人教版 (2019)必修 第二册第二节 氮及其化合物第1课时导学案

第二节　氮及其化合物

课时1　氮气与氮的固定　一氧化氮和二氧化氮

学习任务一　氮气与氮的固定　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

为了更好地保护文物,部分博物馆启用“真空充氮杀虫灭菌消毒机”来处理和保护文物,将文物放入该机器内(氮气浓度可高达99.99%),密封三天,好氧菌和丝状霉菌都会被灭杀。该机器具有此类功能,主要与氮气的性质有关。请你结合相关化学知识回答,下列关于氮气的哪些说法是正确的?

①氮气的化学性质不活泼　②氮气不能供给呼吸　③氮气能抑制菌类的生长　④氮气能吸收部分水分　⑤氮气不能与任何物质反应

答案　①②③正确。

1.氮元素及其存在

(1)原子结构:氮元素位于元素周期表的第①　二　周期、第②　ⅤA　族,其原子结构示意图为,氮原子一般通过③　共用电子对　与其他原子相互结合构成物质,常见化合价为④　-3、+5　。 

(2)自然界中的存在形态

a.游离态:以⑤　氮分子　的形式存在于空气中。 

b.化合态:存在于动植物体内的蛋白质中,以及土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。

2.氮气的性质

(1)物理性质:无色、无味、难溶于水,密度与空气的相近,约占空气体积的4/5。

(2)化学性质

a.由于氮分子内两个氮原子间以共价三键()结合,断开该化学键需要较多的能量,所以氮气的化学性质很稳定,通常情况下难以与其他物质发生化学反应,无法被大多数生物体直接吸收。

b.在高温、放电等条件下,氮气能够与镁、氧气、氢气等物质发生化合反应,化学方程式分别为⑥　N2+3Mg Mg3N2　、⑦　N2+O22NO　、⑧　N2+3H2 2NH3　。 

3.氮的固定和循环

(1)氮的固定

1)将大气中⑨　游离态的氮转化为氮的化合物　的过程叫做氮的固定。 

2)固氮形式

a.自然固氮:大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为⑩　含氮　的化合物,或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成　氨　。 

b.人工固氮:通过控制条件,将氮气氧化或还原为氮的化合物。最重要的人工固氮途径就是　工业合成氨　。 

(2)氮的循环

判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕”)。

1.氮在自然界中只以游离态形式存在(　✕　)

2.N2在高温条件下与O2发生反应生成NO(　√　)

3.豆科植物通过根瘤菌吸收空气中的氮属于氮的固定,发生的是化学变化(　√　)

4.工业合成氨的过程是固氮的过程(　√　)

1.氮气是一种无色、无味的气体。在标准大气压下,冷却至-195.8 ℃时,变成没有颜色的液体,冷却至-209.8 ℃时,液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质不活泼,常被用来作防腐剂。但在一定条件下可与某些物质发生化学变化,用来制取对人类有用的新物质。

(1)请你根据所学知识回答氮气为什么可以用作粮食、瓜果的保护气?

(2)与同学交流或查阅资料分析液氮用于医疗手术的原理是什么?

答案　(1)氮气性质稳定,能够减缓粮食、瓜果被氧气氧化变质的速率。

(2)液氮挥发,吸收热量,使温度迅速下降,通过极度冷冻将病区细菌迅速杀死,使得病区适宜进行医疗手术。

2.氮气的性质不活泼,但在一定条件下也可以发生化学反应,下列反应中属于氮的固定的反应是哪几个?在属于氮的固定的反应中,氮气都作氧化剂吗?

