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高中化学第二节 氮及其化合物第1课时学案
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这是一份高中化学第二节 氮及其化合物第1课时学案，共12页。
[核心素养发展目标] 1.通过对氮元素“位—构—性”的分析，认识氮元素在自然界中的存在形式，了解氮的固定的意义。2.掌握N2的性质。3.掌握NO、NO2的性质及二者的相互转化。4.掌握NO、NO2与O2混合溶于水的计算。
一、氮气与氮的固定
1．氮元素
(1)
一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。
(2)氮元素在自然界中的存在
2．氮气
思考1 根据氮原子核外电子排布和氮气分子的结构，推测氮气的化学活性。
提示 由于氮分子内两个氮原子间以共价三键(N≡N)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。
在高温、放电等条件下，氮气可以与镁、氢气、氧气等物质发生化合反应。
写出氮气与下列物质发生反应的化学方程式：
①金属镁：N2＋3Mgeq \(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2，氮气表现氧化性；
②氢气：N2＋3H2eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3，氮气表现氧化性；
③氧气：N2＋O2eq \(========,\s\up7(放电或高温))2NO，氮气表现还原性。
思考2 写出镁条在空气中燃烧发生反应的化学方程式。
提示 2Mg＋O2eq \(=====,\s\up7(点燃))2MgO、3Mg＋N2eq \(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2、2Mg＋CO2eq \(=====,\s\up7(点燃))2MgO＋C。
3．氮的固定
氮的固定eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(概念：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程, 分类\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(自然固氮\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(高能固氮如雷雨天气N2转化为NO,生物固氮如豆科植物的根瘤菌固氮)),人工固氮\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(合成氨工业合成氨,仿生固氮某些金属有机化合物, 可起到根瘤菌的作用))))))
1．判断正误
(1)N2和O2在放电的条件下会直接生成NO2( )
(2)氮原子与其他原子只能形成共价键，不能形成离子键( )
(3)氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气( )
(4)氮的固定中氮元素一定被氧化( )
(5)工业上将NH3转化为其他铵态化肥属于人工固氮( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)× (5)×
2．氮在自然界中的循环如下图所示。
(1)过程①称为________，写出合成氨反应的化学方程式：______________________________，
该反应中氮气显________(填“氧化”或“还原”)性。
(2)过程②中能通过______的作用将空气中的氮气固定下来，写出③中固氮反应的化学方程式：____________________________________________________________________________，
该反应中氮气显________(填“氧化”或“还原”)性。
(3)过程④中的亚硝酸盐有毒，工业上若直接排放将造成对环境的污染。已知NaNO2遇到还原性较强的NHeq \\al(＋,4)会被还原为N2，在废液中加入下列物质不能使NaNO2无害化排放的是_____(填字母)。
a．H2O2 b．NH4Cl c．KNO3 d．NaOH
答案 (1)人工固氮 N2＋3H2eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3 氧化
(2)豆科植物的根瘤菌 N2＋O2eq \(=====,\s\up7(放电))2NO 还原
(3)acd
解析 (3)据题给信息，NaNO2可以被NHeq \\al(＋,4)还原为N2，因此NH4Cl可以处理废水中的NOeq \\al(－,2)，而H2O2、KNO3都为氧化剂，不能将NaNO2还原为无毒的N2，NaOH和NaNO2不反应，故acd符合题意。
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)实验探究
(2)实验结论及解释
①NO不溶于水，也不与水反应，但能与空气中的氧气反应生成红棕色的NO2，化学方程式：2NO＋O2===2NO2。
②NO2能与水反应生成无色的NO，化学方程式：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
思考1 如果要将注射器中的NO充分转化为硝酸，可以采取什么措施？上述实验对工业上生产硝酸有什么启示？
提示 采取的措施是继续通入过量的空气。上述实验对工业上生产硝酸的启示是在用水吸收NO2制取硝酸的反应过程中，要不断地补充空气，使NO2尽可能多地转化为硝酸。
3．NO、NO2溶于水的相关计算
思考2 若将充满NO2的试管倒置在装满水的水槽里，会有什么现象？若同时向倒置试管中不断地缓慢通入O2，最终现象是什么？
提示 若将充满NO2的试管倒置于水槽中，试管中的红棕色逐渐褪去，水槽里的水倒吸入试管中，最终试管里剩余气体占eq \f(1,3)。若同时向倒置试管中通入O2，则水槽中的液体最终充满整个试管。
由上述思考：
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ①
2NO＋O2===2NO2 ②
