第五章 第二节 第1课时 氮气和氮氧化物.docx

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第五章第二节第1课时氮气和氮氧化物

第二节　氮及其化合物

第1课时　氮气和氮氧化物

[核心素养发展目标]　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，熟知工业制硝酸的反应原理，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。

一、氮气与氮的固定　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．氮元素的结构及存在

（1）氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族。

氮原子最外层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。

一般通过共用电子对与其他原子相互结合成物质。

（2）氮元素在自然界中的存在

氮元素主要以N2分子的形式存在于空气中，部分氮元素以化合物的形式存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。

2．氮气

（1）N2的物理性质

通常情况下，氮气是无色、无味的气体，密度比空气的稍小，难溶于水。

（2）N2的化学性质

氮分子内两个氮原子间以共价三键（N≡N）结合，断开该化学键需要较多的能量，所以氮气的化学性质很稳定，通常情况下很难与其他物质发生化学反应，但在一定条件下氮气也可以和一些物质发生化学反应。

写出氮气和下列物质反应的化学方程式。

①金属镁：

N2＋3Mg

Mg3N2，氮气表现氧化性；

②氢气：

N2＋3H2

2NH3，氮气表现氧化性；

③氧气：

N2＋O2

2NO，氮气表现还原性。

3．氮的固定

（1）含义：

将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。

（2）分类

氮的固定

（1）氮元素有多种化合价，其最高正价为＋5价（√）

（2）氮原子与其他原子只能形成共价键，不能形成离子键（×）

（3）氮气常用作焊接金属、填充灯泡、保存食品的保护气（√）

（4）氮的固定中氮元素一定被氧化（×）

（5）豆科植物的根瘤菌固氮属于自然固氮中的高能固氮（×）

（6）工业上将NH3转化为其他铵态化肥属于人工固氮（×）

（7）N2和O2在放电条件下会生成NO2（×）

（8）N2中N元素价态为0价，处于中间价态，因此既有氧化性，又有还原性（√）

氮在自然界中的循环如下图所示。

（1）过程①称为________，写出合成氨反应的化学方程式：

_______________________________

________________________________________________________________________，该反应中氮气显________性（填“氧化”或“还原”，下同）

（2）过程②中能通过________的作用将空气中的氮气固定下来，写出③中固氮反应的化学方程式：

________________________________________________________________________

______________，该反应中氮气显________性。

（3）过程④中的亚硝酸盐有毒，工业上若直接排放将造成对环境的污染。

已知NaNO2遇到还原性较强的NH

会被还原为N2，在废液中加入下列物质不能使NaNO2无害化排放的是________（填字母）。

a．H2O2　　b．NH4Cl　　c．KNO3　　d．NaOH

答案　

（1）人工固氮　N2＋3H2

2NH3　氧化

（2）豆科植物根瘤菌　N2＋O2

2NO　还原

（3）acd

解析　（3）据题给信息，NaNO2可以被NH

还原为N2，因此NH4Cl可以处理废水中的NO

，而H2O2，KNO3都为氧化剂，不能将NaNO2还原为无毒的N2，NaOH和NaNO2不反应，故acd符合题意。

（1）氮的固定必须为将游离态的N2转化为化合态含氮物质的过程，为氧化还原反应。

（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反应），又有还原性（与O2反应）。

二、一氧化氮和二氧化氮

1．一氧化氮、二氧化氮的物理性质

氧化物

颜色

状态

气味

水溶性

NO

无色

气态

无味

难溶

NO2

红棕色

气态

刺激性气味

易溶

2.一氧化氮、二氧化氮的性质探究

操作一：

在一支50mL的注射器里充入20mLNO，观察颜色，然后吸入5mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器。

