第二節氮及其化合物第1課時氮氣與氮的固定一氧化氮和二氧化氮學習任務目標1．通過分析氮的原子結構，推斷含氮物質可能的化學特性，理解結構與性質的關系。2．通過實驗探究，理解一氧化氮與氧氣反應、二氧化氮與水反應等性質，感受化學變化的奇妙。一、氮氣與氮的固定1．氮元素的存在與氮的固定2．氮氣的性質(1)物理性質無色、無臭氣體，密度比空氣略小，難溶于水。(2)化學性質①與氧氣反應：N2＋O2eq\o(=,\s\up7(放電或高溫))2NO。②與氫氣反應：N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do7(催化劑))2NH3。③與鎂反應：3Mg＋N2eq\o(=,\s\up7(點燃))Mg3N2。二、氮的氧化物1．氮有多種價態的氧化物：N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5等。2．NO和NO2性質的比較物質NONO2物理性質顏色無色紅棕色毒性有毒有毒溶解性不溶于水易溶于水化學性質與O2反應2NO＋O2=2NO2不反應與H2O反應不反應3NO2＋H2O=2HNO3＋NO氮的固定及氮的氧化物[探究活動]氮氣是一種無色無味的氣體，是空氣的主要成分之一。下圖表示的是氮氣的部分用途。活動1氮元素是活潑的非金屬元素，為什么氮氣的化學性質卻很穩定？提示：氮氣分子內兩個氮原子間以共價三鍵(N≡N)結合，斷開該化學鍵需要較多的能量，因此氮氣的化學性質很穩定。活動2利用氮氣作燈泡填充氣和糧食瓜果的保護氣的理論依據是什么？提示：氮氣的化學性質穩定，不易發生反應，利用氮氣作燈泡填充氣和糧食瓜果的保護氣，可起到隔絕空氣、防止氧化的作用。活動3什么是氮的固定？氮的固定過程中氮元素一定被氧化嗎？舉例說明。提示：氮的固定是指將大氣中游離態的氮轉化為氮的化合物的過程。氮的固定過程中氮元素不一定被氧化，如合成氨反應中氮氣被還原。[評價活動]1．下列不屬于氮的固定的是()A．雷電作用下N2轉化為NOB．將汽車尾氣中的CO和NO催化處理為N2和CO2C．工業合成NH3D．豆科植物的根瘤菌將N2轉化為含氮化合物B解析：雷電作用下N2轉化為NO是將氮的單質轉化為氮的化合物，屬于氮的固定，故A正確；將汽車尾氣中的CO和NO催化處理為N2和CO2，是將氮的化合物轉化為氮的單質，不屬于氮的固定，故B錯誤；工業合成NH3是將氮的單質轉化為氮的化合物，屬于氮的固定，故C正確；豆科植物的根瘤菌將氮氣轉化為含氮的化合物，屬于氮的固定，故D正確。2．(雙選)最新的病毒學研究證實，一氧化氮對SARS病毒有直接抑制作用。下列關于一氧化氮的敘述正確的是()A．一氧化氮是一種紅棕色氣體B．常溫常壓下，一氧化氮能與空氣中的氧氣直接化合C．一氧化氮可由氮氣和氧氣在放電條件下直接化合得到D．一氧化氮易溶于水，不能用排水法收集BC解析：NO是一種無色、難溶于水的氣體，可以用排水法收集。常溫常壓下，NO容易與氧氣直接化合生成NO2。3．下列關于N2的說法錯誤的是()A．通常情況下N2的性質很穩定，所以N2可在電焊時作保護氣B．反應N2＋O2eq\o(=,\s\up7(高溫))2NO是汽車尾氣造成污染的主要原因之一C．N2的質量約占空氣總質量的eq\f(4,5)D．在反應3Mg＋N2eq\o(=,\s\up7(點燃))Mg3N2中，N2作氧化劑C解析：N2可在電焊時作保護氣，是利用了N2的穩定性，A正確；汽車尾氣造成污染的主要原因之一是N2＋O2eq\o(=,\s\up7(高溫))2NO，B正確；N2的體積約占空氣總體積的eq\f(4,5)，C錯誤；在反應3Mg＋N2eq\o(=,\s\up7(點燃))Mg3N2中，N的化合價降低，得電子發生還原反應，則N2作氧化劑，D正確。4．自然界中的氮循環如下圖所示。下列說法不正確的是()A．工業合成氨屬于人工固氮B．雷電作用下N2與O2發生化學反應C．在氮循環過程中不涉及氧化還原反應D．含氮無機物與含氮有機化合物可相互轉化C解析：工業合成氨是將N2與H2在一定條件下反應生成NH3，屬于人工固氮，A正確；雷電作用下N2與O2發生化學反應生成NO，B正確；N2與O2發生的反應屬于氧化還原反應，所以在氮循環過程中涉及氧化還原反應，C錯誤；由氮循環的示意圖可知，銨鹽與蛋白質可以相互轉化，即含氮無機物與含氮有機化合物可以相互轉化，D正確。5．硫和氮及其化合物對人類生存和社會發展意義重大，但硫氧化物和氮氧化物造成的環境問題也日益受到關注。下列說法正確的是()A．汽車尾氣中的NO主要來自汽油、柴油的燃燒B．