高中氮的循环知识点.docx

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高中氮的循环知识点

氮的循环

　　一、氮在自然界中循环

1、氮的固定

　　使空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程叫氮的固定，简称固氮。

　　正是通过氮的固定，开始了氮在自然界中的循环，氮的固定有自然固氮和人工固氮两种方式。

　　2、自然固氮

（1）生物固氮：

大豆、蚕豆等豆科植物的根部含有根瘤菌，能把空气中的N2转变为硝酸盐，被植物吸收。

故豆类植物不需要施用氮肥，这种固氮方式占整个自然固氮的90％。

（2）高能固氮：

通过闪电等高能量途径把N2固定的方式为高能固氮。

　　涉及到的反应主要有：

　　N2＋O22NO2NO＋O2＝2NO23NO2＋H2O＝2HNO3＋NO

　　可知，N2最终变成HNO3，即正常的雨水略呈酸性。

HNO3与土壤中的矿物作用，得到硝酸盐，被植物吸收，这就是“雷雨发庄稼”的科学道理。

　　3、人工固氮

　　人们在工业生产中把N2转化为氮的化合物的方法为人工固氮，又叫工业固氮。

　　常见的方法有：

（1）N2与H2合成NH3：

，该反应为工业制HNO3的基础反应。

（2）仿生固氮：

用某些金属有机化合物做催化剂，实现常温、常压固氮，这些金属有机物类似于根瘤菌，故又叫仿生固氮，这是目前科学界较为关注的研究性课题。

　　4、氮在自然界中的循环

　　人们在生产活动中也涉及到了氮的循环，其中主要是利用N2与H2合成工业中重要的生产原料——NH3，即人工固氮。

涉及到两种很重要的物质：

NH3、HNO3。

二、氮循环中的重要物质及其变化

1、氮气，常况下是一种无色无味的气体，难溶于水，通常无毒。

氮气占空气体积总量的78.12%，是空气的主要成份。

氮气的化学性质很不活泼，只在特殊条件下，才能以下反应。

①与氧气反应：

通常状况下氮气和氧气不反应，但在放电条件下，却可以直接化合生成NO。

反应的化学方程式为：

★N2+O2闪电2NO

②与氢气反应：

在高温、高压、催化剂作用下，氮气和氢气可以反应制得氨气。

反应的化学方程式为：

★N2+3H22NH3此反应是工业合成氨的反应

③与金属镁反应：

金属镁可以在氮气中燃烧，生成氮化镁。

反应的化学方程式为：

★3Mg+N2点燃Mg3N2（氮化镁）

2、氮的氧化物

（1）氮的氧化物简介：

氮元素有+1、+2、+3、+4、+5五种正价态，对应有六种氧化物

氮的氧化物

N2O（笑气）

NO（一氧化氮）

N2O3（亚硝酸酐）

NO2（二氧化氮）

N2O4（四氧化二氮）

N2O5（硝酸酸酐）

氮元素化合价

氮氧化物都具有不同程度的毒性，它们也是是常见的大气污染物，以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。

