2019版高考化学一轮精选教师用书鲁科专用：第3章自然界中的元素第2节　氮的循环

第2节　氮的循环

1．了解氮元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。
2．了解氮元素单质及其重要化合物对环境的影响。
3．掌握氨气的实验室制法(包括所用试剂、反应原理、仪器和收集方法)。　4．以上各部分知识的综合应用。
　氮及其氧化物

[知识梳理]
1．氮元素在自然界中的存在形态及氮的固定

2．氮气
(1)分子结构：N≡N，共价键牢固，分子稳定。
(2)物理性质：无色无味气体，密度比空气略小，难溶于水。
(3)化学性质(填化学方程式)
①与氧气反应：N2＋O22NO。
②与氢气反应：N2＋3H22NH3。
③与镁反应：N2＋3MgMg3N2。
3．一氧化氮和二氧化氮的比较
性质
NO
NO2
物理性质
通常为无色、无味的气体，不溶于水
通常为红棕色、有刺激性气味的气体，易溶于水
与水反应

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
与氧气反应
2NO＋O2===2NO2

实验室制备
铜与稀硝酸反应：3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
铜与浓硝酸反应：Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O
收集方法
排水法
向上排空气法
与人体、环境的关系
①与血红蛋白结合使人中毒；②转化成NO2形成酸雨、光化学烟雾
形成酸雨、光化学烟雾
4．氮氧化物对环境的污染及防治
(1)常见的污染类型
①光化学烟雾：NOx在紫外线作用下，与碳氢化合物发生一系列光化学反应，产生一种有毒的烟雾。
②酸雨：NOx排入大气中后，与水反应生成HNO3和HNO2，随雨雪降到地面。
③破坏臭氧层：NO2可使平流层中的臭氧减少，导致地面紫外线辐射量增加。
④NO与血红蛋白结合使人中毒。
(2)常见的NOx尾气处理方法
①碱液吸收法
2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O
NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
NO2、NO的混合气体能被足量烧碱溶液完全吸收的条件是n(NO2)≥n(NO)，一般适合工业尾气中NOx的处理。
②催化转化法
在催化剂、加热条件下，氨可将氮氧化物转化为无毒气体(N2)或NOx与CO在一定温度下催化转化为无毒气体(N2和CO2，一般适用于汽车尾气的处理)。

(1)氮的固定是指氮元素由单质转化为化合物的过程，并非气态变为固态的意思，如N2→NO，N2→NH3都属于氮的固定，而氨气生成氯化铵就不是。
(2)氮的氧化物都有毒，其中NO2与N2O4存在下列平衡：2NO2N2O4，因此实验测得NO2的平均相对分子质量总大于46。
(3)验证某无色气体是NO的方法：向无色气体中通入O2(或空气)，无色气体变为红棕色，即证明该气体为NO。
(4)NO2既有氧化性又有还原性，以氧化性为主。NO2能使湿润的淀粉­KI试纸变蓝。
[自我检测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)“雷雨发庄稼”原理涉及氮的固定。(　　)
(2)NO气体遇到空气迅速变为红棕色。(　　)
(3)NO和NO2均可用排空气法和排水法收集。(　　)
(4)可用淀粉­KI试纸鉴别NO2和Br2。(　　)
(5)标准状况下，11．2 L NO2含有0．5NA个NO2分子。(　　)
答案：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×
2．3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反应中：氧化剂为________、还原剂为________，二者物质的量之比为________，1 mol NO2 反应转移电子的个数为________。
答案：NO2　 NO2　 1∶2　 NA
3．(教材改编题)下列环境问题与NO2的排放有关的是________。
A．酸雨 B．臭氧空洞　
C．温室效应 D．光化学烟雾
E．PM2．5
答案：ABD
4．将空气中氮气转化成氮的化合物的过程称为固氮。下图中能实现人工固氮的是(　　)