现象：

一氧化氮为无色气体，注射器内无明显变化。

结论：

NO难溶于水

操作二：

打开弹簧夹，快速吸入10mL空气，夹上弹簧夹。

现象：

注射器内气体变为红棕色。

结论：

NO和O2反应生成NO2。

操作三：

振荡注射器

现象：

气体红棕色消失，得到无色溶液。

结论：

NO2和H2O反应生成了HNO3和NO。

写出下列转化的化学方程式：

（1）NO―→NO2：

2NO＋O2===2NO2。

（2）NO2―→NO：

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，该反应中NO2既表现氧化性，又表现还原性。

（1）由于NO极易与O2反应，并且其密度与空气相差不多，因此收集NO只能用排水法（√）

（2）由于NO2极易与水反应且密度比空气大，因此收集NO2只能用向上排空气法（√）

（3）NO2易溶于水生成HNO3，故NO2是酸性氧化物（×）

（4）N2与O2反应时，不论O2是否足量，其一步反应都只能得到NO，不能生成NO2（√）

（5）NO和NO2都是有刺激性气味的有毒气体，它们都是大气污染物（×）

（1）NO和O2反应，不能用排空气法收集，可以用排水法收集，NO2和水反应，不能用排水法收集，可用向上排空气法收集。

（2）NO不能和碱反应，NO2可以和碱反应生成硝酸盐、亚硝酸盐和水，但NO2不是酸性氧化物。

（3）NO2可以使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色，不能用湿润的淀粉碘化钾试纸鉴别NO2气体和溴蒸气。

1．俗话说“雷雨发庄稼”，试说出其中的原理，写出反应的化学方程式。

提示　雷电发生时，N2和O2化合生成NO，NO迅速被氧化为NO2，NO2溶于水生成HNO3，HNO3跟土壤作用生成硝酸盐，NO

可被植物吸收。

N2＋O2

2NO，2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。

2．在NO、NO2性质实验中

（1）如果要将注射器中的NO充分转化，应采取的措施是_______________________________。

（2）上述实验对工业上生产硝酸的启示是____________________________________________。

提示　

（1）继续通入过量的空气　

（2）在用水吸收NO2制取硝酸的反应过程中，要不断地补充一些空气，使NO2尽可能多地转化为硝酸

3．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________。

（2）如水不能充满试管，需再向试管中缓缓充入O2，现象为________________，最终充入________mL氧气，才能使水全部充满。

答案　

（1）C　

（2）无色气体变为红棕色，液面逐渐上升　3

解析　

（1）NO2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的体积占气体的

，故选C。

（2）向试管中缓缓充入O2，发生反应①2NO＋O2===2NO2，故气体颜色由无色变为红棕色，然后发生反应②3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，故液面逐渐上升，将①和②两式相组合得4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，要使水全部充满试管，需充入3mL氧气。

熟记NOx与O2混合气体被吸收关系

（1）4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3

V（NO2）∶V（O2）

（2）4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3

V（NO）∶V（O2）

1．（2019·浙江宁波期末）氮元素在海洋中的循环，是整个海洋生态系统的基础和关键。

海洋中无机氮的循环过程可用如图表示。

下列关于海洋氮循环的说法正确的是（　　）

A．海洋中的氮循环起始于氮的氧化

B．海洋中的氮循环属于固氮作用的是③

C．海洋中的反硝化作用一定有氧气的参与

D．向海洋排放含NO

的废水，会影响海洋中NH

的含量

答案　D

解析　海洋中的氮循环起始于N2―→NH

，即起始于氮的还原，A项错误；海洋中的氮循环属于固氮作用的是②，B项错误；反硝化作用中N元素化合价降低，被还原，而O2是常见的氧化剂，不需要有O2参与，C项错误；根据转化关系图可知，若向海洋排放含NO

的废水，会使NO

增多，反硝化作用增强，海洋中N2增多，从而影响海洋中NH

的含量，D项正确。

2．（2019·湖南湘潭一中期中）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

答案　C

解析　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；氮气比空气轻且难溶于水，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。

考点　氮气的结构与性质

题点　氮气的结构与性质

3．（2019·保定一中检测）下列反应中属于氮的固定的是（　　）

A．N2＋3H2

2NH3

B．2NO＋O2===2NO2

C．4NH3＋5O2

4NO＋6H2O

D．NH3＋H2O＋CO2===NH4HCO3

答案　A

解析　固氮过程是把N2转化为含氮化合物的过程，只有A项符合。

考点　氮气的化学性质

题点　氮的固定

4.（2019·天津耀华中学期中）如图所示，试管中盛装的气体呈红棕色，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面继续上升，经过多次重复后，试管被水充满，对原试管中盛装的气体说法正确的是（　　）