①×2＋②得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，
①×2＋②×3得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。
(1)无论是单一气体(NO2)，还是NO、NO2、O2中的两者或三者的混合气体溶于水，若有气体剩余只能是NO或O2，不可能是NO2。
(2)对于连续发生的化学反应，可用化学方程式叠加的方法而得到复合反应，解决问题更简便。
1．判断正误
(1)由于NO极易与O2反应，并且其密度与空气相差不多，因此收集NO只能用排水法( )
(2)由于NO2极易与水反应且密度比空气大，因此收集NO2只能用向上排空气法( )
(3)NO2与H2O反应生成HNO3，故NO2是酸性氧化物( )
(4)可用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2与溴蒸气( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)×
2．现有NO2、O2的混合气体12 mL，通入足量水中，充分反应后剩余气体2 mL(同温同压下)，则原混合气体中氧气的体积可能是________。
答案 4 mL或1.2 mL
解析 (总反应式法)根据有关的反应：
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
设原混合气体中O2的体积为V(O2)，剩余气体可能是O2，也可能是NO。
①若剩余O2，则V剩＝V(O2)－eq \f(1,4)[12 mL－V(O2)]＝2 mL，解得V(O2)＝4 mL。
②若剩余NO，则V剩＝eq \f(1,3)[12 mL－V(O2)－4V(O2)]＝2 mL，解得V(O2)＝1.2 mL。
1．(2023·四川绵阳高一期中)下列说法正确的是( )
A．氮气化学性质不活泼，原因是N的非金属性较弱
B．氮气与氧气在汽车内燃机中高温反应，氧气过量直接生成NO2
C．植物直接吸收利用空气中的NO和NO2作为肥料，实现氮的固定
D．“雷雨发庄稼”所包含的化学变化有N2→NO→NO2→HNO3→硝酸盐
答案 D
解析 氮气化学性质不活泼，原因是N≡N键能大，A错误；氮气与氧气在汽车内燃机中高温反应生成NO，NO进一步被氧气氧化生成NO2，B错误；氮的固定是将游离态的氮转化为化合态的氮的过程，C错误；“雷雨发庄稼”所包含的化学变化：放电时氮气被O2氧化产生NO，NO被O2氧化为NO2, NO2与H2O反应产生HNO3，硝酸进一步转变为硝酸盐，D正确。
2．(2023·日照高一期末)下列对NO和NO2的描述正确的是( )
A．NO2与水的反应中，NO2既是氧化剂又是还原剂
B．NO是无色气体，可用向上排空气法收集
C．NO、NO2均可用排水法收集
D．从元素化合价角度看，NO只有还原性
答案 A
解析 NO2与水发生反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，氮元素由＋4价变为＋2价和＋5价，则NO2既是氧化剂又是还原剂，A正确；NO易与O2反应生成NO2，不能用排空气法收集，可采用排水法收集，B错误；NO2与H2O反应，不能用排水法收集，C错误；NO中氮元素显＋2价，处于中间价态，则NO既有氧化性又有还原性，D错误。
3.如图所示，试管中盛装的气体呈红棕色，当倒扣在盛有水的水槽中时，试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中水面继续上升，经过多次重复后，试管被水充满，对原试管中盛装的气体说法正确的是( )
A．可能是N2与NO2的混合气体
B．可能是N2O气体
C．可能是NO与NO2的混合气体
D．只可能是NO2一种气体
答案 C
解析 试管中盛装的气体呈红棕色，那么一定有二氧化氮存在。根据题述现象可知，原试管中盛装的气体的成分可能为①NO2、②NO2和O2(少量)、③NO2和NO等。
4．氮氧化物会严重污染大气，所以实验室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＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
②2NO2＋2NaOH===NaNO2＋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NOeq \\al(－,3)，反应的离子方程式为___________________________。
答案 (1)1∶1 (2)BC (3)NaNO3 NO (4)3HClO＋2NO＋H2O===3Cl－＋2NOeq \\al(－,3)＋5H＋
题组一 氮气与氮的固定
1．氮气能大量存在于空气中的根本原因是( )
A．氮气性质稳定，即使在高温下也不与其他物质发生反应
B．氮气比空气轻且不溶于水
C．氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定
D．氮气既无氧化性，也无还原性，不与其他物质反应
答案 C
解析 N2性质稳定，但在高温下可与O2等物质发生反应，在反应中表现出还原性或氧化性。
2．(2023·上海静安高一期中)下列属于氮的固定的是( )
A．雷雨闪电时空气中的N2和O2化合生成NO
B．NH4Cl和Ca(OH)2反应生成NH3
C．豆科作物把含氮化合物转变为蛋白质
D．将氨转化为硝酸，再转化为其他含氮化合物
答案 A
解析 雷雨闪电时空气中的N2和O2化合生成NO，游离态氮元素变为了化合态氮元素，故A符合题意；B、C、D项均不是游离态氮元素变为化合态氮元素，不属于氮的固定，故不符合题意。
3．(2023·苏州高一期末)下列关于N2的叙述中正确的是( )
A．N2是一种无色且易溶于水的气体
B．在雷雨天，空气中的N2和O2可直接反应生成NO2
C．在N2与Mg反应生成Mg3N2的过程中，N2作还原剂
D．一定条件下，N2与H2合成NH3属于氮的固定
答案 D
4．自然界中时刻存在着氮的转化。实现氮按照一定方向转化一直是科学领域研究的重要课题，如图为N2分子在催化剂的作用下发生的一系列转化示意图：
下列叙述正确的是( )
A．NH3→NO属于氮的固定
B．在催化剂a作用下，N2发生了氧化反应
C．N2很稳定，不支持任何物质的燃烧
D．催化剂a、b表面均有非极性共价键的断裂
答案 D
解析 把游离态的氮转化为氮的化合物，称为氮的固定，NH3→NO不属于氮的固定，故A错误；在催化剂a作用下，N2→NH3，氮原子化合价从0降低至－3，发生了还原反应，故B错误。
