新教材]
阅读教材，回答下列问题：
1．一氧化氮的性质
NO为eq \a\vs4\al(无)色的有毒气体，eq \a\vs4\al(不)溶于水，具有还原性，易被氧气氧化，反应的化学方程式为2NO＋O2===2NO2。故只能用排水法收集。
2．二氧化氮的性质
NO2为 色、有 气味的eq \a\vs4\al(有)毒气体，密度比空气 ，易液化，易溶于水，溶于水时与水发生歧化反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，故只能用 法收集，这也是工业生产硝酸的反应原理。
[落实新知能]
1．正确理解NO和NO2所属物质的类别
NO和NO2都不是酸性氧化物，NO与碱、酸都不能反应生成盐和水，属于不成盐氧化物；NO2与碱溶液发生氧化还原反应生成两种盐，也不属于酸性氧化物。
2．谚语“雷雨发庄稼”涉及的主要反应
N2＋O2eq \(=====,\s\up7(放电))2NO,2NO＋O2===2NO2，
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
3．水吸收NO2制硝酸的原理
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO、2NO＋O2===2NO2(或4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3)
4．NO和NO2的尾气处理
(1)NO与酸碱都不反应，进行尾气处理时一般用充袋法，或通入氧气的同时用碱液吸收。
(2)NO2与碱溶液能直接反应，可用碱液直接吸收：
2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O。
[演练新学考]
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)氮元素可形成五种价态的氧化物，其中＋4价的有NO2和N2O4两种( )
(2)NO和NO2的颜色、气味、水溶性不同，但它们都是有毒的气体( )
(3)实验室只能用排水法收集NO，用向上排空气法收集NO2( )
(4)NO具有较强的还原性，在空气中极易被氧化( )
(5)将盛满NO的试管打开塞子置于空气中，无色气体变为红棕色( )
2．在NO2与水的反应中，水的作用是( )
A．是还原剂
B．既是氧化剂又是还原剂
C．是氧化剂
D．既不是氧化剂又不是还原剂
3．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
4．下列关于NO和NO2的叙述正确的是( )
A．NO是一种红棕色气体
B．常温常压下，NO不能与空气中的氧气直接化合
C．含等质量的氧元素的NO和CO的物质的量相等
D．NO2可用排水法收集
新知探究(三) 氮的氧化物溶于水的计算[选考层级]
[难度增一点]
[典例1] 按图进行实验。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
[典例2] 在一定条件下，将充满NO2和O2的试管倒立于水槽中，充分反应后，剩余气体体积为原混合气体体积的eq \f(1,8)，则原混合气体中NO2和O2的体积之比可能是( )
①8∶1 ②7∶3 ③7∶1 ④4∶1
A．①② B．①③
C．②③ D．②④
[知能深一点]
氮氧化物的计算类型
1．相关反应原理
①3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
②2NO＋O2===2NO2
由方程式①×2＋②得：
③4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3
由方程式①×2＋②×3得：
④4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3
2．计算类型
(1)NO2(或NO2与NO的混合气体)气体溶于水(反应①)
利用气体体积差法进行计算，
V剩＝V(NO)原＋eq \f(1,3)V(NO2)。
(2)NO2与O2的混合气体溶于水(反应③)
(3)NO与O2的混合气体溶于水(反应④)
[选考难一点]
1．将盛有N2和NO2混合气体的试管倒立于水中，经过足够长的时间后，试管内气体的体积缩小为原来的一半，则原混合气体中N2和NO2的体积比是( )
A．1∶1 B．1∶2
C．1∶3 D．3∶1
2．一定条件下，将等体积的NO和O2的混合气体置于试管中，并将试管倒立于水槽中，充分反应后剩余气体的体积为原总体积的( )
A.eq \f(1,4) B.eq \f(3,4)
C.eq \f(1,8) D.eq \f(3,8)
3. 如图所示，相同条件下，两个容积相同的试管分别装满NO2和NO气体，分别倒置于水槽中，然后通过导管缓慢通入氧气，边通边慢慢摇动试管，直到两个试管内充满液体。假设试管内的溶质不向水槽中扩散，则两个试管内溶液中溶质的物质的量浓度之比为( )
A．1∶1 B．5∶7
C．7∶5 D．4∶3
4．将V mL NO和NO2的混合气体通过水吸收后，得到a mL无色气体A，将此无色气体A与等体积O2混合，再通过水充分吸收后，收集到5 mL无色气体B。试回答：
(1)A气体是________，B气体是________。
(2)A气体的体积是________。
5．如图所示，向盛有3.0 mL NO的试管中缓缓通入1.5 mL O2(所有气体体积均在标准状况下测定)。
试回答下列问题。
(1)写出观察到的现象(可不写满，也可补充)：
①_______________________________________________________________________。
②_______________________________________________________________________。
③_______________________________________________________________________。
(2)最终试管中剩余的气体是______________，其体积为________。
eq \a\vs4\al([课时跟踪训练])
A级—学业水平考试达标练
1．下列过程不属于固氮的是( )
A．雷电时生成氮的氧化物
B．工业上用氢气与氮气合成氨
C．植物的根从土壤中吸收铵根离子和硝酸盐
D．豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为硝酸盐
2.如图所示，两个连通容器用活塞分开，左右两室各充入一定量NO和O2，且恰好使两容器内气体密度相同，打开活塞，使NO与O2充分反应，最终容器内混合气体密度比原来( )
A．增大 B．减小
C．不变 D．无法确定
3．下列关于氮的氧化物的说法中，正确的是( )
A．氮的氧化物都是酸性氧化物
B．氮的氧化物都既有氧化性，又有还原性
C．NO2与H2O反应生成HNO3，所以NO2是酸性氧化物
D．NO和NO2均有毒
4．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＋O2eq \(=====,\s\up7(高温))2NO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eq \f(4,5)
D．在反应3Mg＋N2eq \(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2中，N2作氧化剂
5．电闪雷鸣的雨天，空气中的N2会发生一系列反应，生成氮的化合物。雷雨时，一般不可能生成的氮的化合物是( )
