5.2.1氮气和氮的氧化物-高一化学讲与练（人教版2019）

第五章化工生产中的重要非金属元素第二节氮及其化合物第1课时氮气和氮的氧化物[学习目标]1.能从分子结构的角度认识氮气的化学稳定性，熟知氮气与镁、氧气、氢气的化学反应及其条件，了解氮的固定和自然界中氮的循环。2.能从物质类别和氮元素的化合价认识氮氧化物的性质与转化。[核心知识梳理]一、氮气与氮的固定1．氮元素的位置、结构与存在（1）氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族。氮原子的最外电子层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。因此，氮原子一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。（2）氮元素在自然界中主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。2．氮气的物理性质N2是一种无色、无味的气体，ρ(N2)＜ρ(空气)，难溶于水。3．氮气的结构与化学性质（1）N2的结构：N2的结构式为N≡N，氮氮键很难断裂，化学性质很稳定。（2）化学性质N2在高温、放电等条件下，N2获得足够的能量，使N≡N断裂。写出N2与Mg、H2、O2反应的化学方程式。①3Mg＋N2eq\o(=,\s\up9(点燃))Mg3N2；②N2＋3H2eq\o(,\s\up10(高温、高压),\s\do4(催化剂))2NH3；③N2＋O2eq\o(=,\s\up9(高温或放电))2NO。4．氮的固定：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。（1）自然固氮：大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为含氮的化合物，或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成氨。（2）人工固氮：人类通过控制条件，将氮气氧化或还原为氮的化合物，最重要的人工固氮途径就是工业合成氨。二、一氧化氮与二氧化氮1．一氧化氮是无色、不溶于水的有毒气体，常温下很容易与氧气化合，化学方程式为2NO＋O2=2NO2。2．二氧化氮是红棕色、有刺激性气味的有毒气体，易液化，易溶于水，与水反应的化学方程式为3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，工业上利用这一原理生产硝酸。【知识拓展】(1)实验室里收集NO气体是用排水集气法而不能用排空气法。(2)检验NO气体的方法是向气体中通入O2(或空气)，气体由无色变为红棕色。(3)氮的氧化物都是大气污染物，NO2是造成光化学烟雾的主要物质，实验中产生的NO2尾气可用NaOH溶液吸收，发生反应：2NaOH＋2NO2=NaNO2＋NaNO3＋H2O。(4)氮的氧化物中属于酸性氧化物的只有N2O3、N2O5；N2O、NO、NO2、N2O4都是不成盐氧化物，不是酸性氧化物。(5)NO2和N2O4是两种不同的氧化物，通常情况下，NO2能进行自身二聚：2NO2(红棕色)N2O4(无色)，故NO2中总混有N2O4。三、氮的氧化物与水反应的计算规律1．NO2单独溶于水(按反应3NO2＋H2O=2HNO3＋NO计算)剩余气体是NO，V(NO)＝eq\f(1,3)V(NO2)。2．NO2与O2的混合气体溶于水(按反应4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3计算)eq\f(VNO2,VO2)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(<4∶1O2过量，剩余O2，,V余＝VO2－\f(1,4)VNO2,＝4∶1恰好完全反应，无剩余气体,>4∶1NO2过量，剩余NO，V余＝,\f(1,3)[VNO2－4VO2]))3．NO与O2的混合气体溶于水(按反应4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3计算)eq\f(VNO,VO2)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(<\f(4,3)O2过量，剩余O2，,V余＝VO2－\f(3,4)VNO,＝\f(4,3)恰好完全反应，无剩余气体,>\f(4,3)NO过量，剩余NO，,V余＝VNO－\f(4,3)VO2))[典例分析][典例1]下列关于氮元素说法中，不正确的是A．