2025版高一化学必修第二册（含不定项选择）第五章 第二节 第1课时 氮气及氮的固定 一氧化氮和二氧化氮

第二节氮及其化合物第1课时氮气及氮的固定一氧化氮和二氧化氮课标定向目标定位1.能从物质类别、氮元素的化合价的角度预测氮及其氧化物的性质与转化。(宏观辨识与微观探析)2.通过真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解氮及其氧化物的主要性质,认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。(科学探究与创新意识)厘清重点氮气、一氧化氮、二氧化氮的化学性质突破难点NOx溶于水的计算学习任务一:氮气与氮的固定必备知识·导学[引入]中国博物馆和中南海毛主席故居纪念馆采用氮气保护技术;北京房山云居寺“99石经回藏”也是氮气保护的成功典范。氮气为什么能用于珍贵文物的保存?1.自然界中氮元素的存在2.氮元素的位置与结构3.氮气的化学性质(1)稳定性[思考]为什么氮气可以作为保护气?提示:氮气性质稳定,常温下不与物质发生反应,故可作保护气。(2)发生化合反应在高温、放电等条件下,N2获得足够的能量,使N≡N断裂。写出氮气与下列物质反应的化学方程式:①金属镁:N2+3MgMg3N2,氮气表现氧化性;②氧气:N2+O22NO,氮气表现还原性;③氢气:N2+3H22NH3,氮气表现氧化性。[思考]镁条在空气中燃烧,生成的含镁化合物有几种?提示:两种,分别为Mg3N2、MgO。[注意]镁条可以在CO2中燃烧,生成MgO和C。4.氮的固定判对错·通教材判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)氮气在通常情况下不燃烧,也不支持燃烧,不能供给呼吸。 (√)提示:氮气分子中氮氮三键比较稳定,化学性质不活泼,氮气在通常情况下不燃烧,也不支持燃烧,不能供给呼吸。(2)氮元素有负价,正价和零价,因而常温下,N2既能与氧气反应,又能与H2反应。 (×)提示:N2在放电条件下才能与O2反应;在高温高压、催化剂条件下才能与H2化合生成NH3。(3)固氮反应一定属于氧化还原反应。 (√)提示:该过程由氮单质生成了氮的化合物,一定有元素化合价的变化,固氮反应一定属于氧化还原反应。(4)闪电时氮气与氧气化合生成NO,属于自然固氮。 (√)提示:闪电时氮气与氧气化合生成NO,为自然界中游离态的氮转化为化合态的氮的过程,属于自然固氮。核心要点·归纳1.N2的性质与氮的固定2.氮气性质的易错点(1)氮的固定必须是将游离态的N2转化为化合态含氮物质的过程,属于氧化还原反应。(2)氮气性质的“一惰性、两反应”。氮气化学性质很稳定,通常状况下,很难与其他物质反应,但是在一定条件下,也能与氢气、氧气等反应。(3)氮元素是多价态元素,氮气中氮元素呈0价,处于中间价态,故氮气既有氧化性(与H2等反应),又有还原性(与O2等反应)。学力诊断·测评1.下列关于氮气性质的说法正确的是 ()A.点燃条件下,N2在氧气中燃烧生成NOB.点燃时,N2与金属Mg反应生成Mg3N2,N2作还原剂C.合成氨反应中,N2发生氧化反应D.氮气的化学性质稳定,其原因是两个氮原子之间以共价三键结合【解析】选D。氮气在放电或高温条件下与氧气反应生成一氧化氮,A错误;点燃时,N2与金属Mg反应生成Mg3N2,N2得电子,化合价降低作氧化剂,B错误;合成氨反应中,N2得电子化合价降低发生还原反应,C错误;氮气的化学性质稳定,其原因是两个氮原子之间以共价三键结合,键能大,不易断裂,D正确。2.(2024·济南高一检测)将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫做氮的固定,包括自然固氮和人工固氮。