汽車尾氣中的主要大氣污染物為NO、SO2和PM2.5C．植物直接吸收利用空氣中的NO和NO2作為肥料，實現氮的固定D．工業廢氣中的SO2可采用石灰法進行脫除D解析：汽車尾氣中的NO主要是由汽車氣缸中氮氣和氧氣在高溫下反應生成的，與汽油、柴油的燃燒無關，A錯誤；汽車尾氣的主要大氣污染物為C與N的氧化物，如NOx和CO等，B錯誤；氮的固定是指將游離態的氮轉化為氮的化合物，且植物可吸收土壤中的銨根離子或硝酸根離子作為肥料，不能直接吸收空氣中的氮氧化物，C錯誤；工業廢氣中的SO2可采用石灰法進行脫除，如加入石灰石或石灰乳均可進行脫硫處理，D正確。氮氣的結構與性質氮氣的化學性質很穩定，但在一定條件下可發生反應，既能表現出氧化性又能表現出還原性。氮的氧化物溶于水的計算[探究活動]工業廢氣NO、NO2可造成大氣污染。某學習小組為了研究氮的氧化物在水中的溶解性，設計了如下實驗：將充滿NO2、NO的試管分別倒置于水槽中，并通過導管通入少量的氧氣。活動1圖1試管中觀察到的實驗現象是什么？NO2與O2的體積滿足怎樣的比例，才能使NO2完全轉化成HNO3?提示：紅棕色氣體逐漸變為無色，試管內液面上升，持續通入適量O2，試管內可充滿水。當V(NO2)∶V(O2)＝4∶1時，NO2完全轉化成HNO3。活動2圖2試管中觀察到的實驗現象是什么？NO與O2的體積滿足怎樣的比例，才能使NO完全轉化成HNO3?提示：無色氣體先變成紅棕色，后逐漸變為無色，試管內液面上升，持續通入適量O2，試管內可充滿水。當V(NO)∶V(O2)＝4∶3時，NO完全轉化成HNO3。[評價活動]1．按下圖進行實驗，試管內裝有12mLNO，然后間歇而緩慢地通入8mLO2，下列有關實驗最終狀態的描述正確的是()A．試管內氣體呈紅棕色B．試管內氣體為無色的NOC．試管內氣體為無色的O2D．試管內液面上升至充滿整個試管B解析：NO和O2恰好反應生成HNO3的反應方程式為4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3，試管內裝有12mLNO，然后間歇而緩慢地通入8mLO2，則反應后剩余NO：12mL－8mL×eq\f(4,3)＝eq\f(4,3)mL，故B正確。2．如圖所示，在注射器里吸入20mLNO，然后吸入5mL水。若再吸入6mLO2，夾住彈簧夾，讓內外大氣壓相同，觀察現象。下列說法正確的是()A．可觀察到注射器內氣體由無色變成紅棕色，最后變成無色B．可觀察到注射器的活塞緩緩向右移動C．最終剩余氣體體積約為19mLD．所得HNO3溶液的濃度約為0.07mol·L－1A解析：NO遇O2生成NO2，NO2為紅棕色氣體，NO2溶于水生成NO，氣體由紅棕色變為無色，A項正確；可觀察到注射器活塞緩緩向左移動，B項錯誤；由4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3可知，O2消耗完時，NO有剩余，剩余氣體體積為(20－6×eq\f(4,3))mL＝12mL，C項錯誤；沒有注明狀態，無法計算，D項錯誤。3．(雙選)在一定條件下，將NO2和O2的混合氣體12mL通入足量水中，充分反應后剩余2mL氣體(同溫同壓下)，則原混合氣體中氧氣的體積為()A．1.2mL B．2.4mLC．3mL D．4mLAD解析：根據化學方程式：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，若剩余的氣體是O2，則V(NO2)＝eq\f(4,5)×(12－2)mL＝8mL，V(O2)＝12mL－8mL＝4mL；若剩余的氣體是NO(2mL)，則與O2反應后剩余6mLNO2，則V(O2)＝eq\f(1,5)×(12－6)mL＝1.2mL。4．四支試管中分別充滿NO、SO2、NO2、N2中的一種，把它們分別倒置于盛有水的水槽中，放置一段時間后的現象如圖所示。其中原試管充滿NO2的是()B解析：根據化學方程式3NO2＋H2O=2HNO3＋NO可知，剩余氣體是反應前的eq\f(1,3)，故B項正確；NO、N2不溶于水，對應D項；SO2對應A項。5．如圖所示為雷雨時節，雨水中硝酸的形成過程。回答下列有關問題：(1)圖中物質X為________(填化學式)，轉化①、②、③中屬于氮的固定的是________。(2)NO2與水蒸氣反應生成稀硝酸的化學方程式為___________________；該反應中氧化劑與還原劑的物質的量之比為________。