①汽车尾气中的氮氧化物与氮氢化合物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾,称为光化学烟雾。

光化学烟雾具有特殊气味,刺激眼睛,伤害植物,并能使大气能见度降低。

②氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸，混入雨水中，会形成酸雨。

（2）一氧化氮和二氧化氮

除二氧化氮以外，其他氮氧化物均极不稳定，遇光、湿或热都会变成一氧化氮或二氧化氮，其中一氧化氮最终还是会变为二氧化氮。

因此，学习氮的氧化物应该重点关注一氧化氮和二氧化氮。

①一氧化氮：

是一种无色、无味的气体，难溶于水，有毒。

在常温下与空气中氧气化合，生成二氧化氮，反应的化学方程式为：

★2NO+O2===2NO2，一氧化氮结合血红蛋白的能力比一氧化碳还强，更容易造成人体缺氧。

②二氧化氮：

是一种红棕色、有刺激性气味的气体，易溶于水，有毒。

二氧化氮溶于水时，与水反应，生成硝酸和一氧化氮。

反应的化学方程式为★3NO2+H2O===2HNO3+NO

二氧化氮在17℃以下时，两个NO2分子会结合在一起，转化成N2O4（四氧化二氮），N2O4是一种无色气体，强氧化剂，剧毒，且有腐蚀性，反应的化学方程式为

2NO2N2O4

（3）氮的氧化物溶于水的计算

氮的氧化物溶于水的计算有以下几种情况：

①NO2溶于水时可依据：

3NO2+H2O3HNO3+NO，利用气体体积差值进行计算。

NO2与NO、N2等的混合气体溶于水时，仍然依据：

3NO2+H2O3HNO3+NO，利用气体体积差值进行计算。

②NO2和O2的混合气体溶于水时，依据反应：

3NO2+H2O=2HNO3+NO……㈠

2NO+O2=2NO2……㈡

㈠x2+㈡可得总反应方程式：

4NO2+O2+2H2O4HNO3

由总反应：

4NO2+O2+2H2O4HNO3可知，当体积比V（NO2）：

V（O2）

=4：

1，恰好完全反应，无气体剩余。

>4：

1，NO2过量，剩余气体为NO，体积为过量的NO2的1／3。

<4：

1，O2过量，剩余气体为O2。

③NO和O2同时通入水中时，其反应是：

2NO+O22NO2………㈠

3NO2+H2O=2HNO3+NO………㈡

㈠x3+㈡x2可得总反应方程式：

4NO+3O2+2H2O4HNO3

由总反应：

4NO+3O2+2H2O4HNO3可知，当体积比V（NO）：

V（O2）

=4：

3恰好完全反应，无气体剩余。

>4：

3NO过量，剩余NO。

<4：

3O2过量，剩余气体为O2。

三、人类活动对自然界氮循环的影响

　　1、人工固氮数量增加：

　　N2是惰性的，NH4+、NO3-为自然界中活化氮的主要形态,人工固氮使N2变为NH4+、NO3-，使氮的形态得以活化。

　　人工固氮主要表现在化学合成氮肥的数量迅速上升，豆科植物的栽种面积增大，人类的固氮活动使活化氮的数量大大增加，农产品产量得以提高。

　　2、人类活动对环境的负作用：

（1）人工固氮的过多增加，会破坏全球生态环境，改变空气各成分的组成，使与氮循环有关的温室效应进一步加剧。

（2）光化学烟雾：

汽车打火过程中，会促使N2与O2生成NO，故汽车尾气中含氮氧化物（NOx）及碳氢化合物，经紫外线照射形成光化学烟雾。

　　（3）酸雨：

化石燃料燃烧排出的废气中含SO2、NOx，与空气中的水作用逐渐变成H2SO3、H2SO4、HNO3、HNO2，使雨水呈酸性。

　　（4）水体污染：

肥料的过多使用，使水中N、P等营养元素的含量增多，水体富营养化，使藻类植物疯长，水质变坏，形成“赤潮”或“水华”现象。

　　所以，既要进行必要的氮的固定，促进工农业的发展，但又不能盲目扩大生产，破坏生态平衡。

同时要积极发展植树造林业，使全球氮的循环形成一个合理的局面。

　　三、NH3、HNO3的重要性质

　　1、NH3的性质

（1）喷泉实验

　　如图，在干燥的烧瓶中充满NH3，胶头滴管和烧杯中盛放的液体物质都为水，且烧杯中的水滴加几滴酚酞。

先用弹簧夹夹住橡胶管，胶头滴管中的水挤到烧瓶中，打开弹簧夹，观察现象。

　　氨气①物理性质

无色有刺激性气味的气体，极易溶于水（1体积水溶解700体积氨气），且与水能反应。

　　②喷泉实验

利用氨气极易溶于水的特点可以设计一个特别有趣的实验——喷泉实验：

A、实验装置：

如图2所示，在干燥的圆底烧瓶里充满氨气，用带有玻璃管和胶头滴管（滴管里预先吸入水）的塞子塞紧瓶口。

立即倒置烧瓶，使玻璃管插入盛水的烧杯里（水里事先加入少量的酚酞试液），本实验的实验装置搭建完成。

图2