下列关于氮的转化过程,属于人工固氮的是 ()A.用N2和H2合成氨B.闪电时空气中N2转化为NOC.用NH3和CO2合成尿素D.豆科植物的根瘤菌固氮【解析】选A。A.工业合成氨是N2与H2在一定条件下反应生成NH3,属于人工固氮,A正确;B.闪电时空气中N2转化为NO,属于自然固氮不是人工固氮,B错误;C.用NH3和CO2合成尿素,不属于氮的固定,C错误;D.豆科植物的根瘤菌将N2转化为含氮化合物,属于自然固氮,D错误。【补偿训练】1.(2024·合肥高一检测)氮元素是地球大气中含量丰富的元素,是形成人体蛋白质的基础。下列关于氮的循环,叙述错误的是 ()A.氮气转化为氮的化合物的过程叫氮的固定B.氮的固定可以通过自然固氮和人工固氮的方式实现C.人类的生产活动参与了氮的循环过程D.氮的循环过程中只有氮元素被氧化的过程【解析】选D。氮气转化为氮的化合物的过程即游离态的氮转化为化合态的氮叫氮的固定,故A正确;氮的固定可以通过自然固氮和人工固氮的方式实现,故B正确;人类的生产活动参与了氮的循环过程,如人工合成氨,氮肥的使用等,故C正确;氮的循环过程中可以是氮元素被氧化,也可以是氮元素被还原,故D错误。2.我国科学家研制出全氮阴离子盐,其能量巨大,爆炸产物只有N2。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【解析】选C。N2性质稳定,但在高温下可与O2等物质发生反应,在反应中表现出氧化性或还原性;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。学习任务二:一氧化氮和二氧化氮必备知识·导学1.一氧化氮和二氧化氮的物理性质物质颜色、状态气味毒性水溶性NO无色气体无味有毒不溶于水NO2红棕色气体有刺激性气味有毒易溶于水2.一氧化氮、二氧化氮的化学性质(1)实验探究实验装置实验操作在如图所示注射器里充入20mLNO,然后吸入5mL水,用乳胶管和弹簧夹封住管口,振荡注射器打开弹簧夹,快速吸入10mL空气后夹上弹簧夹振荡注射器实验现象①②③(2)实验现象①无明显现象②无色气体变为红棕色③红棕色气体逐渐变为无色,注射器活塞向左移动(3)实验结论及解释①NO不溶于水,也不与水反应。②NO能与空气中的氧气反应生成红棕色的NO2,化学方程式:2NO+O2===2NO2。③NO2能与水反应生成无色的NO,化学方程式:3NO2+H2O===2HNO3+NO。[思考]上述实验对工业上利用NO2与H2O反应生产HNO3有什么启示?提示:为了NO2完全转化为HNO3,可充入适量空气或增大O2的量。判对错·通教材判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)NO不溶于水,所以可用排水法收集。 (√)提示:NO不溶于水,可以用排水法收集。(2)NO是一种有刺激性气味的红棕色气体。 (×)提示:NO是一种无味难溶于水的无色气体。(3)N2与O2在放电条件下直接化合成NO2。 (×)提示:N2与O2在放电条件下直接化合成NO,不能生成NO2。(4)NO2易溶于水生成HNO3,故NO2是酸性氧化物。 (×)提示:NO2与碱溶液发生氧化还原反应生成两种盐,不属于酸性氧化物。(5)瓶中盛满水,从b口进气,用排水法收集NO2。 (×)提示:用排水法收集NO2,发生反应:3NO2+H2O===2HNO3+NO,最终得到的是NO。(6)NO2溶于水时,NO2是氧化剂,水是还原剂。 (×)提示:二氧化氮与水反应生成硝酸和一氧化氮,反应中二氧化氮中部分氮化合价升高,部分化合价降低,二氧化氮既是氧化剂又是还原剂,水中元素化合价未发生变化。