工业上氢气和氮气合成氨属于人工固氮B．非金属单质氮气在化学反应中只能作氧化剂C．氮元素在自然界有游离态和化合态D．闪电时，大气中氮的氧化物的生成属于氮的固定【答案】B【详解】A．氮的固定是指游离态氮转化为化合态氮的过程，工业上氢气和氮气合成氨属于人工固氮，选项A正确；B．非金属单质氮气在化学反应中能作氧化剂，也能作还原剂，如氮气与氧气反应中，氮气作还原剂，选项B错误；C．氮元素在自然界有游离态(氮气)和化合态(铵态氮和硝态氮等)，选项C正确；D．闪电时，大气中氮气转化为氮的氧化物属于氮的固定，选项D正确；答案选B。[典例2]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．NO2可由N2和O2直接化合得到D．从元素化合价角度看，NO只有还原性【答案】A【详解】A．与水发生反应：，氮元素由+4价变为+5价和+2价，则既是氧化剂又是还原剂，A项正确；B．NO易与反应生成，不能用排空气法收集，只能采用排水法收集NO，B项错误；C．和在高温或放电条件下反应生成NO，不能直接得到，C项错误；D．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项错误；故选A。[典例3]下图是自然界中的氮循环过程，下列有关叙述错误的是A．反应①、②及工业合成氨均属于氮的固定B．反应③的反应方程式为C．反应④中，生成，至少需要提供D．过程中参与循环的元素有氮元素，还有氢和氧元素【答案】C【详解】A．氮的固定是游离态氮元素转化为化合态氮元素的过程，反应①、②及工业合成氨都是游离态氮元素转化为化合态氮元素的过程，均属于氮的固定，故A正确；B．由图可知，反应③为一氧化氮与氧气和水反应生成硝酸，反应的化学方程式为，故B正确；C．由图可知，反应④为在硝化细菌作用下氨气与氧气反应生成硝酸根离子的反应，由得失电子数目守恒可知，生成1mol硝酸根离子需要提供氧气的物质的量为1mol×2=2mol，故C错误；D．由图可知，自然界中的氮循环过程中参与循环的元素有氮元素，还有氢和氧元素，故D正确；故选C。[典例4]某化学研究小组设计利用硝酸工业尾气(只含NO、NO2)制备亚硝酸钠(NaNO2)的工艺流程如下。已知：。下列说法错误的是A．NO2为非电解质B．用硝酸尾气制备的NaNO2中可能含有NaNO3C．尾气中NO2的含量越高，NaNO2的纯度越高D．标准状态下，aL的硝酸尾气用NaOH溶液完全吸收，至少消耗a/22.4molNaOH【答案】C【详解】A．NO2在水溶液中不能因自身发生电离而导电，因此属于非电解质，A项正确；B．根据已知反应方程式，若过量，和NaOH溶液反应生成、和，则中可能含有，B项正确；C．根据B项分析，尾气中的含量升高，会生成更多的，的纯度会降低，C项错误；D．若标准状态下硝酸为气态，aL的硝酸尾气的物质的量为，则用NaOH溶液完全吸收，消耗NaOH，但标准状态下硝酸为液态，aL硝酸的物质的量大于，所以消耗NaOH的物质的量至少为，D项正确；故选C。[典例5]有一倒置于水槽且装满水的容器，向其中依次通入一定体积的NO2、NO和O2，充分反应后，若容器中仍充满溶液，则通入的NO2、NO和O2的体积比可能是A．1∶1∶2 B．4∶3∶2C．4∶16∶13 D．4∶3∶4【答案】C【分析】反应后容器中仍充满溶液，说明没有气体剩余，根据反应：4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3、4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3进行判断。【详解】A．若NO2为1体积，NO为1体积，则消耗=1体积O2，故NO2、NO和O2的体积比为1∶1∶1，A项不符合题意；B．若NO2为4体积，NO为3体积，则消耗体积O2，故NO2、NO和O2的体积比为4∶3∶，B项不符合题意；C．若NO2为4体积，NO为16体积，则消耗=13体积O2，故NO2、NO和O2的体积比为4∶16∶13，C项符合题意；D．若NO2为4体积，NO为3体积，则消耗=体积O2，故NO2、NO和O2的体积比为4∶3∶，D项不符合题意；故选C。[同步练习]一、单选题1．下列变化过程属于氮的固定的是A．由NH3制碳酸氢铵B．生物从土壤中吸收含氮养料C．将含氮化合物转变为植物蛋白质D．雷电时，空气中的N2与O2反应生成NO【答案】D【详解】A．由NH3制碳酸氢铵，是氮的化合态之间的转化，不属于氮的固定，故A错误；B．