鲁科版必修第一册第三章第三节第1课时自然界中的氮循环学案

【标题】第三节氮的循环第1课时自然界中的氮循环目标展示有的放矢今日头条1．自然界中氮的循环N2⇨雷电根瘤菌⇨NH3⇔植物2．氮的固定是将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程，分为自然固氮（高能固氮、生物固氮）、人工固氮（合成氨、仿生固氮）。3．氮气的化学性质不活泼，N2＋O22NO，N2＋3H22NH3。4．NO为无色无味气体，难溶于水，2NO＋O22NO2。NO2为红棕色有刺激性气体，易溶于水并与水反应：3NO2＋H2O2HNO3＋NO。预习新知自主学习一、自然界中的氮循环1．氮元素在自然界中的存在形式：游离态和化合态。2．自然界中氮的循环3．人类活动的影响（1）氮气氨气→氮肥、硝酸等含氮化合物。（2）燃烧反应产生的氮氧化物参与氮的循环。二、氮循环中物质的性质及物质之间的转化1．氮的固定（1）定义：将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。（2）分类氮的固定微点拨：（1）含氮化合物之间的转化不属于氮的固定。（2）固氮反应一定属于氧化还原反应。2．氮气（1）物理性质颜色状态气味密度溶解性无色气体无味与空气接近难溶于水（2）化学性质氮气的化学性质不活泼，通常很难与其他物质发生反应。①还原性：与O2反应产生NO，反应的化学方程式为N2＋O22NO。②氧化性：与H2反应生成NH3，反应的化学方程式为N2＋3H22NH3。微点拨：氮分子中两个氮原子之间存在很强的作用力，故N2性质很稳定，化学反应的条件也比较苛刻。3．一氧化氮和二氧化氮（1）物理性质物质颜色气味密度水溶性毒性NO无色无味和空气接近难溶于水有毒NO2红棕色刺激性大于空气易溶于水有毒（2）相互转化①NO→NO2：2NO＋O22NO2。②NO2→NO：3NO2＋H2O2HNO3＋NO。微点拨：NO和NO2的收集方法①NO的收集：排水法。②NO2的收集：向上排空气法。1．判断正误（对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”）（1）化合态的氮元素只显一种价态。（）（2）N2在通常状况下与O2反应生成NO2。（）（3）合成氨反应属于自然固氮中的高能固氮。（）（4）NO在空气中易转化为红棕色NO2。（）（5）NO2与H2O的反应，NO2只作氧化剂。（）【答案】（1）×（2）×（3）×（4）√（5）×2．思考题（1）在自然界中，大豆、蚕豆等豆科植物不施氮肥，仍能表现出良好的长势，其原因是什么？【答案】大豆、蚕豆等豆科植物根部的根瘤菌能把空气中的氮气转变为硝酸盐等含氮的化合物，植物的根从土壤中吸收NH4+（2）将1molN2、3molH2充入密闭容器中，在一定条件下反应，能否得到2molNH3？原因是什么？【答案】不能。因为合成氨的反应是可逆反应，不能完全进行到底。（3）某山谷经常电闪雷鸣、雷雨交加，但树木、灌木、草等植被非常茂密，很少有人敢进入这个山谷。你能解释该山谷的植被茂密的原因吗？【答案】植物生长需要氮肥，N2在雷电的作用下发生一系列变化：N2＋O22NO2NO＋O22NO23NO2＋H2O2HNO3＋NOHNO3与土壤成分反应，产生硝酸盐，被植物吸收，所以经常有雷电的地方，植被生长的茂盛。（4）将一充满二氧化氮的试管倒置在水槽中，你会观察到什么现象？假设生成的硝酸全部在试管中不扩散，试求出生成硝酸的物质的量浓度？【答案】①试管中红棕色气体变为无色，试管中上升一段水柱，②c（HNO3）＝n(HNO3)V(HNO3溶液探究知识提升素养知识点1氮气的性质和用途1．氮气的性质（1）氮气的密度与空气的接近，只能用排水法收集。（2）在高温、高压、放电等条件下，N2能与H2、O2、Mg等发生化学反应。①氮气与氢气反应：N2＋3H22NH3，该反应是工业合成氨原理。②氮气与氧气反应：N2＋O22NO。③氮气与镁反应：3Mg＋N2点燃Mg3N2。2．工业制法：空气中含有大量的氮气，空气是工业制氮气的主要来源，生产方法主要是分离液态空气，并制得液态氧。3．氮的固定自然固氮【例1】大家在吃薯条等膨化食品时，会发现袋子里东西并不多却鼓鼓囊囊的，袋子里填充的是食品级的氮气而非空气。