解析：选D。选项A、C为自然固氮，合成氨为人工固氮。

　将容积为50 mL的量筒充满二氧化氮和氧气的混合气体，将量筒倒置在盛满水的水槽里，一段时间后，量筒里剩余气体体积为5 mL。则原混合气体中NO2和O2体积比可能是________或________。
[解析]　NO或NO2与O2的混合气体跟水的反应计算关系式可由下列化学方程式推导出来。
2NO＋O2===2NO2 ①
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO ②
由②×2＋①得
4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 ③
由①×3＋②×2得
4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3 ④
③、④两式就是平时计算经常用到的化学方程式。
若剩余的5 mL气体为O2，则参加反应③的NO2和O2的总体积为50 mL－5 mL＝45 mL，则原混合气体里，NO2的体积为45 mL×4/5＝36 mL，O2的体积为50 mL－36 mL＝14 mL，即NO2与O2的体积比为36∶14＝18∶7。
若剩余的5 mL气体为NO，由②式得过量的NO2体积为15 mL，则发生反应③的NO2和O2的总体积为50 mL－15 mL＝35 mL，则原混合气体里，O2的体积为35 mL×1/5＝7 mL，NO2的体积为50 mL－7 mL＝43 mL，即NO2与O2的体积比为43∶7。
[答案]　18∶7　43∶7

一个大试管的容积为24 mL，收集满一氧化氮气体，把它倒扣在盛满水的水槽里再通入氧气，一段时间后，试管里剩余气体体积为2 mL。则通入的O2体积可能是______或______。
解析：NO、O2混合气体与水反应的计算关系式符合下列化学方程式：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。
若剩余的2 mL气体为O2，则是24 mL NO被氧气按上述方程式完全反应后又通入了2 mL O2，则O2的体积为24 mL×＋2 mL＝20 mL。
若剩余的2 mL气体为NO，该气体是由NO与O2共同反应后剩余了2 mL的NO，则按4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3反应的NO体积为24 mL－2 mL＝22 mL，则通入O2的体积为22 mL×＝16．5 mL。
答案：20 mL　16．5 mL

NOx和O2混合型计算题的解题技巧
1．关系式法
(1)NO和O2混合气体通入水中,由2NO＋O2===2NO2和3NO2＋H2O===2HNO3＋NO得总反应为4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3。

(2)NO2和O2混合气体通入水中
由3NO2＋H2O===2HNO3＋NO和2NO＋O2===2NO2得总反应为4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3。

(3)NO、NO2和O2三种混合气体通入水中
先按3NO2＋H2O===2HNO3＋NO计算出生成的NO体积，再加上原来混合气体中NO体积，再按(1)中计算。
2．电子守恒法
当NOx转化为硝酸时要失去电子，如果是NOx与O2混合，则反应中O2得到的电子数与NOx失去的电子数相等。

题组一　氮气和氮的氧化物对环境的影响
1．(2015·高考北京卷)下列关于自然界中氮循环(如下图)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、氧三种元素也参加了氮循环
解析：选A。A.N2→NH3过程中氮元素由0价变为－3价，被还原。B.工业合成氨的过程属于人工固氮。C.1828 年，德国化学家维勒首次利用无机物氰酸铵合成了尿素；而含氮的有机物也可以直接分解为无机物。D.雷电发生时涉及的反应有N2＋O22NO，2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，HNO3进入土壤，与矿物质结合成硝酸盐；豆科植物也可以将N2合成氮肥，生物体内含有碳元素，所以碳、氢、氧三种元素都参加了氮循环。
2．汽车尾气主要含有CO2、CO、SO2、NOx等物质，这种尾气逐渐成为城市空气污染的主要来源之一。
(1)汽车尾气中的CO来自于____________________，NO来自于______________________。汽车尾气对环境的危害主要有______________________(至少填两种)。
(2)NOx能形成酸雨，写出NO2转化为HNO3的化学方程式：________________________________________________________________________。
(3)汽车尾气中的CO、NOx在适宜温度下采用催化转化法处理，使它们相互反应生成参与大气循环的无毒气体。写出NO被CO还原的化学方程式：________________________________________________________________________。
(4)用氨可将氮氧化物转化为无毒气体。已知：4NH3＋6NO5N2＋6H2O，8NH3＋6NO27N2＋12H2O。同温同压下，3.5 L NH3恰好将3.0 L NO和NO2的混合气体完全转化为N2，则原混合气体中NO和NO2的体积之比是________。
解析：(1)汽车汽缸内不断进行着汽油的燃烧反应，当空气不足时，汽油不完全燃烧，会产生CO；当空气过量时，N2和O2在放电或高温条件下反应生成NO。汽车尾气对环境的危害很大，可以形成硝酸型酸雨、导致光化学烟雾、产生温室效应。(3)CO、NOx反应后生成的无毒气体为CO2和N2。(4)设NO的体积为V(NO)，NO2的体积为V(NO2)，依据方程式知，处理NO需V(NH3)＝V(NO)，处理NO2需V(NH3)＝V(NO2)，则有