题组二 一氧化氮和二氧化氮
5．下列有关氮的氧化物的说法正确的是( )
A．氮的氧化物都能与水反应生成相应的酸
B．NO2为红棕色气体，因此将NO2通入水中，溶液显红棕色
C．NO、NO2都有毒，且NO是汽车尾气的有害成分之一
D．NO是酸性氧化物
答案 C
解析 NO2为红棕色气体，但通入水中后和水反应生成HNO3和NO，溶液为无色，B错误；NO、NO2都有毒，且NO是汽车气缸中的氮气和氧气在高温条件下生成的，则汽车尾气中有NO气体，C正确。
6．运载火箭的推进剂引燃后产生的气体主要是CO2、H2O、N2、NO，这些气体均为无色，但在卫星发射现场看到火箭喷出大量红棕色烟雾。产生红棕色烟雾的原因是( )
A．高温下N2遇空气生成NO2
B．NO遇空气生成NO2
C．CO2和NO反应生成CO和NO2
D．NO和H2O反应生成H2和NO2
答案 B
7．某集气瓶中的气体呈红棕色，加入足量水，盖上玻璃片，振荡，得到橙色溶液，气体颜色消失，再移走玻璃片后，瓶中气体又变为红棕色，该气体可能是下列混合气体中的( )
A．N2、NO2、Br2 B．NO2、NO、N2
C．NO2、O2、NO D．N2、O2、Br2
答案 A
8．将装有50 mL NO2、NO混合气体的量筒倒立在水槽中，反应后气体体积缩小为30 mL，则原混合气体中NO2和NO的体积比是( )
A．5∶3 B．3∶5
C．3∶2 D．2∶3
答案 C
解析 解答此题可根据化学方程式，运用差量法进行计算，由所得结果来确定正确的选项。设混合气体中NO2的体积为x，
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ΔV
3 mL 1 mL 3 mL－1 mL＝2 mL
x (50－30) mL＝20 mL
eq \f(3 mL,x)＝eq \f(2 mL,20 mL)，x＝30 mL，则原混合气体中NO的体积为50 mL－30 mL＝20 mL，所以V(NO2)∶V(NO)＝30 mL∶20 mL＝3∶2。
9．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，则两个试管内溶液的物质的量浓度之比为( )
A．1∶1 B．5∶7 C．7∶5 D．4∶3
答案 A
解析 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3、4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，V(NO2)＝V(NO)，n(NO2)＝n(NO)，则生成的HNO3的物质的量相等，溶液的体积也相同，故两个试管内溶液中溶质的物质的量浓度相等。
10．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．实验时应先加热装置C，通入一段时间空气后再加热装置D
D．装置E中碱石灰的作用是吸收尾气
答案 C
解析 A错，要制备氮化镁，需要除去空气中的氧气、CO2和水蒸气，则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸；B错，若去掉装置C，镁与氧气反应生成氧化镁，对产品纯度有影响；C对，实验时，应先加热装置C，通入一段时间空气除去氧气，然后再加热装置D；D错，装置E中碱石灰的作用是吸收空气中的水蒸气和二氧化碳。
11．(2023·四川眉山彭山区一中高一月考)近几年，我国汽车销量大幅增长，同时汽车尾气排放也是目前人类面临的环境问题之一。有一种汽车尾气处理装置，气体在催化剂表面吸附与解吸的过程如图所示，下列说法正确的是( )
A．反应中N2为氧化剂，NO为还原产物
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．催化转化总反应为2NO＋O2＋4COeq \(=====,\s\up7(催化剂))4CO2＋N2
答案 D
解析 NO、O2、CO反应产生N2，在反应中N元素化合价降低，得到电子被还原，所以NO是氧化剂，N2为还原产物，A错误；汽车尾气中含有CO、NO、N2和CO2，其中主要污染成分包括CO、NO，而N2是空气成分，不是污染物，B错误；NO和O2在室温下相遇会发生反应生成NO2，而不是必须在催化剂表面才能反应，C错误；根据电子守恒、原子守恒，可知上述转化的总反应的化学方程式为2NO＋O2＋4COeq \(=====,\s\up7(催化剂))4CO2＋N2，D正确。
12．(2023·甘肃民勤一中高一期中)如图所示，在注射器里吸入20 mL NO，然后吸入5 mL水。若再吸入6 mL O2，夹住弹簧夹，让内外大气压相同，观察现象。下列叙述正确的是( )
A．可观察到注射器内气体由无色变成红棕色，最后变成无色
B．可观察到注射器的活塞缓缓向右移动
C．最终剩余气体体积约为19 mL
D．所得硝酸的浓度约为0.07 ml·L－1
答案 A
解析 NO遇空气中氧气生成NO2，NO2为红棕色气体，NO2溶于水生成NO，气体由红棕色变为无色，A项正确；由4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可知，O2消耗完，NO有剩余，剩余气体体积为(20－8) mL＝12 mL，C项错误；可观察到注射器活塞缓缓向左移动，B项错误；没有注明状态，无法计算硝酸浓度，D项错误。
13．NO与NO2中氮元素的价态均处于中间价态，则NO与NO2均既有氧化性又有还原性。
(1)NO极易与氧气反应，化学方程式为______________________________________________；
在一定条件下NO与氨气发生归中反应生成N2，其化学方程式为_________________________
_______________________________________________________________________________。
(2)NO2可发生自身歧化反应，NO2与H2O反应的化学方程式为___________________________
_______________________________________________________________________________，
氧化剂和还原剂的物质的量之比为__________，NO2与NaOH溶液反应可生成两种盐，其中一种是NaNO3，其化学方程式为___________________________________________________。
