高中化学 3.2《氮的循环》素材 鲁科版必修1

1 第第 2 2 节节 氮的循环氮的循环 1 1 氮在自然界中的循环氮在自然界中的循环 1 自然界中氮元素循环示意图 大 气 中 的 N2 动物粮食作物无 机 氮 闪 电 合 成 氨 汽 车 尾 气 根 瘤 菌 有 机 氮铵盐硝酸盐 硝化细菌 地 下 水 细 菌 2 主要形式 1 游离态 化合态 是豆科植物根部的根瘤菌 把氮气转变为硝酸盐等含氮化合物 放电条件下 与氧气结合为氮氧化合物 并随降水进入水体中 合成氨工厂 汽车发动机都可以将一部分氮气转化成化合态 2 化合态 游离态 硝酸盐在某些细菌作用下转化成氮气 3 化合态 化合态 化石燃料燃烧 森林和农作物枝叶燃烧所产生的氮氧化 合物通过大气进入陆地和海洋 进入氮循环 领悟 整合 氮是维持高等动植物生命活动的必须元素 因此 氮的循环涉及到地球上 生物圈的各个方面 人类活动也在逐渐的影响到氮循环 所以 认识氮的循环 就把我们将要学习的物质置于 氮的循环 这个大的背景下 将会更有利于同 学们掌握氮及其化合物的性质 3 氮气与氮的固定 1 氮气的物理性质 无色无味气体 难溶于水 与空气密度相近 2 氮气的化学性质 知识 链接 2 氮气属于双原子分子 两个氮原子之间的作用非常强 因此 氮气分子稳 定 化学性质不活泼 但要注意 N2一旦吸收能量变为 N 原子则性质较活泼 在高温或放电时可与某些物质反应 N 表现为既有氧化性 又有还原性 与 O2的反应 在放电条件下 氮气跟氧气能直接化合生成无色的一氧化氮 NO 反应 式为 N2 O2 2NO 说明 在雷雨天气 汽车的发动机中均可以发生该反应 在该反应中 N2 表现出还原性 与 H2反应 N2 3H22NH3 高温 高压 催化剂 说明 a 该反应是工业上合成氨的反应原理 具有非常重要的现实意义 在该反应中 N2表现出氧化性 b 在氮气跟氢气反应生成氨的同时 氨气也在分解生成氮和氢气 像这样同 时向正反两个方向进行的反应称为可逆反应 在可逆反应的化学方程式中用 代替 3 氮的固定 定义 将空气中游离的氮转变成氮的化合物的方法叫做氮的固定 分类 3 NO 和 NO2 氮的固定 自然固氮 人工固氮 高能固氮 闪电 约占 10 生物固氮 约占 90 合成氨 仿生固氮 3 物质NONO2 颜色无色红棕色 毒性剧毒剧毒 溶解性不溶解与水反应 气味无味刺激性气味 转化 2NO O2 2NO2 3NO2 H2O 2HNO3 NO 联想 发散 氮的氧化物以及与氧气混合后溶于水的情况分析 NO2或 NO2与 N2 非 O2 的混合气体溶于水时 可根据反应 3NO2 H2O 2HNO3 NO 利用气体体积的变化差值进行计算 NO2和 O2的混合气体溶于水时 根据反应 4NO2 O2 2H2O 4HNO3 当 V NO2 V O2 4 1 时 恰好反应 无剩余气体 当 V NO2 V O2 4 1 时 剩余氧气 当 V NO2 V O2 4 1 时 NO2过量 剩余气体为 NO 且体积为过量 NO2体 积的 1 3 NO 和 O2同时通入水中时 此时的反应为 4NO 3O2 2H2O 4HNO3 当 V NO V O2 4 3 时 恰好反应 无剩余气体 当 V NO2 V O2 4 3 时 剩余氧气 当 V NO2 V O2 4 3 时 剩余 NO 2 2 氨与铵态氮肥氨与铵态氮肥 