A．可能是N2与NO2的混合气体

B．可能是N2O气体

C．可能是NO与NO2的混合气体

D．只可能是NO2一种气体

答案　C

解析　试管中盛装的气体呈红棕色，那么一定有二氧化氮存在。

根据题述现象可知，原试管中盛装的气体的成分可能为①NO2、②NO2和O2（少量）、③NO2和NO等。

考点　氮的氧化物

题点　NO、NO2的性质

5．NO与NO2中氮元素的价态均处于中间价态，则NO与NO2均既有氧化性又有还原性。

（1）NO极易与氧气反应表现________性，化学方程式为_______________________________；在一定条件下与氨气发生归中反应生成N2，其化学方程式为__________________________。

（2）NO2可发生自身歧化反应，NO2与H2O的化学方程式为____________________，氧化剂和还原剂的物质的量之比为________，NO2与NaOH溶液反应可生成两种盐，其中一种是NaNO3，化学方程式为___________________________________________。

答案　

（1）还原　2NO＋O2===2NO2　4NH3＋6NO

5N2＋6H2O

（2）3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　1∶2　2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O

考点　氮氧化物的性质

题点　NO、NO2的性质

A组　基础对点练

题组一　氮气和氮的固定

1．（2019·黑龙江大庆一中月考）下列关于N2的说法中错误的是（　　）

A．通常情况下N2的化学性质很稳定，所以N2可在电焊时做保护气

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质量的

D．在反应：

3Mg＋N2

Mg3N2中，N2做氧化剂

答案　C

解析　N2在空气中约占空气总体积的

，C项错误。

考点　氮气的性质

题点　氮气的性质及其应用

2．（2020·咸阳高一期末）氮是动植物生长不可缺少的元素，含氮化合物也是重要的化工原料。

自然界中存在如图所示的氮元素的循环过程，下列说法不正确的是（　　）

A．过程①“雷电作用”中发生的反应是N2＋O2

2NO

B．过程③“固氮作用”中，氮气被还原

C．⑤中涉及的反应可能有2NO

＋O2===2NO

D．⑥中涉及的反应可能有2NO

＋12H＋===N2↑＋6H2O

答案　D

解析　过程①“雷电作用”中氮气与氧气化合生成NO，即发生的反应是N2＋O2

2NO，A正确；过程③“固氮作用”中氮元素化合价降低，氮气被还原，B正确；⑤中NO

被氧化为NO

，涉及的反应可能有2NO

＋O2===2NO

，C正确；⑥中氮元素化合价降低，NO

被还原，涉及的反应不可能为2NO

＋12H＋===N2↑＋6H2O，因为此反应中只有元素化合价降低，没有元素化合价升高，且电荷不守恒，故D错误。

考点　自然界中氮的循环

题点　氮的固定及其转化

题组二　一氧化氮、二氧化氮的性质

3．（2019·菏泽一中月考）最新的病毒学研究证实，一氧化氮对SARS、新型冠状病毒都有直接抑制作用。

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

答案　C

解析　NO是一种无色难溶于水的气体，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。

考点　NO的性质

题点　NO的性质

4．（2020·湖南岳阳高一检测）众所周知，一氧化氮是一种大气污染物，是吸烟、汽车尾气及垃圾燃烧等释放出的有害气体，但是这种最常见、最简单的气体小分子在生物体内却是一种重要的信使分子，具有保护心血管、降低血压以及提高性能力的作用。

下列关于NO的说法中正确的是（　　）

A．NO是无色气体，易溶于水，是酸性氧化物

B．NO在人体内可做“信使分子”能扩张血管，提高免疫力等，因此大气中的NO对人体无害

C．NO在空气中可以转为NO2，二者都是大气污染物

D．NO在化学反应中，只能作还原剂，不能作氧化剂

答案　C

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；NO有毒，为大气污染物，对人体有害，故B项错误；NO和O2发生反应2NO＋O2===2NO2，NO、NO2都是大气污染物，C项正确；NO分子中N元素价态为＋2价，为中间价态，在一定条件的反应中既可作氧化剂，又可作还原剂，D项错误。