核心要点·归纳1.NO和NO2性质比较氮氧化物NONO2色、味、态无色无味的气体红棕色、有刺激性气味的气体溶解性不溶于水易溶于水且与水反应氧化物类别非酸性氧化物非酸性氧化物氧化性或还原性具有氧化性、还原性,主要表现强还原性具有氧化性、还原性,主要表现强氧化性,能氧化SO2、KI等物质毒性有毒(易结合血红蛋白使人中毒)有毒(刺激腐蚀呼吸道黏膜)相互转化NONO22.NO和NO2的收集方法(1)NO易与O2反应、不溶于水、不与水反应,因此收集NO用排水法,不可用排空气法。(2)NO2易与水反应,但很难被O2氧化,因此收集NO2用向上排空气法,不可用排水法。微点拨·拓教材1.正确理解NO和NO2所属物质的类别NO和NO2都不是酸性氧化物,NO与碱、酸都不能反应生成盐和水,属于不成盐氧化物;NO2与碱溶液发生氧化还原反应生成两种盐,也不属于酸性氧化物。2.含NO和NO2的尾气处理(1)NO与酸、碱都不反应,进行尾气处理时一般用充袋法,或通入氧气的同时用碱液吸收。(2)NO2与碱溶液能直接反应,可用碱液直接吸收:2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O。(3)NO和NO2按物质的量之比1∶1混合,可用碱液直接吸收:NO+NO2+2NaOH===2NaNO2+H2O学力诊断·测评1.最新的病毒学研究证实,一氧化氮对某些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【解析】选C。NO是一种无色不溶于水的气体,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。2.NO2在火箭燃料中作氧化剂,下列有关二氧化氮的说法正确的是 ()A.NO2为红棕色且有刺激性气味的气体B.NO2属于酸性氧化物C.NO2经转化被植物吸收,属于氮的固定D.常温下空气中N2与O2可以化合成NO2【解析】选A。NO2为红棕色且有刺激性气味的气体,A正确;NO2与氢氧化钠溶液反应生成硝酸钠、亚硝酸钠和水,故不属于酸性氧化物,B错误;氮的固定是指N2转化为氮的化合物,C错误;常温下空气中N2与O2不反应,D错误。3.(2024·淄博高一检测)下列关于NO和NO2的说法正确的是 ()A.NO2能与水反应生成硝酸,故NO2是酸性氧化物B.除去NO2中混有的NO,可将混合气通入水中C.NO与NO2互为同素异形体D.3NO2+H2O===2HNO3+NO中氧化剂与还原剂物质的量之比为1∶2【解析】选D。A.NO2能与水反应生成硝酸和NO,所以NO2不是酸性氧化物,故A错误;B.NO2能与水反应生成硝酸和NO,NO和水不反应,混合气通入水中不能除去NO2中混有的NO,故B错误;C.同素异形体是同种元素组成的不同单质,NO与NO2是氮元素的两种氧化物,不是同素异形体,故C错误;D.3NO2+H2O===2HNO3+NO中降价的N原子与升价的N原子的个数比为1∶2,所以氧化剂与还原剂物质的量之比为1∶2,故D正确。学习任务三:氮的氧化物与氧气、水的反应必备知识·探究[情境]硝酸是无机强酸之一,也是一种重要的化工原料,我国已经成为全球硝酸的重要供应国之一。工业生产硝酸时,由于NO2与H2O反应会生成HNO3和NO,NO又可与O2反应生成NO2,因此通入适量的氧气可使NO或NO2恰好完全溶于水。(1)试根据反应:①3NO2+H2O===2HNO3+NO②2NO+O2===2NO2推出NO2与O2的混合气体、NO与O2的混合气体被水完全吸收转化为HNO3的化学方程式。提示:①×2+②得:4NO2+O2+2H2O===4HNO3;①×2+②×3得:4NO+3O2+2H2O===4HNO3。(2)将一支充有12mLNO2气体的试管倒置于水槽中,充分反应。①下列图示正确的是哪一个?