(3)俗話說“雷雨發莊稼”，一些植物的根可以將空氣中的N2轉化為NH3，與雨水中的HNO3反應，形成氮肥。這種氮肥加熱至230℃分解，產生兩種常溫下無污染的氣體，該反應的化學方程式為________________________________________________________________________。(4)將容積為50mL，充滿O2和NO2氣體的試管倒扣在裝滿水的水槽中，試管內液面上升，最終有5mL氣體剩余，假設反應前后試管內氣體壓強和溫度均不變，則反應前試管內O2和NO2的體積比可能為________(寫出所有可能的答案)。解析：(1)氮氣和氧氣在放電條件下反應生成一氧化氮，故X為O2；氮的固定為游離態的氮變為氮的化合物的過程，故屬于氮的固定的為①。(2)二氧化氮和水生成硝酸和一氧化氮，化學方程式為3NO2＋H2O=2HNO3＋NO；該反應中3mol二氧化氮中有2mol生成硝酸，為還原劑，有1mol生成一氧化氮，為氧化劑，故氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶2。(3)氨和硝酸生成氮肥硝酸銨，加熱分解生成兩種無污染的氣體氮氣和氧氣，故化學方程式為2NH4NO3eq\o(=,\s\up7(230℃))O2↑＋2N2↑＋4H2O。(4)若NO剩余，則首先發生反應：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，然后剩余的二氧化氮繼續發生反應：3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，最終NO是5mL，則剩余的NO2是15mL。所以另外35mL氣體是NO2和O2按照體積比4∶1進行反應，其中28mL是二氧化氮，7mL是氧氣，所以二氧化氮共計43mL，氧氣7mL，則O2和NO2的體積比為7∶43；若O2剩余，剩余O2是5mL，則另外45mL氣體是NO2和O2按照體積比4∶1進行反應，其中36mL是二氧化氮，9mL是氧氣，所以二氧化氮是36mL，氧氣共計14mL，則O2和NO2的體積比為7∶18。答案：(1)O2①(2)3NO2＋H2O=2HNO3＋NO1∶2(3)2NH4NO3eq\o(=,\s\up7(230℃))O2↑＋2N2↑＋4H2O(4)7∶43或7∶18NOx與O2混合氣體溶于水的計算(1)4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3V(NO2)∶V(O2)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(＝4∶1恰好完全吸收,<4∶1剩余氣體為O2,>4∶1剩余氣體為NO))(2)4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3V(NO)∶V(O2)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(＝4∶3恰好完全吸收,<4∶3剩余氣體為O2,>4∶3剩余氣體為NO))課后素養評價(三)知識點1氮氣的性質1．氮氣常用作白熾燈泡中鎢絲的保護氣，這是因為()A．氮氣比空氣輕B．氮氣難溶于水C．氮氣是無色無味的氣體D．氮氣很不活潑D解析：氮氣的性質不活潑，一般條件下不和其他物質反應，因此可以用氮氣作保護氣，故D正確。2．電閃雷鳴的雨天，空氣中的N2會發生一系列反應，生成氮的化合物。雷雨時，一般不可能生成的氮的化合物是()①NH3②NO③NO2④N2O3⑤N2O5⑥HNO3A．②④⑥ B．②③⑤⑥C．①④⑤ D．①③⑤C解析：放電時，空氣中的N2和O2會化合生成NO，NO很容易與O2反應生成NO2，NO2溶于水生成HNO3和NO。知識點2NOx與O2、H2O反應的計算3．將盛有N2和NO2混合氣體的試管倒立于水中經過足夠長的時間后，氣體體積減小為原來的一半，則原混合氣體中N2和NO2的體積比是()A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．3∶1C解析：設原混合氣體中N2和NO2的體積分別為x和y。3NO2＋H2O=2HNO3＋NOΔV312yeq\f(2,3)y由題意得：eq\f(2,3)y＝eq\f(1,2)(x＋y)，則x∶y＝1∶3。4．一定條件下，將等體積NO和O2充入一試管，并將試管倒立于水槽中，充分反應后剩余氣體的體積約為原總體積的()A．eq\f(1,4) B．