答案 (1)2NO＋O2===2NO2
4NH3＋6NOeq \(=======,\s\up7(一定条件))5N2＋6H2O
(2)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 1∶2
2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O
14．汽车尾气中常含有CO、NOx等气体，为减轻污染，一般汽车都加装了“催化净化器”，可将汽车尾气中的有毒气体转化为无污染的气体。某化学兴趣小组在实验室模拟汽车尾气处理，设计了如图所示装置(部分夹持装置已略去)。
(1)装置Ⅲ的主要作用为________________________________________________________。
(2)停止加热，打开活塞K，通入适量氧气时，装置 Ⅱ 中可观察到的现象是________________
_______________________________________________________________________________。
(3)该套装置的不完善之处是______________________________________________________。
(4)汽车尾气中含有CO和NOx，消除它们对大气污染的方法是安装催化转化器，使它们发生反应生成两种无毒的气体，其中一种是单质，该反应的化学方程式为______________________
_______________________________________________________________________________。
(5)工业上常用纯碱液来吸收NOx，有关反应的化学方程式为2NO2＋Na2CO3===NaNO2＋NaNO3＋CO2、NO2＋NO＋Na2CO3===2NaNO2＋CO2。现有标准状况下a L NO2和b L NO的混合气体恰好被200 mL Na2CO3溶液完全吸收，则a、b应满足的关系为____________。Na2CO3溶液的物质的量浓度为____________ ml·L－1。
答案 (1)检验CO是否转化为CO2 (2)出现红棕色气体 (3)无尾气处理装置 (4)2xCO＋2NOxeq \(=====,\s\up7(催化剂))N2＋2xCO2 (5)a∶b≥1∶1(或a≥b) eq \f(a＋b,8.96)
解析 (1)一氧化碳和一氧化氮在催化剂和加热的条件下转化为氮气和二氧化碳，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，所以装置Ⅲ的主要作用是检验CO是否转化为CO2。(2)由于有部分一氧化氮没有转化为氮气，向装置中通入氧气时，装置Ⅱ中一氧化氮与氧气反应生成红棕色的二氧化氮，因此装置Ⅱ中的现象为出现红棕色气体。(3)由于尾气中仍残留未反应的一氧化氮和一氧化碳，所以该装置的不完善之处是无尾气处理装置。(5)依据反应2NO2＋Na2CO3===NaNO2＋NaNO3＋CO2、NO2＋NO＋Na2CO3===2NaNO2＋CO2可知，二氧化氮和一氧化氮的物质的量之比应大于或等于1∶1，气体才会反应完全。与二氧化氮和一氧化氮反应的碳酸钠的物质的量为eq \f(b,22.4) ml，与二氧化氮单独反应的碳酸钠的物质的量为eq \f(a－b,44.8) ml，所以碳酸钠的物质的量浓度为eq \f(\f(a＋b,44.8) ml,0.2 L)＝eq \f(a＋b,8.96) ml·L－1。
15．(2022·南京高一期中)“纳米零价铁－H2O2”体系可将烟气中难溶的NO氧化为可溶的NOeq \\al(－,3)。
(1)制备纳米零价铁：将FeSO4溶液与碱性NaBH4溶液混合可生成纳米零价铁、H2和NaBO2等，该反应的离子方程式为 ____________________(NaBH4、NaBO2中B元素均为＋3价)。
(2)NO的氧化：在一定温度下，将H2O2溶液和HCl溶液雾化后与烟气按一定比例混合，以一定流速通过装有纳米零价铁的反应装置，可将烟气中的NO氧化。
①Fe2＋催化H2O2分解产生HO·，HO·将NO氧化为NOeq \\al(－,3)的机理如图1所示，则Y为 _________。
②NO与H2O2反应生成HNO3的化学方程式为_______________________________________。
③纳米零价铁的作用是___________________________________________________________。
④NO脱除率随温度的变化如图2所示。温度高于120 ℃时，NO脱除率随温度升高呈现下降趋势的主要原因是__________________________。
(3)氧化产物的吸收：氧化后的产物在烟气的携带下被Ca(OH)2溶液吸收，转化为____________
(填化学式)。
答案 (1)2Fe2＋＋BHeq \\al(－,4)＋4OH－===2Fe＋BOeq \\al(－,2)＋2H2↑＋2H2O
(2)①Fe3＋(或FeCl3)
②2NO＋3H2O2===2HNO3＋2H2O
③与HCl溶液反应产生Fe2＋
④H2O2的分解速率随温度升高而加快，H2O2浓度减小，NO脱除率降低
(3)Ca(NO3)2
解析 (1)FeSO4溶液与碱性NaBH4溶液反应生成纳米零价铁、H2和NaBO2等，其反应的离子方程式为2Fe2＋＋BHeq \\al(－,4)＋4OH－===2Fe＋BOeq \\al(－,2)＋2H2↑＋2H2O。(2)①Fe2＋催化H2O2分解产生HO·和OH－，O元素化合价降低，所以铁元素化合价升高，则Y为Fe3＋或FeCl3。②NO与H2O2反应生成HNO3，其反应的化学方程式为2NO＋3H2O2===2HNO3＋2H2O。(3)氧化后的产物为硝酸，在烟气的携带下被Ca(OH)2溶液吸收，转化为Ca(NO3)2。氧化物
颜色
状态
气味
水溶性
NO
无色
气体
－
不溶
NO2
红棕色
气体
有刺激性气味
易溶
装置
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
①打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹
②振荡注射器