考点　NO性质

题点　NO性质及应用

5．（2020·贵州独山期末）在NO2与水的反应中（　　）

A．氮元素的化合价不发生变化

B．NO2只是氧化剂

C．NO2只是还原剂

D．NO2既是氧化剂又是还原剂

答案　D

解析　NO2和水反应的方程式为3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，在反应中2mol被氧化生成

2mol硝酸，1mol被还原，生成NO，即NO2既是氧化剂又是还原剂。

答案选D。

考点　氮的氧化物的性质

题点　二氧化氮与水的反应

6．（2019·山东菏泽一中检测）运载火箭的推进剂引燃后产生的气体主要是CO2、H2O、N2、NO，这些气体均为无色，但在卫星发射现场看到火箭喷出大量红色烟雾。

产生红色烟雾的原因是（　　）

A．高温下N2遇空气生成NO2

B．NO遇空气生成NO2

C．CO2和NO反应生成CO和NO2

D．NO和H2O反应生成H2和NO2

答案　B

解析　根据火箭喷出大量红色烟雾可推知其中含有NO2，引燃后产生的气体中NO遇空气生成NO2。

考点　氮的氧化物的性质

题点　NO、NO2的性质

题组三　氮的氧化物与水反应的简单计算

7．（2019·河北张家口第一中学检测）将装有50mLNO2、NO混合气体的量筒倒立在水槽中，反应后气体体积缩小为30mL，则原混合气体中NO2和NO的体积比是（　　）

A．5∶3B．3∶5

C．3∶2D．2∶3

答案　C

解析　解答此题可根据化学方程式，运用差量法进行计算，由所得结果来确定正确的选项。

设混合气体中NO2的体积为x。

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO　　　ΔV

3mL　　　　　　1mL　3mL－1mL＝2mL

x　　　　　　　　　　　　　50mL－30mL＝20mL

＝

x＝30mL

则原混合气体中NO体积为50mL－30mL＝20mL，所以V（NO2）∶V（NO）＝30mL∶20mL＝3∶2。

考点　氮的氧化物

题点　NO2溶于水的相关计算

8．（2020·山东临沂一中高一段考）对3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反应的下列说法正确的是（　　）

A．氧化剂与还原剂的质量比为1∶2

B．氧化产物与还原产物的物质的量之比为1∶2

C．NO2是氧化剂，H2O是还原剂

D．在反应中若有6molNO2参与反应时，有3mol电子发生转移

答案　A

解析　该反应中NO2既是氧化剂又是还原剂，硝酸为氧化产物，NO为还原产物。

硝酸与NO的物质的量之比为2∶1，还原剂（NO2）与氧化剂（NO2）的物质的量之比为2∶1。

若有6molNO2参与反应，则转移电子4mol。

考点　二氧化氮的性质

题点　二氧化氮和水反应的相关计算

9．（2019·郑州高一检测）以下是氮循环的一部分：

（1）反应②的化学方程式是________________________________________________________。

（2）NO2易溶于水并和水发生化学反应，该反应中氧化剂和还原剂物质的量之比为________。

（3）实验室收集NO的方法为________。

（4）化合物A的化学式是________。

（5）治理汽车尾气的一种方法是用催化剂使NO与CO发生反应：

2NO＋2CO===2CO2＋N2，当生成1molN2时，被还原的NO为________mol。

答案　

（1）2NO＋O2===2NO2　

（2）1∶2　（3）排水法收集　（4）HNO3　（5）2

解析　

（1）反应②是NO与氧气化合生成NO2，反应的化学方程式是2NO＋O2===2NO2。

（2）NO2易溶于水，并和水发生化学反应：

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，NO2中氮元素化合价部分升高，部分降低，NO2既是氧化剂，也是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2。