①N2+3Mg Mg3N2

②N2+3H2 2NH3

③2NO+O2 2NO2

④N2+O2 2NO

答案　氮的固定是氮单质转变成氮的化合物的过程,所以反应①②④属于氮的固定。反应①中氮气作氧化剂,反应②中氮气作氧化剂,反应④中氮气作还原剂。

1.氮气化学性质稳定,但是在一定条件下能发生反应,既有氧化性又有还原性。

2.氮的固定是氮的单质转化为氮的化合物的过程,氮的固定分为自然固氮和人工固氮,二者都属于化学变化。

1.下列关于氮气的性质和用途的叙述中错误的是(　　)

A.常温下,氮气是一种很难溶于水的无色、无味气体

B.通常情况下,很难与其他物质发生化学反应

C.从空气中分离出的氮气,可用于填充白炽灯的灯泡

D.从空气中分离出的氮气,不能用于生产氮肥

答案　D　常温下,氮气是一种无色、无味的气体,且难溶于水,故A正确;氮气的化学性质不活泼,通常情况下难与其他物质发生反应,故B正确;氮气的化学性质不活泼,从空气中分离出的氮气,可用于填充白炽灯的灯泡,故C正确;从空气中分离出的氮气,能用于生产氮肥,如N2→NH3→氮肥,故D错误。

2.下列关于氮气的说法中错误的是(　　)

A.通常情况下氮气性质很稳定,所以氮气可作食物保护气

B.N2+O2 2NO,该反应是汽车尾气造成污染的主要原因之一

C.氮气在空气中约占空气体积的

D.在反应3Mg+N2 Mg3N2中,氮气作氧化剂

答案　C　氮气分子中含有氮氮三键,通常情况下N2性质很稳定,可作食物保护气,故A正确;氮气与氧气在高温下反应生成一氧化氮,一氧化氮有毒,为空气污染物,故B正确;N2在空气中约占空气体积的,故C错误;在反应3Mg+N2 Mg3N2中,氮气中氮元素化合价降低,所以N2作氧化剂,故D正确。

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并将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

答案　B　工业合成氨是将氮气转化为氨气,属于氮的固定,故A不符合题意;工业上将氨转化成硝酸和其他氮的氧化物,不是氮的固定,故B符合题意;豆科植物的根瘤菌吸收空气中的氮气并将之转化成植物蛋白是氮的固定,故C不符合题意;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,属于氮的固定,故D不符合题意。

4.自然界中氮的循环如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A.工业合成氨属于人工固氮

B.在雷电作用下N2与O2可发生化学反应

C.在氮的循环过程中不涉及氧化还原反应

D.含氮无机物与含氮有机物可相互转化

答案　C　N2与O2生成NO的反应是氧化还原反应,所以在氮的循环过程中涉及氧化还原反应,故C错误。

学习任务二　一氧化氮和二氧化氮

1.NO和NO2的物理性质

2.NO和NO2的化学性质

(1)在常温下,NO很容易与O2反应,化学方程式为⑤　2NO+O2 2NO2　。 

(2)NO2溶于水时发生反应的化学方程式为⑥　3NO2+H2O 2HNO3+NO　。 

3.二氧化氮溶于水的实验

(1)实验过程

(2)对工业生产硝酸的启示

工业上生产硝酸时,向吸收后的废气中再通入适量的氧气或空气,能充分利用原料,并能减少NO的排放以保护环境。

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+O2 2NO2。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的同时生成硝酸,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+H2O 2HNO3+NO可知:当NO2与H2O充分反应后,试管内气体变为无色,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是什么?

(3)假设烧瓶内充有100 mL NO,通入多少O2才能使水充满试管?