B、引发喷泉实验开始的操作：

挤压滴管的胶头，使胶头滴管中预先吸入的水进入烧瓶。

C、实验现象：

烧杯内液体以喷泉形式进入烧瓶，且进入烧瓶后液体由无色变为红色。

简单来说就是，烧瓶内形成红色喷泉。

D、实验的基本原理（出现上述实验现象的原因）：

利用氨气极易溶于水，或者利用气体与液体快速反应，使烧瓶内外在短时间内产生较大的压强差，压强差可以将烧杯中的液体压入烧瓶内，在玻璃管尖嘴处形成喷泉。

另外，氨溶于水可用下列过程表示：

★NH3+H2ONH3·H2ONH4++OH-。

这个过程中生成了碱性物质NH3·H2O，遇酚酞试液变红。

E、实验结论：

喷泉实验产生的喷泉直观地证明氨气极易溶于水，且与水反应生成了使溶液显碱性的物质（NH3·H2O）。

F、像氨气与水一样，可以完成喷泉实验的物质组合还有：

HCl与水、SO2与水、NO2与水；CO2与NaOH溶液，SO2与NaOH溶液，Cl2与NaOH溶液

氨气和氯化氢气体反应可生成氯化铵，该化学方程式为：

★NH3+HCl===NH4Cl

反应现象为：

生成大量的白烟。

（此处白烟是氯化铵固体小颗粒）

用途：

可以用来检验氨气的存在

氨气和硝酸反应可生成硝酸铵，该化学方程式为：

★NH3+HNO3==NH4NO3

氨气和硫酸反应可生成硫酸铵，该化学方程式为：

★2NH3+H2SO4===（NH4）2SO4

C、氨与氧气反应的化学方程式为：

★4NH3+5O2高温、催化剂4NO+6H2O

工业生产中，利用此反应制得NO，然后在NO基础上可制得硝酸。

也就是说，此反应是工业制硝酸的反应之一。

③氨气的实验室制法

A、在实验室，常用加热固体铵盐和碱的混合物的方法来制取氨气，例如把固体氯化铵和氢氧化钙的混合物加热可制得氨气。

该化学方程式为：

★2NH4Cl+Ca（OH）2△CaCl2+2NH3↑+2H2O　　

B、反应装置：

如图3所示

C、净化装置：

干燥碱性气体——氨气，必须使用碱性干燥剂——碱石灰（CaO和NaOH的混合物）；浓硫酸、CaCl2、P2O5等其他干燥剂均不能干燥氨气。

图3

D、收集方法:

氨气极易溶于水，密度又比空气小，所以收集氨气要使用向下排空气法，

E、检验方法：

用湿润的红色石蕊试纸置于试管口，试纸变蓝色，则证明生成气体是NH3；或将蘸有浓盐酸的玻璃棒置于试管口，有白烟产生，也可以证明生成气体是NH3。

F、收集时，一般在管口塞一团棉花球，作用是减少NH3与空气的对流，确保收集到纯净的NH3.

G、实验室制取氨气的其他方法：

在实验室有时也用加热浓氨水的方法得到氨气。

化学方程式为NH3·H2O△NH3↑+H2O

另外，把浓氨水滴入固体氢氧化钠中，也可以制得氨气。

化学方程式为NH3·H2O△NH3↑+H2O

现象：

烧杯中的液体喷入烧瓶中，形成红色的喷泉。

（2）NH3的性质和用途

　　①NH3极易溶于水（1∶700），且生成的NH3·H2O呈碱性。

　　NH3·H2ONH4+＋OH-

　　故氨能与酸反应：

　　NH3＋HCl＝NH4Cl

　　2NH3＋H2SO4＝（NH4）2SO4（NH3不能用浓H2SO4干燥）。

　　②NH3的催化氧化：

　　4NH3＋5O24NO＋6H2O

　　该反应是NH3制HNO3的反应之一，由NO为原料，可以按如下途径制取硝酸：

　　2NO＋O2＝2NO2　　3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO

　　由于NO2一部分生成NO，故采用通入O2的方法让NO转化为NO2，再生成HNO3，故可得NO2与O2完全溶于水的反应为：

4NO2＋O2＋2H2O＝4HNO3

　　NO与O2完全溶于水转化为HNO3的总反应为：

4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3

　　③氮肥：

　　NH3与H2SO4、HNO3、H2CO3、HCl等生成的（NH4）2SO4、NH4NO3、NH4HCO3和NH4Cl都为铵态氮肥。

NH3生成的HNO3与其它物质反应生成的硝酸盐为硝态氮肥，工业也用NH3合成尿素（CO（NH2）2）,CO（NH2）2为有机态氮肥。

　　（3）铵盐（NH4+）的性质

　　性质①：

铵盐的不稳定性：

　　NH4HCO3NH3↑＋H2O＋CO2↑NH4ClNH3↑＋HCl↑

　　推断题中经常用到上述反应，NH4HCO3、NH4Cl分解后固体物质完全消失，尤其是NH4Cl分解生成的NH3和HCl又可以化合成NH4Cl，典型现象是加热时固体消失，但又在试管口得到固体，现象类似于加热碘固体，但加热NH4Cl为化学变化，加热碘为物理变化。

