学案氮的固定

6/6氮的固定【学习目标】1．能依据氮分子的微观结构预测其化学性质。2．认识人工固氮的化学原理和社会价值。3．体会化学科学在解决人类社会面临的粮食危机中所发挥的重要作用。【学习重难点】1．能依据氮分子的微观结构预测其化学性质。2．认识人工固氮的化学原理和社会价值。【学习过程】一、【知识梳理】（一）氮分子的结构1．物理性质色态气味密度溶解性毒性无色气体无味比空气的略小难溶无毒2．结构与化学性质（1）氮气分子是由两个氮原子通过共用三对电子结合而成的，氮气分子的电子式：∶N⋮⋮N∶，结构式为N≡N。（2）破坏氮气分子中氮原子之间的共价键需要很大的能量，所以氮气分子很稳定。但在高温或放电等特殊条件下，也能与一些金属或非金属单质发生反应，生成含氮化合物。（二）自然固氮1．氮的固定将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫作氮的固定，简称固氮。自然固氮生物固氮：自然界中的一些微生物种群将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物，约占自然固氮的90%高能固氮：通过闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物，约占自然固氮的10%2．高能固氮的实例——“雷雨发庄稼”（1）利用化学方程式解释“雷雨发庄稼”的原理：N2＋O2eq\o(=,\s\up10(放电))2NO、2NO＋O2=2NO2．3NO2＋H2O=2HNO3＋NO。雨水中的硝酸渗入土壤后与矿物质作用生成硝酸盐，其中的硝酸根离子被植物的根系吸收，转化为植物生长所需的养料。（2）一氧化氮和二氧化氮的性质①物理性质：颜色状态气味毒性水溶性NO无色气态无味有毒微溶NO2红棕色气态刺激性气味有毒易溶②危害：大气中NO和NO2达到一定浓度时都会对人体造成伤害，能引发上呼吸道及肺部疾病。③应用：一氧化氮在调节心脑血管、神经和免疫系统等方面有着十分重要的生物学作用和医学前景，受到人们的普遍重视。二氧化氮在火箭燃料中用作氧化剂，在工业上可以用来制造硝酸。（三）人工固氮——合成氨1．合成氨的反应原理（用化学方程式表示）：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）ΔH＝－92．4kJ·mol－1．2．工业操作流程合成氨的原料是氮气和氢气，在较高温度下将混合气体加压后送到合成塔中进行反应。该反应放出大量的热，工业上往往用来预热原料气，以达到反应所需的温度，节约能源。合成氨达到平衡时，混合气体中氨的含量为20%左右，从中分离出氨后，将未反应的氮气、氢气送回合成塔循环使用。3．合成氨的意义为植物生长提供足够的氮肥，有效帮助解决粮食短缺问题。二、初试身手（一）自主诊断1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）（1）豆科植物通过根瘤菌吸收空气中的氮属于氮的固定，是化学变化。 （√）（2）汽车尾气中的氮氧化合物是由游离态氮转化来的。 （√）（3）氮元素有负化合价、正化合价和零价，因而常温下，N2既能与氧气反应，又能与H2反应。 （×）（4）在实验室里，NO和NO2均用排水法收集。 （×）2．最新的病毒学研究证实，一氧化氮对SARS病毒有直接抑制作用。下列关于一氧化氮的叙述正确的是（）A．一氧化氮是一种红棕色气体B．常温常压下，一氧化氮不能与空气中的氧气直接化合C．一氧化氮可由氮气和氧气在放电条件下直接化合得到D．一氧化氮易溶于水，不能用排水法收集C【NO是一种无色微溶于水的气体，可以用排水法收集；常温常压下，NO容易与氧气直接化合生成NO2．】3．俗话说，“雷雨发庄稼”。这说明雷雨中含有能被植物吸收利用的化合态的氮。请写出三个有关的化学方程式：（1）___________________________________________________；（2）___________________________________________________；（3）___________________________________________________。【答案】（1）N2＋O2eq\o(=,\s\up10(放电))2NO（2）2NO＋O2=2NO2（3）3NO2＋H2O=2HNO3＋NO（二）合作探究1．下列关于氮气的说法中错误的是（）A．通常情况下N2性质很稳定，所以N2可以在电焊时作保护气B．N2＋O2eq\o(=,\s\up10(高温))2NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要因素之一C．N2在空气中约占的质量比为eq\f(4,5)D．在反应3Mg＋N2eq\o(=,\s\up10(高温))Mg3N2中，N2作氧化剂C【N2很稳定，常用作保护气；但在高温下N2与O2产生的NO易被氧化为NO2，故汽车尾气会造成环境污染；N2在空气中的体积含量约为4/5；N2与金属、H2反应时作氧化剂。】