eq\f(3,4)C．eq\f(1,8) D．eq\f(3,8)C解析：4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3；若各取NO和O24體積，則反應后剩余1體積O2，所以充分反應后剩余氣體的體積約為原總體積的eq\f(1,8)。5．如圖所示，將盛滿乙氣體的小試管倒扣在水槽中，通過導管向試管中通入甲氣體，直至小試管內充滿液體(假設所得溶液中溶質未擴散至試管外)。下列選項中，所得溶液濃度最高的是()A．甲為O2，乙為NOB．甲為O2，乙為NO2C．甲為NO，乙為O2D．甲為NO2，乙為O2D解析：設試管的體積為VL，該條件下氣體摩爾體積為VmL·mol－1，則乙氣體的物質的量是eq\f(V,Vm)mol；若甲為O2，乙為NO，發生反應：4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3，根據化學方程式可知生成硝酸的物質的量為eq\f(V,Vm)mol，硝酸濃度為eq\f(1,Vm)mol·L－1；若甲為O2，乙為NO2，發生反應：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，根據化學方程式可知生成硝酸的物質的量為eq\f(V,Vm)mol，硝酸濃度為eq\f(1,Vm)mol·L－1；若甲為NO，乙為O2，發生反應：4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3，根據化學方程式可知生成硝酸的物質的量為eq\f(V,Vm)×eq\f(4,3)mol，硝酸濃度為eq\f(4,3Vm)mol·L－1；若甲為NO2，乙為O2，發生反應：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，根據化學方程式可知生成硝酸的物質的量為eq\f(V,Vm)×4mol，硝酸濃度為eq\f(4,Vm)mol·L－1，故D正確。6．在標準狀況下，一支50mL的注射器里充入20mLNO，然后吸入5mL水，用乳膠管和彈簧夾封住管口，振蕩注射器。設空氣中氧氣的體積分數為20%，下列說法錯誤的是()A．振蕩后注射器活塞不移動B．打開彈簧夾，快速吸入15mL空氣后夾上彈簧夾，充分振蕩注射器，活塞停留在大約33mL處，所得溶液物質的量濃度約為0.036mol·L－1C．若將20mLNO換為NO2，完全反應需吸入約20mL空氣D．若注射器中是5mLNO和15mLNO2的混合氣體，吸入5mL水后充分振蕩注射器，活塞停留在大約15mL處C解析：NO不溶于水也不與水反應，則容器內氣體、液體體積不變，振蕩后注射器活塞不移動，故A正確；NO與氧氣和水發生反應：4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3,20mLNO完全反應需要15mL氧氣，吸入15mL空氣后，氧氣不足，NO有剩余，則15mL空氣中氧氣體積為3mL，反應消耗4mLNO，剩余16mLNO，則針筒內氣體體積為12mL＋16mL＝28mL，還有約5mL水(參加反應的水可忽略不計)，故注射器活塞停留在33mL刻度附近，反應生成HNO3的物質的量為eq\f(4×10－3,22.4)mol，所得溶液物質的量濃度約為eq\f(\f(4×10－3,22.4)mol,5×10－3L)≈0.036mol·L－1，故B正確；若將20mLNO換為NO2，發生反應：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3,20mLNO2完全反應需要5mL氧氣，則需吸入空氣約5mL÷20%＝25mL，故C錯誤；若注射器中是5mLNO和15mLNO2的混合氣體，吸入5mL水后充分振蕩注射器，NO2能與水發生反應：3NO2＋H2O=2HNO3＋NO,15mLNO2產生5mLNO，則針筒內NO氣體的體積為5mL＋5mL＝10mL，還有5mL水，故注射器活塞停留在15mL刻度附近，故D正確。7．如圖所示，向盛有3.0mLNO的試管中緩緩通入1.5mLO2(所有氣體體積均在標準狀況下測定)。請回答下列問題。(1)寫出觀察到的現象(可不寫滿，也可補充)：①____________________________________________________。②____________________________________________________。