（3）NO易被氧气氧化，实验室常用排水法收集NO。

（4）根据以上分析可知化合物A的化学式是HNO3。

（5）根据方程式2NO＋2CO===2CO2＋N2可知，NO中氮元素化合价从＋2价降低到0价，NO是氧化剂，被还原，当生成1molN2时，被还原的NO为2mol。

考点　氮气及其氧化物

题点　氮气及其氧化物转化及相关计算

B组　综合强化练

1．下列反应必须加入氧化剂且一步反应就能完成的是（　　）

①N2→NO2　②NO2→NO　③NO2→HNO3　④N2→NO　⑤N2→NH3

A．①B．②⑤C．④D．③④

答案　C

解析　①N2→NO2不能一步完成，②③NO2与H2O反应即可，但H2O不是氧化剂，④N2→NO中N2被氧化，需要加入氧化剂，⑤N2与H2反应生成NH3，加入的H2是还原剂。

考点　氮及其氧化物的性质

题点　氮及其氧化物的性质及应用

2．（2020·河南平顶山一中期中）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D

D．E中碱石灰的作用是吸收尾气

答案　C

解析　A错，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；B错，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；C对，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；D错，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。

考点　氮气的性质

题点　氮气的性质及其应用

3．（2020·山东淄博月考）科学的假设与猜想是科学探究的先导和价值所在。

在下列假设或猜想引导下的探究肯定没有意义的是（　　）

A．探究SO2和Na2O2反应可能有Na2SO4生成

B．探究NO和N2O可能化合生成NO2

C．探究NO2可能被NaOH溶液完全吸收生成NaNO2和NaNO3

D．探究向滴有酚酞溶液的NaOH溶液中通入Cl2，酚酞红色褪去的原因是溶液的酸碱性改变还是HClO的漂白作用

答案　B

解析　NO和N2O反应不可能生成NO2，因为氮元素的化合价均升高，没有元素化合价的降低。

考点　氮的氧化物

题点　NO、NO2的性质及应用

4．（2019·山东日照一中检测）为了避免NO、NO2、N2O4对大气的污染，常采用NaOH溶液进行吸收处理（反应方程式：

2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O；NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O）。

现有由amolNO、bmolNO2、cmolN2O4组成的混合气体恰好被VLNaOH溶液吸收（无气体剩余），则此NaOH溶液的物质的量浓度为（　　）

A.

mol·L－1B.

mol·L－1

C.

mol·L－1D.

mol·L－1

答案　B

解析　恰好反应时，由钠离子守恒可得n（NaOH）＝n（NaNO3）＋n（NaNO2），根据N原子守恒可知n（NaNO3）＋n（NaNO2）＝n（NO）＋n（NO2）＋2n（N2O4），n（NaOH）＝n（NO）＋n（NO2）＋2n（N2O4）＝amol＋bmol＋2cmol＝（a＋b＋2c）mol，故氢氧化钠溶液的浓度＝

＝

mol·L－1。

考点　氮的氧化物

题点　NO、NO2、N2O4溶于NaOH溶液的相关计算

5．（2019·甘肃武威第六中学段考）如图所示，相同条件下，两个容积相同的试管分别装满NO2和NO气体，分别倒置于水槽中，然后通过导管缓慢通入氧气，边通入边慢慢摇动试管，直到两个试管内充满液体。

假设试管内的溶质不向水槽中扩散，则两个试管内溶液中溶质的物质的量浓度之比为（　　）

A．1∶1B．5∶7

C．7∶5D．4∶3

答案　A

解析　因为NO2和NO的体积相等，在同温同压下两者的物质的量相等，根据反应：

2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，生成的HNO3的物质的量也相等，因此两试管内HNO3的物质的量浓度相等，故选A。

考点　氮的氧化物

题点　NO、NO2和O2溶于水的相关计算

6．（2020·北京东城区校级检测）现有NO2、O2的混合气体12mL，通入足量水中，充分反应后剩余气体2mL（同温同压下），则原混合气体中氧气的体积是（　　）

A．1.3mLB．2.4mL

C．3mLD．4mL或1.2mL

答案　D

解析　（总反应式法）根据有关的反应：

4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3　3NO2＋H2O===2HNO3＋NO

设原混合气体中