1 氨 1 物理性质 无色 有刺激性气味比空气轻 极易溶于水 在常温 常压下 1 体积水能 溶解约 700 体积氨气 2 化学性质 碱性 氨与水 酸反应时显碱性 4 与水反应 NH3 H2O NH3 H2ONH4 OH 与酸反应 NH3 HCl NH4Cl 说明 a 氨溶于水 大部分与水结合成一水合氨 NH3 H2O 一水合氨少 部分电离 因此 氨水显弱碱性 氨气是中学阶段唯一的一种碱性气体 利用 这一点 可以检验 NH3 b NH3与其它酸也能反应生成相应的铵盐 其中 NH3与盐酸这样的易挥发 性酸反应时会有白烟 铵盐固体的小颗粒 生成 利用这个现象 在某些场合 也可以检验 NH3 还原性 氨的催化氧化反应 4NH3 5O2 催化剂 4NO 6H2O 说明 a 该反应是工业上生产硝酸的一个基础反应 b NH3中的氮元素的价态为 3 价 因此 NH3不仅能被催化氧化生成 NO 在 纯氧中燃烧能生成 N2 在一定条件下 NH3还能被 Cl2 CuO 等氧化 辨析 比较 液氨和氨水 液氨是氨气加压或降温得到的液态氨 是纯净物 即液氨由氨分子组成的 液体 氨水的主要成分是 NH3 H2O 在氨水中以分子状态存在的粒子有 NH3 H2O NH3 H2O 以离子状态存在的粒子主要有 NH4 H OH 极少 量的是 H 所以氨水是混合物 2 铵盐 观察 思考 操作现象结论 将氯化铵固体在试管中加 热 在试管上端内壁上有白色 固体附着 受热时 氯化铵分解 生 成氨气和氯化氢 冷却时 两者又重新结合 生成氯 化铵 将碳酸氢铵固体在试管中澄清石灰水变浑浊碳酸氢铵分解 生成了 5 加热 将生成的气体通入 澄清石灰水中 CO2 在试管中加入少量氯化铵 固体 再滴加适量稀氢氧 化钠溶液 加热 并将湿 润的红色石蕊试纸贴在玻 璃棒上靠近试管 加热后试管中有气体产生 并可闻到刺激性的气味 同时还看到 湿润的红色 石蕊试纸变蓝 产生了氨气 根据以上的观察与思考 我们可以铵盐具有以下性质 1 铵盐受热分解 NH4ClNH3 HCl NH4HCO3NH3 CO2 H2O 2 铵盐与碱反应 NH4Cl NaOHNaCl NH3 H2O NH4 2SO4 Ca OH 2CaSO4 2NH3 2H2O 梳理 总结 由铵离子和酸根离子构成的化合物叫铵盐 所有的铵盐都是晶体 都能溶 于水 受热均易发生分解 分解产物一般为 NH3和相应的酸 或酸的分解产物 但也有例外 例如 5NH4NO34N2 2HNO3 9H2O 且 NH4NO3在不同温度条 件下分解产物不同 铵盐与碱共热都能产生氨气 这是铵盐的共同性质 因此 铵态氮肥不宜和碱性物质混合施用 同时 利用这个性质可以检验铵离子 也 可以在实验室中制备氨气 3 氨的实验室制取 药品 NH4Cl 消石灰 反应原理 2NH4Cl Ca OH 2CaCl2 2NH3 2H2O 装置 与制氧气相同 收集 向下排空气法 验满 用湿润的红色石蕊试纸或沾有浓盐酸的玻璃棒 防止多余氨气污染 空气的方法 收集 NH3后的导管口处塞一团湿棉花或用稀 H2SO4浸湿的棉花 6 干燥 NH3通过盛有碱石灰的干燥管 实验室制取氨的其它方法 加热浓氨水 氧化钙与浓氨水反应等 3 3 硝酸及其应用硝酸及其应用 温故 知新 硝酸具有酸的通性 使指示剂变色 例如 稀 HNO3使紫色石蕊溶液变红 与碱反应 如 