解得：V(NO)＝0.75 L，V(NO2)＝2.25 L，
则V(NO)∶V(NO2)＝1∶3。
答案：(1)汽油的不完全燃烧　N2与O2在汽车汽缸内的高温环境下的反应　形成硝酸型酸雨、导致光化学烟雾、产生温室效应(任填两种即可)
(2)3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
(3)2CO＋2NON2＋2CO2
(4)1∶3
题组二　氮及其氧化物的性质与有关计算
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柱继续上升，经过多次重复后，试管内完全被水充满，原来试管中盛装的气体是(　　)
A．可能是N2与NO2的混合气体
B．只能是O2与NO2的混合气体
C．可能是NO与NO2的混合气体
D．只能是NO2一种气体
解析：选C。解答本题要注意以下两点：(1)明确氮气不溶于水，且常温下不与其他物质发生化学反应；(2)NO2可与水反应生成不溶于水的NO，NO2和NO分别与氧气按适当的比例混合可被水完全吸收。
4．在一定条件下，将NO2和O2的混合气体12 mL通入足量水中，充分反应后剩余2 mL气体(同温同压下)，则原混合气体中氧气的体积可能为(　　)
①1.2 mL　②2.4 mL　 ③3 mL　 ④4 mL
A．①② 　　　　　　　　　 B．②③
C．③④ D．①④
解析：选D。首先分析剩余的2 mL气体有两种可能。如果剩余2 mL O2，则V(NO2)＝×(12－2) mL＝8 mL，则混合气中的V(O2)＝12 mL－8 mL＝4 mL。若剩余的2 mL气体是NO，则混合气中的V(O2)＝(12 mL－2 mL×3)×＝1.2 mL，D项正确。
　氨与铵盐

[知识梳理]
1．氨
(1)物理性质：无色有刺激性气味的气体，密度比空气小，易液化，极易溶于水(1∶700)。
(2)化学性质(填化学方程式)


(3)实验室制法

2NH4Cl＋Ca(OH)22NH3↑＋CaCl2＋2H2O
↓

↓

↓

↓

↓

(4)用途：化工原料，用于制硝酸、铵盐、纯碱、尿素，用作制冷剂。
2．铵盐
(1)物理性质：都是无色或白色晶体，易溶于水。
(2)化学性质
①不稳定性(写化学方程式)
a．NH4Cl受热分解：NH4ClNH3↑＋HCl↑。
b．NH4HCO3受热分解：NH4HCO3NH3↑＋CO2↑＋H2O。
②与碱反应(写离子方程式)
a．与稀碱溶液不加热：NH＋OH－===NH3·H2O。
b．与浓碱溶液加热：NH＋OH－NH3↑＋H2O。
(3)NH的检验

[自我检测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)氨气溶于水能导电，所以氨气是电解质。(　　)
(2)在1 mol·L－1氨水中，NH3·H2O、NH、NH3的物质的量浓度之和为1 mol·L－1。(　　)
(3)浓氨水与所有浓酸相遇均能形成白烟。(　　)
(4)实验室可用NH4HCO3、NH4NO3与NaOH共热制NH3。(　　)
(5)用湿润的蓝色石蕊试纸检验氨气。(　　)
(6)可用装置吸收氨气并防止倒吸。(　　)
(7)可用浓硫酸或无水CaCl2干燥NH3。(　　)
(8)在8NH3＋3Cl2===N2＋6NH4Cl反应中，NH3发生还原反应。(　　)
(9)NH4HCO3溶液与足量NaOH溶液反应的离子方程式为HCO＋OH－===H2O＋CO。(　　)
答案：(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)×　(9)×
2．写出下列反应的离子方程式：
(1)向AlCl3溶液中加入氨水：________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)向FeCl3溶液中加入氨水：________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)向NH4HCO3溶液中加入氨水：____________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：(1)Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH
(2)Fe3＋＋3NH3·H2O===Fe(OH)3↓＋3NH
(3)HCO＋NH3·H2O===CO＋NH＋H2O