生物从土壤中吸收含氮养料，是氮的化合态之间的转化，不属于氮的固定，故B错误；C．将含氮化合物转变为植物蛋白质，是氮的化合态之间的转化，不属于氮的固定，故C错误；D．雷雨闪电时空气中的N2与O2化合生成NO，是将游离态的氮转化为化合态的氮的过程，属于氮的固定，故D正确；故选D。2．下列关于NO2的说法中，正确的是A．常温常压下为无色气体B．NO可与O2反应生成NO2C．密度比空气小D．能用排水法收集【答案】B【详解】常温常压下NO2为红棕色气体，密度比空气大，易溶于水，不能用排水法收集，排除A、C、D；NO可与O2反应生成NO2，B正确。故选B。3．下列关于氮及其化合物说法错误的是A．NO为无色气体，为红棕色气体B．工业上，氮气常用作焊接金属的保护气C．该转化过程通过一步反应就能完成，且必须加入还原剂D．氮氧化物()不仅会形成酸雨，还可能形成光化学烟雾【答案】C【详解】A．NO为无色气体，为红棕色气体，故A正确；B．氮气性质稳定，故可做焊接金属的保护气，故B正确；C．NO2和水反应生成NO，方程式为，此反应中NO2既作氧化剂又做还原剂，故C错误；D．氮氧化物()不仅会形成酸雨，还可能形成光化学烟雾，故D正确；故选C。4．下列关于N2的说法中错误的是A．豆科植物的根瘤菌将N2转换为氮的化合物不属于氮的固定B．N2+O2=2NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要原因之一C．N2在空气中约占空气总体积的78%D．在反应：3Mg+N2=Mg3N2中N2作氧化剂【答案】A【详解】A．豆科植物的根瘤菌将空气中的氮转化为化合态的氮，N是游离态氮元素变化为化合态，A错误；B．汽车中的火花塞在打火过程中能引发氮气和氧气反应生成NO，产生的NO会导致空气污染，B正确；C．氧气约占空气体积的21%，氮气约占空气体积的78%，C正确；D．在反应：3Mg+N2=Mg3N2中，氮由0价变为3价，氮气是氧化剂，D正确；故选A。5．下图是氮元素的转化示意图：下列说法错误的是A．反应①是自然界中的氮的固定B．反应②的现象是气体由无色变红棕色C．反应③中氧化剂与还原剂的物质的量之比是1∶2D．X的浓溶液与铁不能发生反应【答案】D【详解】A．反应①是氮气和氧气在放电条件下生成NO，属于自然界中的氮的固定，故A正确；B．NO是无色气体、NO2是红棕色气体，反应②的现象是气体由无色变红棕色，故B正确；C．反应③的方程式为H2O+3NO2=2HNO3+NO，NO2中N元素化合价由+4升高为+5、由+4降低为+2，NO2既是氧化剂又是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比是1：2，故C正确；D．硝酸与铁发生钝化反应，钝化是化学变化，故D错误；故选D。6．氮氧化物是很重要的一类化合物，在生产生活中有重要应用，但排放时会对环境产生危害。下列有关氮氧化物的描述中错误的是A．可利用反应除去汽车尾气中的氮氧化物B．可与水反应，是酸性氧化物；不溶于水，不是酸性氧化物C．的排放会形成硝酸型酸雨，对环境产生危害D．将、或液化收集的过程都不属于氮的固定【答案】B【详解】A．CO和氮氧化物在催化剂作用下生成无污染的二氧化碳和氮气，可利用反应除去汽车尾气中的氮氧化物，故A正确；B．可与水反应生成硝酸和NO，不是酸性氧化物，故B错误；C．的排放会形成硝酸型酸雨，对环境产生危害，故C正确；D．氮的固定是N元素由游离态转化为化合态，将、或液化收集的过程都不属于氦的固定，故D正确；选B。7．下列关于氮及其化合物的说法正确的是A．化学性质稳定，可用作保护气B．、均为大气污染气体，在大气中可稳定存在C．、均无色气体D．、均能与水发生反应【答案】A【详解】A．化学性质稳定，难与其他物质反应，可用作保护气，故A正确；B．能与氧气反应生成NO2，NO不能在大气中可稳定存在，故B错误；C．是红棕色气体，故C错误；D．和水不反应，与水发生反应生成硝酸和NO，故D错误；选A。8．在标准状况下，将O2与NO按3∶4的体积比充满一个干燥烧瓶倒置于水中，瓶内液面逐渐上升后，最后烧瓶内溶液的物质的量浓度最接近于A．0.045mol/L B．0.036mol/L C．0.026mol/L D．0.02mol/L【答案】C【详解】设O2为3V，NO为4V，根据2NO+O2=2NO2，烧瓶内实际存在的是4VNO2和1VO2与水作用，反应为：4NO2+O2+2H2O=4HNO3，恰好完全反应，无气体剩余，由N元素守恒可知，n(HNO3)=，c(HNO3)=；故选C。