　　性质②：

铵盐与碱反应

　　NH4+＋OH-NH3↑＋H2O

　　常温下：

NH4+＋OH-NH3·H2O

　　可知，铵态氮肥不能与碱性物质混合，如碳铵不能与草木灰（主要成分为K2CO3，水解显碱性）同时使用，否则易降低肥效。

　　实验室也可利用上述性质制NH3，加热固体NH4Cl与Ca（OH）2的混合物即可产生氨气，反应为：

　　2NH4Cl＋Ca（OH）2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O

　　2、HNO3的性质及其应用

　　实验探究：

通过实验分析HNO3的性质

　　实验1：

取一瓶浓硝酸，打开瓶口，观察现象，并闻气味（注意，应用手在瓶口轻轻扇动）。

　　现象：

瓶口有白雾出现，并闻到有刺激性气味。

　　结论：

浓HNO3易挥发（挥发的HNO3结合空气中的水形成HNO3小液滴，可以看到白雾现象）。

　　实验2：

两支试管中分别放入一小块铜片，然后分别加入浓HNO3、稀HNO3，用蘸有NaOH溶液的棉花封住试管口。

　　现象：

两支试管中Cu片都逐渐溶解，溶液为绿色，盛浓HNO3的试管中有红棕色气体生成，盛稀HNO3的试管中有无色气体生成，在管口逐渐变成红棕色。

　　结论：

Cu与浓HNO3生成Cu（NO3）2、NO2，与稀HNO3生成Cu（NO3）2、NO。

　　实验3：

在盛浓HNO3的试管中加入Fe片、Al片，观察现象，然后加热，再观察现象。

　　现象：

常温下Fe、Al在浓HNO3中不反应，加热时Fe、Al溶解并有红棕色气体生成。

　　结论：

Fe、Al常温下在浓HNO3中钝化，加热时反应生成NO2。

　　实验4：

在盛浓HNO3的试管中加入碳粉，加热。

　　现象：

碳粉溶解，生成红棕色气体。

　　结论：

加热时C与浓HNO3反应。

　　根据上述实验，可总结出HNO3的性质：

（1）纯净的浓HNO3为无色，易挥发，有刺激性气味的液体，故浓硝酸又叫“发烟硝酸”。

工业浓HNO3往往呈黄色，是因为HNO3分解放出的NO2溶于HNO3呈现的颜色。

　　4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O

　　故浓HNO3保存于棕色试剂瓶，防止HNO3见光分解。

（2）HNO3能与绝大多数金属反应：

浓HNO3都生成NO2，稀HNO3生成NO。

　　Cu＋4HNO3（浓）＝Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O

　　3Cu＋8HNO3（稀）＝3Cu（NO3）2＋2NO↑＋4H2O

　　Fe＋6HNO3（浓）Fe（NO3）3＋3NO2↑＋3H2O

　　Fe、Al常温下在浓硝酸中会钝化。

该部分会出现复杂题目，浓HNO3随反应进行到一定程充，变为稀HNO3后，生成NO气体，故得到NO2、NO的混合气体。

　　（3）HNO3能与非金属单质反应

　　C＋4HNO3（浓）4NO2↑＋CO2↑＋2H2O

　　S＋6HNO2（浓）H2SO4＋6NO2↑＋2H2O

　　P＋5HNO3（浓）H3PO4＋5NO2↑＋H2O

　　总结：

由以上可知，HNO3为强氧化性酸，能与大多数还原剂反应。

含氮物质

色、态、味

密度

溶解性

毒性

N2（氮气）

无色、无味的气体

与空气相当

难溶于水

无毒

NO（一氧化氮）

无色、无味的气体

与空气相当

难溶于水

有毒

NO2（二氧化氮）

红棕色、有刺激性气味的气体

比空气大

可溶于水，且能与水反应

有毒

NH3（氨气）

无色、有刺激性气味的气体

比空气小

可溶于水，且能与水反应

有毒

铵盐（如氯化铵、硝酸铵等）

都是白色晶体

均易溶于水

HNO3（硝酸）

纯净的硝酸是无色透明、易挥发、有刺激性气味的液体

比水大

易溶于水

本身无毒，但易分解成有毒的NO2