　(2016·高考全国卷Ⅰ，26，14分)氮的氧化物(NOx)是大气污染物之一，工业上在一定温度和催化剂条件下用NH3将NOx还原生成N2。某同学在实验室中对NH3与NO2反应进行了探究。回答下列问题：
(1)氨气的制备

①氨气的发生装置可以选择上图中的________，反应的化学方程式为____________________________。
②欲收集一瓶干燥的氨气，选择上图中的装置，其连接顺序为发生装置→________(按气流方向，用小写字母表示)。
(2)氨气与二氧化氮的反应
将上述收集到的NH3充入注射器X中，硬质玻璃管Y中加入少量催化剂，充入NO2(两端用夹子K1、K2夹好)。在一定温度下按图示装置进行实验。

操作步骤
实验现象
解释原因
打开K1，推动注射器活塞，使X中的气体缓慢通入Y管中
①Y管中____________________________
②反应的化学方程式：____________________________
将注射器活塞退回原处并固定，待装置恢复到室温
Y管中有少量水珠
生成的气态水凝聚
打开K2
③______________________
④______________________
[解析]　(1)①观察装置知，A装置适合加热固体制备气体，B装置适合加热液体与固体制备气体或加热液体制备气体。实验室通过氯化铵和消石灰共热制备氨气，加热固体混合物制备气体，可以选择A装置作氨气的发生装置，化学方程式为2NH4Cl＋Ca(OH)22NH3↑＋CaCl2＋2H2O。实验室还可以通过加热浓氨水制备氨气，故也可以选择B装置作氨气的发生装置，化学方程式为NH3·H2ONH3↑＋H2O。②实验室用碱石灰干燥氨气，用向下排空气法收集氨气，用水吸收尾气中的氨气并注意防倒吸，故选择C、D、F装置，注意连接干燥管时应大口进气，小口出气，所以，连接顺序为a、d、c、f、e、i或b、d、c、f、e、i。(2)NO2呈红棕色，氨气与二氧化氮发生反应：8NH3＋6NO27N2＋12H2O，故观察到Y管中红棕色气体慢慢变浅。NH3与NO2反应后生成的气态水凝聚，反应后气体分子数减少，装置Y内压强小于外压，故打开K2，氢氧化钠溶液会产生倒吸现象。
[答案]　(1)①A　2NH4Cl＋Ca(OH)22NH3↑＋CaCl2＋2H2O[或B　NH3·H2ONH3↑＋H2O]　②dcfei
(2)①红棕色气体慢慢变浅　②8NH3＋6NO27N2＋12H2O　③Z中NaOH溶液产生倒吸现象　④反应后气体分子数减少，Y管中压强小于外压

(1)NO与NH3在一定条件下反应生成N2，试写出反应的化学方程式。
(2)实验室若用浓氨水和生石灰制备NH3，则气体发生装置需要哪些仪器？
答案：(1)6NO＋4NH35N2＋6H2O。
(2)长颈漏斗(或分液漏斗)、双孔橡胶塞、圆底烧瓶(或锥形瓶)、导管。

题组一　氨与铵盐的性质
1．(2018·沈阳高三模拟)如下图，利用培养皿探究氨气的性质。实验时向NaOH固体上滴几滴浓氨水，立即用另一表面皿扣在上面。下表中对实验现象所做的解释正确的是(　　)