HNO3 NaOH NaNO3 H2O 与碱性氧化物反应 如 2HNO3 CaO Ca NO3 2 2H2O 与弱酸盐反应 如 2HNO3 Na2CO3 2NaNO3 CO2 H2O 与金属反应 由于硝酸具有强氧化性 因此 与酸反应时一般不产生 H2 硝酸除了具有酸的通性以外 还具有以下特性 1 硝酸的物理性质 无色 易挥发 有刺激性气味 易挥发 密度大于水 2 硝酸的不稳定性 硝酸见光或受热易分解 4HNO34NO2 O2 2H2O 光或热 说明 硝酸越浓 越容易分解 长期存放的浓 HNO3呈黄色 这是由于 HNO3分解产生的 NO2溶于硝酸的缘故 也正因为硝酸见光或受热易分解 一 般将它保存在棕色瓶里 放置在阴凉处 3 硝酸的强氧化性 硝酸具有强的氧化性 是因为硝酸分子里氮呈 5 价 1 与金属反应 HNO3几乎能与所有的金属 除金 铂 钛以外 发生 氧化还原反应 Cu 4HNO3 浓 Cu NO3 2 2NO2 2H2O 3Cu 8HNO3 稀 3Cu NO3 2 2NO 4H2O 说明 硝酸与不活泼金属反应时 浓硝酸生成 NO2 稀硝酸生成 NO 交流 研讨 常温下为什么可以用铝槽车或铁罐运输浓硝酸 铝 铁等金属可以在冷的浓硝酸中发生钝化现象 浓 HNO3会把铝或铁的 7 表面氧化 形成一层薄而致密的氧化膜 阻止了反应的进一步发生 遇热时 该氧化膜会被破坏 因此常温下铝 铁制品可以盛放冷的浓 HNO3 铜与浓 HNO3反应时 放出 NO2气体 与稀 HNO3反应时 放出 NO 气体 能否由此说明稀 HNO3比浓 HNO3的氧化能力更强 硝酸与金属反应时 硝酸被还原的程度取决于硝酸的浓度和还原剂的强弱 对于同一种还原剂来说 硝酸越稀被还原的程度越大 因为当 HNO3的浓度在 8 mol L 1以上时 HNO3氧化性很强 在此过程中生成氮的低价氧化物在强的氧 化气氛中不能存在 继续被氧化成高价的氮的氧化物 所以产物为 NO2 当硝 酸较稀时 它的氧化性较弱 氮的低价氧化物也能够存在 所以主要产物是 NO 浓 HNO3与 Cu 反应放出 NO2气体要比稀 HNO3与 Cu 反应放出 NO 气体剧 烈的多 所以浓 HNO3氧化能力比稀 HNO3氧化能力更强 知识 链接 王水 浓 HNO3和浓盐酸的混合物 体积比 1 3 叫王水 它的氧化能力 比硝酸更强 能够使一些不溶于硝酸的金属如金 铂等溶解 2 与非金属反应 硝酸能与许多非金属及某些有机物发生氧化还原反应 C 4HNO3 浓 CO2 4NO2 2H2O 辨析 比较 氧化性酸和酸的氧化性概念辨析 酸的氧化性 实质上指氢离子的氧化性 任何酸都有不同程度电离出 H 的 能力 H 在一定条件下获得电子生成 H2 因此在某些反应中酸作氧化剂其实质 上是 H 作氧化剂如 锌与盐酸或稀 H2SO4的反应 都可以用 Zn 2H Zn2 H2 离子方程式表示此类反应的实质 氧化性酸 是酸根离子中心原子获得电子的能力 酸根离子获得电子后 中心原子化合价降低 形成相应的低价含氧化合物甚至是单质 如浓 H2SO4与 Cu 反应 Cu 2H2SO4 浓 CuSO4 SO2 2H2O 浓 H2SO4与木炭反应 C 2H2SO4 浓 CO2 2SO2 2H2O 硝酸与锌反应 4Zn 10HNO3 稀 4Zn NO3 2 N2O 5H2O 5Zn 12HNO3 很稀