①NH3 ②NO ③NO2 ④N2O3 ⑤N2O5 ⑥HNO3
A．②④⑥ B．②③⑤⑥
C．①④⑤ D．①③⑤
6. 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( )
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 ml H2与1 ml 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
7．四支试管中分别充满NO、SO2、NO2、Cl2中的一种，把它们分别倒置于盛有水的水槽中，放置一段时间后的现象如图所示。其中原试管充满NO2的是( )
8．实验室以空气和镁为原料制备Mg3N2的装置如图所示(夹持和加热装置略去)：
下列说法正确的是( )
A．装置A、B中可依次加入浓硫酸、NaOH溶液
B．若去掉装置C，对产品纯度无影响
C．实验时应先加热C，通入一段时间空气后再加热D
D．E中碱石灰的作用是吸收尾气
9．以下是氮循环的一部分：
(1)通常状况下，NO2的颜色是________。
(2)反应①的化学方程式是_________________________________________________。
(3)NO2易溶于水，并和水发生化学反应。该反应中，氧化剂是________。
(4)化合物A的化学式是________。
(5)治理汽车尾气的一种方法是用催化剂使NO与CO发生反应：2NO＋2COeq \(=====,\s\up7(催化剂))2CO2＋N2。当生成2 ml N2时，被还原的NO为________ ml。
10．氮氧化物进入大气后，不仅会形成硝酸型酸雨，还可能形成光化学烟雾，因此必须对含有氮氧化物的废气进行处理。
(1)用氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物，反应的化学方程式如下：
NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O ①，
2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O ②。
在反应①中，氧化剂是________，还原剂是________。
在反应②中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为_______________________________。
(2)在一定条件下氨气亦可用来将氮氧化物转化为无污染的物质。写出氨气和二氧化氮在一定条件下反应的化学方程式：_____________________________________________。
B级—选考等级考试增分练
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下图表示。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．向海洋中排放含NOeq \\al(－,3)的废水会影响海洋中NHeq \\al(＋,4)的含量
2.如图所示，将相同条件下的m体积NO和n体积O2同时通入倒立于水槽中且盛满水的试管内，充分反应后，试管内残留eq \f(m,2)体积的气体，该气体与空气接触后立即变为红棕色。则m与n的比值为( )
A．3∶2 B．2∶3
C．8∶3 D．3∶8
3．将充有m mL NO和n mL NO2气体的试管倒立于水槽中，然后通入m mL O2，若已知mA.eq \f(4n－1,2) mL B.eq \f(n－m,3) mL
C.eq \f(3m＋n,3) mL D．3(n－m)mL
4．汽车尾气装置里，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如图所示，下列说法正确的是( )
A．反应中NO为氧化剂，N2为氧化产物
B．汽车尾气的主要污染成分包括CO、NO和N2
C．NO和O2必须在催化剂表面才能反应
D．催化转化的总反应为2NO＋O2＋4COeq \(=====,\s\up7(催化剂))4CO2＋N2
5．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：
4NO2＋2Ca(OH)2===Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O
NO＋NO2＋Ca(OH)2===Ca(NO2)2＋H2O
(1)用化学方程式表示工业生产硝酸产生NO尾气的原因________________________。
(2)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)。
(3)该工艺需控制NO和NO2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________________________________________。
(4)生产中溶液需保持弱碱性，在酸性溶液中Ca(NO2)2会发生分解，产物之一是NO，其反应的离子方程式为______________________________________________。
6．某研究性学习小组的一个课题是“NO2能否支持木条燃烧”，由于实验室中没有现成的NO2气体，该小组的同学设计了两个方案(忽略N2O4的存在，图中铁架台等夹持仪器均已略去)。已知浓硝酸受热分解、金属和浓硝酸反应的方程式分别为4HNO3(浓)eq \(=====,\s\up7(△))4NO2↑＋O2↑＋2H2O、Cu＋4HNO3(浓)=== Cu(NO3)2＋2H2O＋2NO2↑。
Ⅰ.实验装置如图1所示。
实验开始后木条上的火星逐渐熄灭，有的同学得出“NO2不能支持木条燃烧”的结论。你认为这一结论________(填“正确”或“错误”)，理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
Ⅱ.实验装置如图2所示。
(1)硝酸铜固体受热分解的产物有氧化铜、二氧化氮和氧气，该反应的化学方程式是________________________________________________________________________
________________________________。
(2)当集气瓶中充满红棕色气体时，木条复燃了，有的同学得出“NO2能支持木条燃烧”的结论。你认为这一结论________(填“正确”或“错误”)，理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
Ⅲ.为了更直接说明“NO2能否支持木条燃烧”这一问题，请重新设计一个简单的实验方案，并简述实验原理和主要操作______________________________________________
________________________________________________________________________。
1.了解自然界中的氮循环。
2.了解N2的结构及性质。
3.掌握NO、NO2的性质。
x＝eq \f(VNO2,VO2)
0x＝eq \f(4,1)
x>eq \f(4,1)
反应情况
O2过量，剩余气体为O2
恰好完全反应，无气体剩余
NO2过量又发生反应①，只剩余NO
x＝eq \f(VNO,VO2)
0x＝eq \f(4,3)
x>eq \f(4,3)
反应情况
O2过量，剩余O2
恰好完全反应，无气体剩余
NO过量，剩余NO