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+O2 2NO2。

(2)摇动烧瓶,使得NO2与水发生反应:3NO2+H2O 2HNO3+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+O2 2NO2　①,3NO2+H2O 2HNO3+NO　②,由反应的化学方程式①×3+②×2得:4NO+3O2+2H2O 4HNO3,即当NO和O2的体积比为4∶3时水可以充满试管,故需通入75 mL O2。

5.农业上有一句俗语“雷雨发庄稼”,其中就涉及氮及其化合物的转化:在一定条件下,氮气最终转化为硝酸,然后HNO3与土壤中的矿物作用生成硝酸盐,为庄稼提供氮肥。请你结合本节知识,写出氮气转化为硝酸的化学方程式。

答案　氮气转化为硝酸的化学方程式有N2+O2 2NO、2NO+O2 2NO2、3NO2+H2O 2HNO3+NO。

1.NO和NO2的性质对比

2.氮的氧化物溶于水的计算规律

(1)相关反应原理

3NO2+H2O 2HNO3+NO　a

2NO+O2 2NO2　b

由化学方程式a×2+b得:

4NO2+O2+2H2O 4HNO3　c

由化学方程式a×2+b×3得:

4NO+3O2+2H2O 4HNO3　d

(2)氮的氧化物溶于水的三种类型

①NO2:NO2溶于水时仅涉及反应a,剩余气体为NO;

②NO2和O2的混合气体:NO2和O2的混合气体溶于水时涉及反应c。NO2和O2的量的关系见下表:

③NO和O2的混合气体:NO和O2的混合气体溶于水时涉及反应d。NO和O2的量的关系见下表:

1.病毒学研究证实,一氧化氮对某些病毒有直接抑制作用。下列关于一氧化氮的叙述不正确的是(　　)

A.一氧化氮是无色气体

B.常温常压下,一氧化氮不能与空气中的氧气直接化合

C.含等质量氧元素的一氧化氮与一氧化碳的物质的量相等

D.一氧化氮不溶于水,能用排水法收集

答案　B　一氧化氮很不稳定,极易和空气中的氧气反应生成红棕色的二氧化氮气体,故B错误。

2.下列有关NO2的说法正确的是(　　)

A.NO2可由N2与O2在放电条件下直接制备

B.NO2有毒,但因其易溶于水且与水反应,因此不属于大气污染物

C.NO2既有氧化性也有还原性

D.NO2为红棕色气体,因此将NO2通入水中,溶液显红棕色

答案　C　N2和O2在放电或高温条件下反应生成NO,故A错误;NO2属于大气污染物之一,故B错误;NO2与H2O反应生成HNO3和NO,说明NO2既有氧化性又有还原性,故C正确;NO2通入水中,生成NO和HNO3,溶液呈无色,故D错误。

3.将充满二氧化氮的试管倒立于盛有水的水槽中,充分放置后的现象正确的是(　　)

答案　B　将充满NO2的试管倒立于盛有水的水槽中,NO2与水反应可生成NO气体,反应的化学方程式为3NO2+H2O 2HNO3+NO,一氧化氮不溶于水,所以试管中仍存在气体,根据化学方程式可知,液体大约会充满试管体积的三分之二,约三分之一的部分被一氧化氮占有,故选B。

4.如图所示,室温下向盛有3.0 mL NO的试管中缓缓通入1.5 mL O2(所有气体的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)上述过程中发生反应的化学方程式有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)最终试管中剩余的气体是　　　　　　,体积为　　　　　　。 

答案　(1)①通入O2,试管内气体由无色变为红棕色　②试管内液面上升　③试管内剩余无色气体

(2)2NO+O2 2NO2、3NO2+H2O 2HNO3+NO

(3)NO　1.0 mL

解析　(1)通入的O2与NO恰好完全反应生成NO2:2NO+O2 2NO2,所以看到有红棕色气体生成;生成的NO2溶于水:3NO2+H2O 2HNO3+NO,气体体积减小,所以会看到试管内液面上升;最终NO有剩余,所以试管内剩余无色气体。(2)上述过程中发生反应的化学方程式有2NO+O2 2NO2、3NO2+H2O 2HNO3+NO。(3)设1.5 mL O2全部参加反应,由总反应4NO+3O2+2H2O 4HNO3可知,V反应(NO)=V(O2)×=1.5 mL×=2.0 mL,而NO的总体积是3.0 mL,故剩余NO气体的体积是1.0 mL。