现象
无明显现象
①无色气体变为红棕色
②红棕色气体逐渐变为无色，注射器活塞向左移动
[核心素养发展目标] 1.通过对氮元素“位—构—性”的分析，认识氮元素在自然界中的存在形式，了解氮的固定的意义。2.掌握N2的性质。3.掌握NO、NO2的性质及二者的相互转化。4.掌握NO、NO2与O2混合溶于水的计算。
一、氮气与氮的固定
1．氮元素
(1)
一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。
(2)氮元素在自然界中的存在
2．氮气
思考1 根据氮原子核外电子排布和氮气分子的结构，推测氮气的化学活性。
提示 由于氮分子内两个氮原子间以共价三键(N≡N)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。
在高温、放电等条件下，氮气可以与镁、氢气、氧气等物质发生化合反应。
写出氮气与下列物质发生反应的化学方程式：
①金属镁：N2＋3Mgeq \(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2，氮气表现氧化性；
②氢气：N2＋3H2eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3，氮气表现氧化性；
③氧气：N2＋O2eq \(========,\s\up7(放电或高温))2NO，氮气表现还原性。
思考2 写出镁条在空气中燃烧发生反应的化学方程式。
提示 2Mg＋O2eq \(=====,\s\up7(点燃))2MgO、3Mg＋N2eq \(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2、2Mg＋CO2eq \(=====,\s\up7(点燃))2MgO＋C。
3．氮的固定
氮的固定eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(概念：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程, 分类\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(自然固氮\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(高能固氮如雷雨天气N2转化为NO,生物固氮如豆科植物的根瘤菌固氮)),人工固氮\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(合成氨工业合成氨,仿生固氮某些金属有机化合物, 可起到根瘤菌的作用))))))
1．判断正误
(1)N2和O2在放电的条件下会直接生成NO2( )
(2)氮原子与其他原子只能形成共价键，不能形成离子键( )
(3)氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气( )
(4)氮的固定中氮元素一定被氧化( )
(5)工业上将NH3转化为其他铵态化肥属于人工固氮( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)× (5)×
2．氮在自然界中的循环如下图所示。
(1)过程①称为________，写出合成氨反应的化学方程式：______________________________，
该反应中氮气显________(填“氧化”或“还原”)性。
(2)过程②中能通过______的作用将空气中的氮气固定下来，写出③中固氮反应的化学方程式：____________________________________________________________________________，
该反应中氮气显________(填“氧化”或“还原”)性。
(3)过程④中的亚硝酸盐有毒，工业上若直接排放将造成对环境的污染。已知NaNO2遇到还原性较强的NHeq \\al(＋,4)会被还原为N2，在废液中加入下列物质不能使NaNO2无害化排放的是_____(填字母)。
a．H2O2 b．NH4Cl c．KNO3 d．NaOH
答案 (1)人工固氮 N2＋3H2eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3 氧化
(2)豆科植物的根瘤菌 N2＋O2eq \(=====,\s\up7(放电))2NO 还原
(3)acd
解析 (3)据题给信息，NaNO2可以被NHeq \\al(＋,4)还原为N2，因此NH4Cl可以处理废水中的NOeq \\al(－,2)，而H2O2、KNO3都为氧化剂，不能将NaNO2还原为无毒的N2，NaOH和NaNO2不反应，故acd符合题意。
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)实验探究
(2)实验结论及解释
①NO不溶于水，也不与水反应，但能与空气中的氧气反应生成红棕色的NO2，化学方程式：2NO＋O2===2NO2。
②NO2能与水反应生成无色的NO，化学方程式：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
思考1 如果要将注射器中的NO充分转化为硝酸，可以采取什么措施？上述实验对工业上生产硝酸有什么启示？
提示 采取的措施是继续通入过量的空气。上述实验对工业上生产硝酸的启示是在用水吸收NO2制取硝酸的反应过程中，要不断地补充空气，使NO2尽可能多地转化为硝酸。
3．NO、NO2溶于水的相关计算
思考2 若将充满NO2的试管倒置在装满水的水槽里，会有什么现象？若同时向倒置试管中不断地缓慢通入O2，最终现象是什么？
提示 若将充满NO2的试管倒置于水槽中，试管中的红棕色逐渐褪去，水槽里的水倒吸入试管中，最终试管里剩余气体占eq \f(1,3)。若同时向倒置试管中通入O2，则水槽中的液体最终充满整个试管。
由上述思考：
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ①
2NO＋O2===2NO2 ②
①×2＋②得：4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，
①×2＋②×3得：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。