提示:CNO2溶于水发生反应:3NO2+H2O===2HNO3+NO,12mLNO2参与反应,生成的NO为4mL,生成NO的体积占试管体积的13②若水不能充满试管,需再向试管中缓缓充入O2,请叙述现象。最终充入多少毫升氧气才能使水全部充满?提示:向试管中缓缓充入O2,发生反应2NO+O2===2NO2,故气体颜色由无色变为红棕色,然后发生反应3NO2+H2O===2HNO3+NO,故液面逐渐上升,将①和②两式联立得4NO+3O2+2H2O===4HNO3,要使水全部充满试管,需充入3mL氧气。核心要点·归纳氮的氧化物溶于水的计算1.原理解答氮的氧化物溶于水的计算问题首先应明确原理,无论是单一气体(NO2),还是NO、NO2、O2中的两者或三者的混合气体,反应的实质是3NO2+H2O===2HNO3+NO,2NO+O2===2NO2,故若有气体剩余只能是NO或O2,不能是NO2。2.方法——加合式法①NO2和O2混合气体溶于水的计算由4NO2+O2+2H2O===4HNO3可知:V(NO2)∶V(O2)<4∶1②NO与O2同时通入水中2NO+O2===2NO2、3NO2+H2O===2HNO3+NO总的化学方程式为4NO+3O2+2H2O===4HNO3可知:V(NO)∶V(O2)<4∶3③NO2、NO、O2三种混合气体通入水中:a.可先将NO和O2转化为NO2,再按①处理。b.也可先将NO2和H2O反应转化为NO,再按②处理。学力诊断·测评1.(双选)(2024·济宁高一检测)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,试管内完全被水充满。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.可能是NO与NO2的混合气体D.只能是NO2一种气体【解析】选B、C。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,水可以充满试管;若是NO与NO2的混合气体通入适量O2,水可以充满试管。[方法导引]根据反应4NO2+O2+2H2O===4HNO3、4NO+3O2+2H2O===4HNO3可得,NO2和O2的物质的量之比为4∶1时可以完全溶于水,NO和O2的物质的量之比为4∶3时可以完全溶于水。2.在一定温度和压强下,将一容积为15mL的试管充满NO2后,倒置于一个盛有水的水槽中。当试管内液面上升至一定高度不再变化时,在相同条件下再通入O2,若要使试管内液面仍保持在原高度,则通入O2的体积为 ()A.3.75mL B.7.5mLC.8.75mL D.10.5mL【解析】选C。15mLNO2与水反应后生成5mLNO,根据反应4NO+3O2+2H2O===4HNO3,使5mLNO完全被氧化需要O2体积为5mL×343.75mL。据题意,通入的O2应过量5mL,则共需通入O28.75mL。【补偿训练】将盛有1molNO和NO2混合气体的试管倒立于盛满水的水槽中,再通入0.4molO2,充分反应后,整个试管充满水。则原混合气体中NO与NO2体积比为 ()A.1∶2B.2∶5C.3∶7D.无法确定【解析】选C。设1molNO和NO2的混合气体中有amolNO和(1-a)molNO2,根据4NO+3O2+2H2O===4HNO3和4NO2+O2+2H2O===4HNO3可得:34a+1-a4=0.4,解得a=0.3,则V(NO)∶V(NO2学情检测·素养达标1.下列反应不属于氮的固定的是 ()A.N2+3MgMg3N2B.N2+3H22NH3C.2NO+O2===2NO2D.N2+O22NO【解析】选C。将游离态的氮转化为氮的化合物,属于氮的固定,不符合要求的是C项。2.下列关于氮的氧化物的叙述正确的是 ()A.氮的氧化物只有NO、NO2B.氮的氧化物均为红棕色气体C.氮的氧化物均有毒D.氮