主要作用有三个方面：①延长食品的保质期；②可以抵御外界潮气的侵入；③保护食品不被压碎。下列关于N2性质的叙述中错误的是（）A．氢气在氮气中能燃烧B．氮气既具有氧化性，又具有还原性C．将空气中的氮气转变成含氮化合物属于氮的固定D．氮气与氧气在一定条件下反应生成一氧化氮【解析】N2不是助燃气体，N2与H2化合需在高温、高压、催化剂的条件下进行。【答案】A【针对训练1】下列关于氮气的有关说法中，正确的是（）A．氮气的化学性质很不活泼，不与任何物质发生反应B．纯净的氮气是不溶于水的无色气体，无毒无味且比空气略重C．一定条件下氮气与氢气发生化合反应生成氨，反应中N2表现还原性D．氮气常用作焊接金属的保护气，是利用氮气化学性质的不活泼性【解析】氮气的化学性质不活泼，可用作焊接金属的保护气。【答案】D【针对训练2】氮气能大量存在于空气中的根本原因是（）A．氮气性质稳定，即使在高温下也很难与其他物质发生反应B．氮气比空气轻，且不溶于水C．氮分子中两个氮原子间结合得很牢固，分子结构稳定D．氮气无氧化性，也无还原性，不与其他物质反应【解析】N2性质稳定，但在高温下可与Mg、Al、H2等物质反应表现出氧化性，与O2在放电条件下反应表现出还原性，A、D项不正确；氮气比空气轻且不溶于水不是N2能大量存在于空气中的根本原因，即B项不正确。【答案】C【例2】下列叙述与氮的固定无关的是（）A．工业合成氨B．工业上将氨转化为硝酸和其他含氮化合物C．豆科植物的根瘤菌把空气中的氮气转化为含氮化合物D．电闪雷鸣的雨天，空气中的氮气会与氧气发生反应并最终转化为硝酸盐被植物吸收【解析】氮的固定是指把空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。【答案】B【针对训练3】下列过程属于人工固氮的是（）A．分离液态空气制氮气B．闪电使N2转化为NOC．合成氨D．豆科植物将N2转化为NH3【解析】固氮是将游离态的氮转化为化合态的氮，A项中没有生成化合态氮，B、D两项是自然固氮，C项合成氨是人工固氮。【答案】C知识点2氮氧化物的性质NO、NO2性质比较物质NONO2色、态、味、毒性无色、无味、有毒气体红棕色、有刺激性气味、有毒气体水溶性不溶于水易溶于水与氧气反应2NO＋O22NO2不反应与水反应不反应3NO2＋H2O2HNO3＋NO（自身氧化还原）与氧气、水同时作用4NO＋3O2＋2H2O4HNO34NO2＋O2＋2H2O4HNO3氧化性有氧化性，但通常情况下表现出还原性强氧化性，在溶液中生成硝酸，能氧化S2－、I－、Fe2＋等离子对环境的影响有毒，大气污染物之一有毒，大气污染物之一易错提醒：（1）NO不能和碱反应，是不成盐化合物；NO2和碱反应化合价发生了变化，所以二者均不是酸性氧化物。（2）N2和O2反应，不管量和条件如何变化，均只能生成NO。（3）实验室利用NO与O2反应的现象变化来检验NO的生成和存在；利用NO2与H2O反应的现象来检验NO2，同时也用此反应来除去NO中的NO2杂质。【例3】下列对NO、NO2的描述中正确的是（）A．NO是酸性氧化物B．NO2可用排水法收集，且可由N2和O2直接化合而得到C．NO、NO2在一定条件下可相互转化，且二者都是引起光化学烟雾的大气污染物D．一氧化氮在反应中只能作还原剂【解析】NO不与碱反应，不是酸性氧化物，故A项错误；NO2与水反应：3NO2＋H2O2HNO3＋NO，N2与O2在放电的条件下反应生成NO，故B项错误；NO与O2发生反应：2NO＋O22NO2，NO2与H2O反应生成NO，光化学烟雾主要是由NOx引起的，故C项正确；NO中氮的化合价为＋2价，既可升高又可降低，既可作氧化剂又可作还原剂。【答案】C【针对训练4】下列对NO、NO2的描述，正确的是（）A．NO是红棕色气体，易溶于水，是酸性氧化物B．NO2可用排水法收集，且可由N2和O2直接化合而得到C．NO、NO2在一定条件下可相互转化，且二者都是引起光化学烟雾的大气污染物D．一氧化氮密度比空气大，可用排空气法收集【解析】NO是无色难溶于水的气体，NO不与碱反应，不是酸性氧化物，故A项错误；NO2与水反应：3NO2＋H2O2HNO3＋NO，N2和O2反应生成NO，故B项错误；NO和O2发生反应：2NO＋O22NO2，NO2与H2O反应生成NO，光化学烟雾主要是由NOx引起的，故C项正确；一氧化氮能与氧气反应，不能用排空气法收集。