(1)无论是单一气体(NO2)，还是NO、NO2、O2中的两者或三者的混合气体溶于水，若有气体剩余只能是NO或O2，不可能是NO2。
(2)对于连续发生的化学反应，可用化学方程式叠加的方法而得到复合反应，解决问题更简便。
1．判断正误
(1)由于NO极易与O2反应，并且其密度与空气相差不多，因此收集NO只能用排水法( )
(2)由于NO2极易与水反应且密度比空气大，因此收集NO2只能用向上排空气法( )
(3)NO2与H2O反应生成HNO3，故NO2是酸性氧化物( )
(4)可用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2与溴蒸气( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)×
2．现有NO2、O2的混合气体12 mL，通入足量水中，充分反应后剩余气体2 mL(同温同压下)，则原混合气体中氧气的体积可能是________。
答案 4 mL或1.2 mL
解析 (总反应式法)根据有关的反应：
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
设原混合气体中O2的体积为V(O2)，剩余气体可能是O2，也可能是NO。
①若剩余O2，则V剩＝V(O2)－eq \f(1,4)[12 mL－V(O2)]＝2 mL，解得V(O2)＝4 mL。
②若剩余NO，则V剩＝eq \f(1,3)[12 mL－V(O2)－4V(O2)]＝2 mL，解得V(O2)＝1.2 mL。
1．(2023·四川绵阳高一期中)下列说法正确的是( )
A．氮气化学性质不活泼，原因是N的非金属性较弱
B．氮气与氧气在汽车内燃机中高温反应，氧气过量直接生成NO2
C．植物直接吸收利用空气中的NO和NO2作为肥料，实现氮的固定
D．“雷雨发庄稼”所包含的化学变化有N2→NO→NO2→HNO3→硝酸盐
答案 D
解析 氮气化学性质不活泼，原因是N≡N键能大，A错误；氮气与氧气在汽车内燃机中高温反应生成NO，NO进一步被氧气氧化生成NO2，B错误；氮的固定是将游离态的氮转化为化合态的氮的过程，C错误；“雷雨发庄稼”所包含的化学变化：放电时氮气被O2氧化产生NO，NO被O2氧化为NO2, NO2与H2O反应产生HNO3，硝酸进一步转变为硝酸盐，D正确。
2．(2023·日照高一期末)下列对NO和NO2的描述正确的是( )
A．NO2与水的反应中，NO2既是氧化剂又是还原剂
B．NO是无色气体，可用向上排空气法收集
C．NO、NO2均可用排水法收集
D．从元素化合价角度看，NO只有还原性
答案 A
解析 NO2与水发生反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，氮元素由＋4价变为＋2价和＋5价，则NO2既是氧化剂又是还原剂，A正确；NO易与O2反应生成NO2，不能用排空气法收集，可采用排水法收集，B错误；NO2与H2O反应，不能用排水法收集，C错误；NO中氮元素显＋2价，处于中间价态，则NO既有氧化性又有还原性，D错误。
3.如图所示，试管中盛装的气体呈红棕色，当倒扣在盛有水的水槽中时，试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内鼓入氧气后，可以观察到试管中水面继续上升，经过多次重复后，试管被水充满，对原试管中盛装的气体说法正确的是( )
A．可能是N2与NO2的混合气体
B．可能是N2O气体
C．可能是NO与NO2的混合气体
D．只可能是NO2一种气体
答案 C
解析 试管中盛装的气体呈红棕色，那么一定有二氧化氮存在。根据题述现象可知，原试管中盛装的气体的成分可能为①NO2、②NO2和O2(少量)、③NO2和NO等。
4．氮氧化物会严重污染大气，所以实验室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＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
②2NO2＋2NaOH===NaNO2＋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NOeq \\al(－,3)，反应的离子方程式为___________________________。
答案 (1)1∶1 (2)BC (3)NaNO3 NO (4)3HClO＋2NO＋H2O===3Cl－＋2NOeq \\al(－,3)＋5H＋
题组一 氮气与氮的固定
1．氮气能大量存在于空气中的根本原因是( )
A．氮气性质稳定，即使在高温下也不与其他物质发生反应
B．氮气比空气轻且不溶于水
C．氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定
D．氮气既无氧化性，也无还原性，不与其他物质反应
答案 C
解析 N2性质稳定，但在高温下可与O2等物质发生反应，在反应中表现出还原性或氧化性。
2．(2023·上海静安高一期中)下列属于氮的固定的是( )
A．雷雨闪电时空气中的N2和O2化合生成NO
B．NH4Cl和Ca(OH)2反应生成NH3
C．豆科作物把含氮化合物转变为蛋白质
D．将氨转化为硝酸，再转化为其他含氮化合物
答案 A
解析 雷雨闪电时空气中的N2和O2化合生成NO，游离态氮元素变为了化合态氮元素，故A符合题意；B、C、D项均不是游离态氮元素变为化合态氮元素，不属于氮的固定，故不符合题意。
3．(2023·苏州高一期末)下列关于N2的叙述中正确的是( )
A．N2是一种无色且易溶于水的气体
B．在雷雨天，空气中的N2和O2可直接反应生成NO2
C．在N2与Mg反应生成Mg3N2的过程中，N2作还原剂
D．一定条件下，N2与H2合成NH3属于氮的固定
答案 D
4．自然界中时刻存在着氮的转化。实现氮按照一定方向转化一直是科学领域研究的重要课题，如图为N2分子在催化剂的作用下发生的一系列转化示意图：
下列叙述正确的是( )
A．NH3→NO属于氮的固定
B．在催化剂a作用下，N2发生了氧化反应
C．N2很稳定，不支持任何物质的燃烧
D．催化剂a、b表面均有非极性共价键的断裂
答案 D
解析 把游离态的氮转化为氮的化合物，称为氮的固定，NH3→NO不属于氮的固定，故A错误；在催化剂a作用下，N2→NH3，氮原子化合价从0降低至－3，发生了还原反应，故B错误。
题组二 一氧化氮和二氧化氮
5．下列有关氮的氧化物的说法正确的是( )
A．氮的氧化物都能与水反应生成相应的酸