9．下列有关氮气的说法正确的是A．氮气是由氮原子构成的双原子分子，所以化学性质不活泼B．医学上常用液氮作冷冻剂，在冷冻麻醉条件下做手术，是利用氮气化学性质的不活泼性C．H2与N2在一定条件下反应生成NH3，反应中H2体现还原性D．电闪雷鸣的雨天，雨水中会含有一定量的硝酸，其中可能发生的反应有N2+2O22NO2【答案】C【详解】A．氮气性质稳定的原因是两个氮原子之间的作用力比较强，破坏这种作用力时需要很高的能量，A错误；B．液氮汽化时需要吸收大量的能量，使周围环境温度降低，与其化学性质的不活泼性无关，B错误；C．反应的化学方程式为，反应中氢元素化合价升高，氢气作还原剂，C正确；D．N2和O2在放电条件下生成NO，不能直接生成NO2，D错误；故选C10．将盛有NO2和N2混合气体的试管倒立于水中，经过足够长的时间后，试管内气体体积缩小为原体积的一半，原混合气体中N2与NO2的体积比为A．1：1 B．1：2 C．1：3 D．3：1【答案】C【详解】设原混合气体中含有xmolN2，ymolNO2，盛有N2和NO2的混合气体的试管倒立于水中发生反应3NO2+H2O=2HNO3+NO，则有，反应后试管内气体物质的量为mol，则有(x+y)=2，解得x：y=1：3，故答案选C。11．在NO2与水的反应中，下列说法错误的是A．H2O中各元素的化合价不发生变化B．反应生成的气体在空气中能稳定存在C．3molNO2完全反应转移电子的物质的量为2molD．NO2既是氧化剂，又是还原剂【答案】B【分析】NO2与水反应的化学方程式为3NO2+H2O=2HNO3+NO，据此分析解答。【详解】A．H2O中H、O元素的化合价反应前后没有发生变化，A正确；B．反应生成的NO立即会和空气中的氧气反应生成NO2，因而不能稳定存在，B错误；C．3molNO2完全反应转移2mol电子，C正确；D．NO2中+4价N元素，部分化合价升高到+5价，部分降低到+2价，则NO2既是氧化剂，又是还原剂，D正确；故选B。12．NO分子会污染空气。近年来，科学家发现少量的NO在生物体内许多组织中存在，它有扩张血管、提高免疫、增强记忆力的功能，而成为当前生命科学的研究热点。下列关于一氧化氮的叙述正确的是A．一氧化氮是酸性氧化物，会形成酸雨B．常温、常压下，一氧化氮只能通过人工合成C．一氧化氮为无色气体，在与O2反应中体现还原性D．一氧化氮易溶于水，不能用排水法收集【答案】C【详解】A．能和碱反应生成盐和水的氧化物是酸性氧化物，一氧化氮和碱不反应，所以是不成盐氧化物，A错误；B．电闪雷鸣的雨天，N2和O2在放电条件下生成NO，N2+O22NO，B错误；C．一氧化氮是一种无色气体，具有还原性能被氧气等氧化剂氧化，氧化后产生二氧化氮，C正确；D．一氧化氮是一种无色、难溶于水的气体，在空气中易被氧化成红棕色的二氧化氮，故一氧化氮能用排水法收集，不能用排空气法收集，D错误；故选C。13．用NaOH溶液吸收处理氮氧化物，主要反应为：、，下列说法正确的是A．NO和均属于电解质B．和既有氧化性又有还原性C．和中N的化合价相同D．时，NO和能被NaOH溶液完全吸收【答案】B【详解】A．NO、自身不能电离，均属于非电解质，故A错误；B．S元素的最高价为+6、最低价为2，中S元素化合价为+4，S元素化合价既可以升高又可以降低；N元素的最高价为+5、最低价为3，中N元素化合价为+4，N元素化合价既可以升高又可以降低；所以、既有氧化性又有还原性，故B正确；C．中N元素化合价为+3，中N的化合价为+5，故C错误；D．根据、，时，NO不能完全被NaOH溶液吸收，故D错误；选B。二、填空题14．氮是大气中含量最多的一种元素，氮及其化合物在生产、生活中有着重要作用。请回答：(1)下列变化属于“氮的固定”的是(填字母)。a．植物从土壤中吸收氮肥

b．硝酸和氨气反应生成氮肥c．将空气中的氮气转变为氮的化合物

d．大豆的根瘤菌将含氮的化合物转变为植物蛋白质(2)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：。(3)工业尾气中氮的氧化物常采用碱液吸收法处理。①NO2被烧碱溶液吸收时，生成两种钠盐，其物质的量之比为1∶1，写出该反应的化学方程式：。②NO与NO2按物质的量之比为1∶1被足量NaOH溶液完全吸收后只得到一种钠盐，该钠盐的化学式是。【答案】(1)c(2)2NO+2CO=N2+2CO2(3)2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2ONaNO2【详解】（1）游离态氮元素转化为