2．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C，通入一段时间空气后再加热DD．装置E中碱石灰的作用是吸收尾气C【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，A错误；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，B错误；实验时应先加热C，通入一段时间空气除去氧气，然后再加热D，C正确；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，D错误。】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，试管完全被水充满。原来试管中盛装的（）A．可能是N2与NO2的混合气体B．可能是O2与NO2的混合气体C．不可能是NO与NO2的混合气体D．只能是NO2一种气体B【若是N2与NO2的混合气体，无论鼓入多少氧气，最后都有N2剩余，试管内不可能完全被水充满；若是O2与NO2的混合气体，由4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，可知，当eq\f(nNO2,nO2)＞4时，NO2有剩余，剩余的NO2和水反应产生NO，故试管内水面上升，但不能充满试管，当向试管内不断鼓入氧气后，4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3，故试管能被水充满；若是NO与NO2的混合气体，开始时，3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，气体体积减小，但有NO剩余，当向试管内不断鼓入适量的氧气后，4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3，试管内的气体完全被水吸收。】4．在一定条件下，将NO2和O2的混合气体12mL通入足量水中，充分反应后剩余2mL气体（同温同压下），则原混合气体中氧气的体积为（）①1．2mL②2．4mL③3mL④4mLA．①② B．②③C．③④ D．①④D【首先分析剩余的2mL气体有两种可能。若剩余的2mL气体是O2，则V（NO2）＝eq\f(4,5)×（12－2）mL＝8mL，则混合气中的V（O2）＝12mL－8mL＝4mL。若剩余的2mL气体是NO，则混合气中的V（O2）＝（12mL－2mL×3）×eq\f(1,5)＝1．2mL，D项正确。】【精炼反馈】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C【N2性质稳定，但放电、高温等条件下可与O2等物质发生反应，在反应中表现出还原性或氧化性；氮气比空气轻且不溶于水并不是N2能大量存在于空气中的根本原因；N2能大量存在于空气中的根本原因是氮气分子中两个氮原子结合很牢固，分子结构稳定。】2．下列反应属于氮的固定的是（）①N2和H2在一定条件下合成NH3②NO2和H2O反应生成HNO3和NO③Mg在N2中燃烧生成Mg3N2④NO被空气氧化为NO2A．①② B．②③C．①③ D．①④C【氮的固定是将游离态的氮转化为化合态的氮。】3．下列关于氮的氧化物的说法中正确的是（）A．氮的氧化物都是酸性氧化物B．氮的氧化物都既有氧化性，又有还原性C．NO2与H2O反应生成HNO3，所以NO2是酸性氧化物D．NO和NO2均有毒性，都属于大气污染物D【NO、NO2等不是酸性氧化物，A错；最高价氧化物N2O5中氮元素显＋5价，处于氮元素的最高价态，只有氧化性，B错；尽管NO2与H2O反应生成HNO3，但N的价态发生了变化，故NO2不是酸性氧化物，C错；一氧化氮和二氧化氮都有毒，易引起环境污染，D对。】4．按如图所示进行实验。试管中装有12mLNO，然后间歇而又缓慢地通入8mLO2，下列是有关最终状态的描述：①试管内气体呈红棕色②试管内气体呈无色③试管内液面不变④试管内液面上升⑤试管内气体是O2⑥试管内气体是NO。其中正确的是（）A．①③ B．②④⑤C．②④⑥ D．②③⑤C【根据4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3可得，剩余气体应为NO，体积为eq\f(4,3)mL，试管内液面上升。】5．氮氧化物进入大气后，不仅会形成硝酸型酸雨，还可能形成光化学烟雾，因此必须对含有氮氧化物的废气进行处理。（1）氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物，反应的化学方程式如下：NO2＋NO＋2NaOH=2NaNO2＋H2O ①2NO2＋2NaOH=NaNO2＋NaNO3＋H2O ②在反应①中，氧化剂是________，还原剂是________。在反