B．NO2为红棕色气体，因此将NO2通入水中，溶液显红棕色
C．NO、NO2都有毒，且NO是汽车尾气的有害成分之一
D．NO是酸性氧化物
答案 C
解析 NO2为红棕色气体，但通入水中后和水反应生成HNO3和NO，溶液为无色，B错误；NO、NO2都有毒，且NO是汽车气缸中的氮气和氧气在高温条件下生成的，则汽车尾气中有NO气体，C正确。
6．运载火箭的推进剂引燃后产生的气体主要是CO2、H2O、N2、NO，这些气体均为无色，但在卫星发射现场看到火箭喷出大量红棕色烟雾。产生红棕色烟雾的原因是( )
A．高温下N2遇空气生成NO2
B．NO遇空气生成NO2
C．CO2和NO反应生成CO和NO2
D．NO和H2O反应生成H2和NO2
答案 B
7．某集气瓶中的气体呈红棕色，加入足量水，盖上玻璃片，振荡，得到橙色溶液，气体颜色消失，再移走玻璃片后，瓶中气体又变为红棕色，该气体可能是下列混合气体中的( )
A．N2、NO2、Br2 B．NO2、NO、N2
C．NO2、O2、NO D．N2、O2、Br2
答案 A
8．将装有50 mL NO2、NO混合气体的量筒倒立在水槽中，反应后气体体积缩小为30 mL，则原混合气体中NO2和NO的体积比是( )
A．5∶3 B．3∶5
C．3∶2 D．2∶3
答案 C
解析 解答此题可根据化学方程式，运用差量法进行计算，由所得结果来确定正确的选项。设混合气体中NO2的体积为x，
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ΔV
3 mL 1 mL 3 mL－1 mL＝2 mL
x (50－30) mL＝20 mL
eq \f(3 mL,x)＝eq \f(2 mL,20 mL)，x＝30 mL，则原混合气体中NO的体积为50 mL－30 mL＝20 mL，所以V(NO2)∶V(NO)＝30 mL∶20 mL＝3∶2。
9．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，则两个试管内溶液的物质的量浓度之比为( )
A．1∶1 B．5∶7 C．7∶5 D．4∶3
答案 A
解析 4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3、4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，V(NO2)＝V(NO)，n(NO2)＝n(NO)，则生成的HNO3的物质的量相等，溶液的体积也相同，故两个试管内溶液中溶质的物质的量浓度相等。
10．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．实验时应先加热装置C，通入一段时间空气后再加热装置D
D．装置E中碱石灰的作用是吸收尾气
答案 C
解析 A错，要制备氮化镁，需要除去空气中的氧气、CO2和水蒸气，则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸；B错，若去掉装置C，镁与氧气反应生成氧化镁，对产品纯度有影响；C对，实验时，应先加热装置C，通入一段时间空气除去氧气，然后再加热装置D；D错，装置E中碱石灰的作用是吸收空气中的水蒸气和二氧化碳。
11．(2023·四川眉山彭山区一中高一月考)近几年，我国汽车销量大幅增长，同时汽车尾气排放也是目前人类面临的环境问题之一。有一种汽车尾气处理装置，气体在催化剂表面吸附与解吸的过程如图所示，下列说法正确的是( )
A．反应中N2为氧化剂，NO为还原产物
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．催化转化总反应为2NO＋O2＋4COeq \(=====,\s\up7(催化剂))4CO2＋N2
答案 D
解析 NO、O2、CO反应产生N2，在反应中N元素化合价降低，得到电子被还原，所以NO是氧化剂，N2为还原产物，A错误；汽车尾气中含有CO、NO、N2和CO2，其中主要污染成分包括CO、NO，而N2是空气成分，不是污染物，B错误；NO和O2在室温下相遇会发生反应生成NO2，而不是必须在催化剂表面才能反应，C错误；根据电子守恒、原子守恒，可知上述转化的总反应的化学方程式为2NO＋O2＋4COeq \(=====,\s\up7(催化剂))4CO2＋N2，D正确。
12．(2023·甘肃民勤一中高一期中)如图所示，在注射器里吸入20 mL NO，然后吸入5 mL水。若再吸入6 mL O2，夹住弹簧夹，让内外大气压相同，观察现象。下列叙述正确的是( )
A．可观察到注射器内气体由无色变成红棕色，最后变成无色
B．可观察到注射器的活塞缓缓向右移动
C．最终剩余气体体积约为19 mL
D．所得硝酸的浓度约为0.07 ml·L－1
答案 A
解析 NO遇空气中氧气生成NO2，NO2为红棕色气体，NO2溶于水生成NO，气体由红棕色变为无色，A项正确；由4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可知，O2消耗完，NO有剩余，剩余气体体积为(20－8) mL＝12 mL，C项错误；可观察到注射器活塞缓缓向左移动，B项错误；没有注明状态，无法计算硝酸浓度，D项错误。
13．NO与NO2中氮元素的价态均处于中间价态，则NO与NO2均既有氧化性又有还原性。
(1)NO极易与氧气反应，化学方程式为______________________________________________；
在一定条件下NO与氨气发生归中反应生成N2，其化学方程式为_________________________
_______________________________________________________________________________。
(2)NO2可发生自身歧化反应，NO2与H2O反应的化学方程式为___________________________
_______________________________________________________________________________，
氧化剂和还原剂的物质的量之比为__________，NO2与NaOH溶液反应可生成两种盐，其中一种是NaNO3，其化学方程式为___________________________________________________。
答案 (1)2NO＋O2===2NO2