选项
实验现象
解释
A
浓盐酸附近产生白烟
NH3与浓盐酸挥发出的HCl反应产生了NH4Cl固体
B
浓硫酸附近无明显现象
NH3与浓硫酸不发生反应
C
氯化物溶液变浑浊
该溶液一定是AlCl3溶液
D
干燥红色石蕊试纸不变色，湿润红色石蕊试纸变蓝
NH3是一种可溶性碱
解析：选A。NH3能与HCl发生化合反应，生成NH4Cl白色固体；NH3也能与H2SO4发生化合反应，生成(NH4)2SO4；NH3与氯化物溶液反应生成氢氧化物沉淀，该氯化物可以是氯化铝、氯化镁等；NH3溶于水生成NH3·H2O，NH3·H2O是一种可溶性碱，NH3是氢化物。
2．下列说法中正确的是(　　)
A．所有铵盐受热均可以分解，产物均有NH3
B．硝酸铵受热易分解爆炸，实验室常加热氯化铵与氢氧化钙的混合物制备氨气
C．在盛有硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(SO4)2]溶液的试管中，滴加少量NaOH溶液，微热，在试管口用湿润的红色石蕊试纸检验，试纸变蓝
D．铵盐都易溶于水，其水溶液均呈酸性
解析：选B。铵盐分解不一定产生氨气，如NH4NO3在400 ℃以上分解生成N2、NO2和H2O，A项错；Fe2＋比NH更易结合OH－，因而加入少量NaOH，不会产生NH3，C项错；NH4HCO3、(NH4)2S等均呈碱性，D项错。
题组二　氨气的实验室制法
3．实验室制取少量干燥的氨气涉及下列装置，其中正确的是(　　)

A．①是氨气发生装置
B．③是氨气发生装置
C．②是氨气吸收装置
D．④是氨气收集、检验装置
解析：选B。装置①中NH4Cl受热易分解生成NH3和HCl，但在试管口附近两者又能结合生成NH4Cl，选项A错误；装置②中的漏斗放置过低，不能防止倒吸，选项C错误；装置④中的试管口应放一团干燥的棉花，以防氨气与空气对流，从而收集到较纯的NH3，选项D错误。
4．实验室用装置Ⅰ制氨气和氧气的混合气体，A中盛有浓氨水，C中盛有碱石灰；用装置Ⅱ验证氨的某些性质，D内放置催化剂(铂石棉)，按气流方向a→b→c→d连接各仪器。

请回答下列问题：
(1)①仪器A的名称是________，仪器B中应加入的固体药品是________(填化学式)。
②实验中观察到D内红棕色气体的化学式为________，证明氨气具有________性。
(2)若用装置Ⅰ制取干燥的CO2气体，则：
①B中发生反应的化学方程式为______________________________________________。
②此时仪器C中改为盛装P2O5的原因是_______________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)①用装置Ⅰ制氨气和氧气的混合气体，A为分液漏斗，A中装有浓氨水，则B中应加入Na2O2固体，Na2O2与浓氨水中的水发生反应生成O2，该反应放出的热量使氨水分解放出NH3。②氨气与氧气在D内发生反应4NH3＋5O24NO＋6H2O，2NO＋O2===2NO2，则红棕色气体为NO2，证明NH3具有还原性。
(2)①可用CaCO3和盐酸反应制备CO2，反应的方程式为CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O。②P2O5可除去CO2中的水蒸气，起干燥剂的作用。
答案：(1)①分液漏斗　Na2O2　②NO2　还原
(2)①CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
②P2O5可除去CO2中的水蒸气，且不和CO2反应

NH3的简易制法
方法
化学方程式(或原理)
气体发生装置
加热
浓氨水
NH3·H2ONH3↑＋H2O

浓氨水＋固
体NaOH
NaOH溶于水放热，促使氨水分解，且OH－浓度的增大有利于NH3的放出

浓氨水＋
固体CaO
NH3·H2O＋CaO===NH3↑＋Ca(OH)2
CaO的作用：①吸水后放热促进NH3的放出；②增加溶液中的OH－浓度，减小NH3的溶解度
题组三　喷泉实验
5．如图，同温同压下，两个等体积的干燥圆底烧瓶中分别充满①NH3、②NO2，进行喷泉实验。经充分反应后，圆底烧瓶内溶质的物质的量浓度(　　)

A．①>②　　　　　　 B．①