③____________________________________________________。(2)最終試管中剩余的氣體是________________________________________，其體積為。解析：NO遇O2迅速反應生成NO2：2NO＋O2=2NO2，然后NO2與水反應：3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，導致試管中的液面上升。將上述兩個反應合并可得：4NO＋2H2O＋3O2=4HNO343V(NO)1.5mL解得V(NO)＝2.0mL，故最終試管內剩余NO氣體，其體積為1.0mL。答案：(1)①試管內的無色氣體變為紅棕色②試管內液面上升③試管內剩余無色氣體(2)NO1.0mL8．NO2可以用氫氧化鈉溶液吸收，或在一定條件下用氨與其反應使之轉化為無污染的物質，發生反應的化學方程式分別是2NO2＋2NaOH=M＋NaNO3＋H2O,8NH3＋6NO2=7X＋12H2O。M、X代表的物質的化學式分別是()A．NaNO2、N2 B．HNO2、N2C．NO、HNO3 D．N2、N2A解析：根據元素化合價升降關系以及原子守恒，判斷M為NaNO2，X為N2。9．(雙選)如圖所示，試管中盛裝的氣體呈紅棕色，當倒扣在盛有水的水槽中時，試管內水面上升，但不能充滿試管，當向試管內鼓入氧氣后，可以觀察到試管中水面繼續上升，經過多次重復后，試管被水充滿，對原試管中盛裝的氣體的說法正確的是()A．可能是N2與NO2的混合氣體B．可能是NO2氣體C．可能是NO與NO2的混合氣體D．只可能是NO2一種氣體BC解析：試管中盛裝的氣體呈紅棕色，那么一定有二氧化氮存在。根據題述現象可知，原試管中盛裝的氣體的成分情況可能為①NO2、②NO2和O2(少量)、③NO2和NO等。10．(雙選)結合氮及其化合物“價—類”二維圖及氧化還原反應的基本規律，下列分析或預測正確的是()A．N2O3、N2O5均能與水反應生成酸，兩者均為酸性氧化物B．HNO3、HNO2、NaNO3、NH3的水溶液均可以導電，四者均屬于電解質C．將等體積的NO2和N2的混合氣體置于試管倒立于水槽中，充分反應后，剩余氣體的體積約為原氣體總體積的eq\f(2,3)D．硝酸具有較強的氧化性，可用稀硝酸溶解Au、Ag、CuAC解析：N2O3、N2O5均能與水反應生成酸，兩者均為酸性氧化物，故A正確；NH3與水反應生成NH3·H2O，NH3·H2O在水溶液中發生電離而導電，NH3自身不能發生電離而導電，是非電解質，故B錯誤；假設NO2和N2的體積均為1L，發生反應：3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，剩余eq\f(1,3)LNO和1LN2，則剩余氣體的體積為(eq\f(1,3)L＋1L)＝eq\f(4,3)L，剩余氣體的體積約為原氣體總體積的eq\f(\f(4,3)L,2L)＝eq\f(2,3)，故C正確；稀硝酸不能溶解Au，故D錯誤。11．某小組設計了實驗室中制備NiSO4·6H2O的裝置，實驗中除生成NiSO4外，還生成了NO2、NO和H2O，NO2與NO的物質的量之比為3∶1，下列說法不正確的是()已知：NaOH溶液中發生的反應可能有：NO＋NO2＋2NaOH=2NaNO2＋H2O,2NO2＋2NaOH=NaNO2＋NaNO3＋H2O。A．配制混酸時，將濃硫酸沿器壁緩慢倒入濃硝酸中，并不斷攪拌B．將燒瓶中反應后的溶液蒸發結晶可以獲得NiSO4·6H2O晶體C．若NaOH溶液充分吸收氣體，則本裝置不需要再進行尾氣處理D．假定NaOH恰好完全反應，NaNO2、NaNO3兩種產物的物質的量之比為3∶1，則生成2.07gNaNO2時，NaOH的理論用量為1.6gB解析：濃硫酸的密度大于濃硝酸，配制混酸時，將濃硫酸沿器壁緩慢倒入濃硝酸中，并不斷攪拌，故A正確；將燒瓶中反應后的溶液蒸發、濃縮、冷卻可以獲得NiSO4·6H2O晶體，故B錯誤；NO2與NO的物質的量之比為3∶1，根據NO＋NO2＋2NaOH=2NaNO2＋H2O、2NO2＋2NaOH=NaNO2＋NaNO3＋H2O可知，NO2與NO能被NaOH溶液完全吸收，故C正確；2.07gNaNO2的物質的量是0.03mol，NaNO2、NaNO3兩種產物的物質的量之比為3∶1，則生成0.03molNaNO2時，生成0.01molNaNO3，根據鈉元素守恒，消耗NaOH的物質的量是0.04mol，理論用量為0.04