4NH3＋6NOeq \(=======,\s\up7(一定条件))5N2＋6H2O
(2)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO 1∶2
2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O
14．汽车尾气中常含有CO、NOx等气体，为减轻污染，一般汽车都加装了“催化净化器”，可将汽车尾气中的有毒气体转化为无污染的气体。某化学兴趣小组在实验室模拟汽车尾气处理，设计了如图所示装置(部分夹持装置已略去)。
(1)装置Ⅲ的主要作用为________________________________________________________。
(2)停止加热，打开活塞K，通入适量氧气时，装置 Ⅱ 中可观察到的现象是________________
_______________________________________________________________________________。
(3)该套装置的不完善之处是______________________________________________________。
(4)汽车尾气中含有CO和NOx，消除它们对大气污染的方法是安装催化转化器，使它们发生反应生成两种无毒的气体，其中一种是单质，该反应的化学方程式为______________________
_______________________________________________________________________________。
(5)工业上常用纯碱液来吸收NOx，有关反应的化学方程式为2NO2＋Na2CO3===NaNO2＋NaNO3＋CO2、NO2＋NO＋Na2CO3===2NaNO2＋CO2。现有标准状况下a L NO2和b L NO的混合气体恰好被200 mL Na2CO3溶液完全吸收，则a、b应满足的关系为____________。Na2CO3溶液的物质的量浓度为____________ ml·L－1。
答案 (1)检验CO是否转化为CO2 (2)出现红棕色气体 (3)无尾气处理装置 (4)2xCO＋2NOxeq \(=====,\s\up7(催化剂))N2＋2xCO2 (5)a∶b≥1∶1(或a≥b) eq \f(a＋b,8.96)
解析 (1)一氧化碳和一氧化氮在催化剂和加热的条件下转化为氮气和二氧化碳，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，所以装置Ⅲ的主要作用是检验CO是否转化为CO2。(2)由于有部分一氧化氮没有转化为氮气，向装置中通入氧气时，装置Ⅱ中一氧化氮与氧气反应生成红棕色的二氧化氮，因此装置Ⅱ中的现象为出现红棕色气体。(3)由于尾气中仍残留未反应的一氧化氮和一氧化碳，所以该装置的不完善之处是无尾气处理装置。(5)依据反应2NO2＋Na2CO3===NaNO2＋NaNO3＋CO2、NO2＋NO＋Na2CO3===2NaNO2＋CO2可知，二氧化氮和一氧化氮的物质的量之比应大于或等于1∶1，气体才会反应完全。与二氧化氮和一氧化氮反应的碳酸钠的物质的量为eq \f(b,22.4) ml，与二氧化氮单独反应的碳酸钠的物质的量为eq \f(a－b,44.8) ml，所以碳酸钠的物质的量浓度为eq \f(\f(a＋b,44.8) ml,0.2 L)＝eq \f(a＋b,8.96) ml·L－1。
15．(2022·南京高一期中)“纳米零价铁－H2O2”体系可将烟气中难溶的NO氧化为可溶的NOeq \\al(－,3)。
(1)制备纳米零价铁：将FeSO4溶液与碱性NaBH4溶液混合可生成纳米零价铁、H2和NaBO2等，该反应的离子方程式为 ____________________(NaBH4、NaBO2中B元素均为＋3价)。
(2)NO的氧化：在一定温度下，将H2O2溶液和HCl溶液雾化后与烟气按一定比例混合，以一定流速通过装有纳米零价铁的反应装置，可将烟气中的NO氧化。
①Fe2＋催化H2O2分解产生HO·，HO·将NO氧化为NOeq \\al(－,3)的机理如图1所示，则Y为 _________。
②NO与H2O2反应生成HNO3的化学方程式为_______________________________________。
③纳米零价铁的作用是___________________________________________________________。
④NO脱除率随温度的变化如图2所示。温度高于120 ℃时，NO脱除率随温度升高呈现下降趋势的主要原因是__________________________。
(3)氧化产物的吸收：氧化后的产物在烟气的携带下被Ca(OH)2溶液吸收，转化为____________
(填化学式)。
答案 (1)2Fe2＋＋BHeq \\al(－,4)＋4OH－===2Fe＋BOeq \\al(－,2)＋2H2↑＋2H2O
(2)①Fe3＋(或FeCl3)
②2NO＋3H2O2===2HNO3＋2H2O
③与HCl溶液反应产生Fe2＋
④H2O2的分解速率随温度升高而加快，H2O2浓度减小，NO脱除率降低
(3)Ca(NO3)2
解析 (1)FeSO4溶液与碱性NaBH4溶液反应生成纳米零价铁、H2和NaBO2等，其反应的离子方程式为2Fe2＋＋BHeq \\al(－,4)＋4OH－===2Fe＋BOeq \\al(－,2)＋2H2↑＋2H2O。(2)①Fe2＋催化H2O2分解产生HO·和OH－，O元素化合价降低，所以铁元素化合价升高，则Y为Fe3＋或FeCl3。②NO与H2O2反应生成HNO3，其反应的化学方程式为2NO＋3H2O2===2HNO3＋2H2O。(3)氧化后的产物为硝酸，在烟气的携带下被Ca(OH)2溶液吸收，转化为Ca(NO3)2。氧化物
颜色
状态
气味
水溶性
NO
无色
气体
－
不溶
NO2
红棕色
气体
有刺激性气味
易溶
装置
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
①打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹
②振荡注射器
现象
无明显现象
①无色气体变为红棕色
②红棕色气体逐渐变为无色，注射器活塞向左移动
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