【答案】C知识点3氮氧化物与O2、H2O反应的计算1．NO2和O2的混合气体通入水中的计算由3NO2＋H2O2HNO3＋NO和2NO＋O22NO2可得总反应式4NO2＋O2＋2H2O4HNO3，由此可知：V（NO2）∶V（O2）=42．NO和O2的混合气体通入水中的计算由2NO＋O22NO2和4NO2＋O2＋2H2O4HNO3，可得总反应式4NO＋3O2＋2H2O4HNO3，由此可知：V（NO）∶V（O2）=43．NO、NO2和O2的混合气体通入水中的计算（1）可先求出NO2和H2O反应生成的NO的体积，然后按4NO＋3O2＋2H2O4HNO3进行分析计算。（2）也可认为NO与O2先反应生成NO2，NO2再与水反应。若O2过量，则按4NO2＋O2＋2H2O4HNO3进行分析计算；若转化后无O2剩余，则按关系式法计算。（3）有关NO、NO2、O2混合气体与H2O反应后剩余气体的问题，因NO2与H2O反应，NO与O2反应，所以剩余的气体只可能为NO或O2中的一种，绝对不会剩余NO2。注意：因NO2与水发生反应，因此无论是NO2、NO2和O2的混合气体还是NO和O2的混合气体通入水中，最终剩余气体都不能是NO2。【例4】将盛有12mLNO2和O2混合气体的量筒倒立于水槽中，充分反应后，还剩余2mL无色气体，则原混合气体中O2的体积和剩余的2mL气体可能分别是（）A．1．2mL，NOB．2．4mL，O2C．3．5mL，O2 D．4mL，NO【解析】NO2和O2的混合气体溶于水发生的反应为：4NO2＋O2＋2H2O4HNO3。若剩余2mL气体为O2，则发生该反应的气体体积为10mL，其中NO28mL，O22mL，因此原混合气体中NO2体积为8mL，O2体积为2mL＋2mL＝4mL；若剩余气体为NO，根据3NO2＋H2O2HNO3＋NO，可知过量的NO2的体积为3×2mL＝6mL，则发生反应4NO2＋O2＋2H2O4HNO3，消耗的气体总体积为12mL－6mL＝6mL，其中反应消耗的O2为6mL×15＝1．2mL，NO2的总体积为12mL－1．2mL＝10．8mL，故选A项。【答案】A【针对训练5】如图所示，当向试管内通入21mLO2时，最后试管中的液面仍在原来的位置，则原试管中NO体积为（）A．6mLB．12mLC．16mL D．18mL【解析】据题意可推知反应后试管内气体为O2，且其体积与原NO体积相同。因发生反应4NO＋3O2＋2H2O4HNO3，设原试管中NO为xmL，则反应后试管中剩余O2也有xmL，根据反应方程式有4∶3＝x∶（21－x），解得x＝12。【答案】B基础性达标作业1．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】A项，人工固氮合成氨反应中，氮元素的化合价降低被还原，错误；B项，工业合成氨属于人工固氮，正确；C项，硝酸盐转化为蛋白质及经动物消化使蛋白质转化为氨气和铵盐，实现了含氮无机物和含氮有机物的相互转化；并且碳、氢、氧三种元素也参加了氮的循环，C正确，D正确。【答案】A2．下列关于氮气的说法中，错误的是（）A．通常情况下，氮气性质比较稳定B．可在氧气中燃烧，生成一氧化氮C．通常情况下，氮气在水中的溶解度很小D．跟氢气在一定条件下发生反应时，氮气是氧化剂【解析】N2不能在O2中燃烧，与O2在放电时反应生成NO。【答案】B3．下列对氮的氧化物的叙述中，正确的是（）A．氮的氧化物都是无色气体B．氮的氧化物都难溶于水C．氮的氧化物都是酸性氧化物D．氮的氧化物都是大气污染物【解析】NO2是红棕色，A不正确；NO2易溶于水，B不正确；NO、NO2均不是酸性氧化物，C不正确；氮的氧化物均是大气污染物，D正确。【答案】D4．一定条件下，将等体积的NO和O2的混合气体置于试管中，并将试管倒立于水槽中，充分反应后剩余气体的体积为原总体积的（）A．14 B．C．18 D．【解析】由于NO和O2等体积，故二者等物质的量，当二者溶于水时，发生反应4NO＋3O2＋2H2O4HNO34mol3mol设初始时