資源簡介

第二節(jié) 氮及其化合物
第五章 化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素
——氮氣與氮的固定
一氧化氮和二氧化氮
（大氣：N2及少量的NH3、NO、NO2）
雷電作用
產(chǎn)生NO
NH3
根瘤菌固氮
人工合成NH3
酸雨HNO3
動物遺體或者排泄物
銨鹽或者氨
硝酸鹽
NO經(jīng)氧化等轉(zhuǎn)化
亞硝酸鹽
植物吸收產(chǎn)生蛋白質(zhì)
硝酸鹽 分解產(chǎn)生氮氣
硝化作用
NO、NO2
NO、NO2
-3
0
+2
+4
+5
氫化物
單質(zhì)
氧化物
酸
堿
鹽
NH3
N2
NO 2 、N2O4
NO
HNO3
HNO2
NaNO3
NaNO2
+3
NH3·H2O
NH4·Cl
氮元素的價類二維圖
氮的固定
游離態(tài)的氮
氮的化合物
N2
含“N”物質(zhì)
一、氮的固定
概念：將大氣中 的氮轉(zhuǎn)化為 的過程
游離態(tài)
氮的化合物
氮的固定
分類
自然固氮
高能固氮(雷雨或者火山噴發(fā))
生物固氮(如豆科植物的根瘤菌固氮)
人工固氮
合成氨(工業(yè)上合成氨)
仿生固氮(某些金屬有機化合物可起到根瘤菌作用)
高能固氮
生物固氮
合成氨
仿生固氮
1909年，德國化學(xué)家哈伯經(jīng)過反復(fù)的實驗研究后發(fā)現(xiàn)，在500~600℃、17.5~20.0MPa和鋨為催化劑的條件下，反應(yīng)后氨的含量可達到6%以上，具備了工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。
哈伯
(F.Haber，1868-1934)
為了把哈伯合成氨的實驗室方法轉(zhuǎn)化為規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)，德國工程師博施作出了重要貢獻。由于合成氨工業(yè)生產(chǎn)的實現(xiàn)和相關(guān)研究對化學(xué)理論與技術(shù)發(fā)展的推動，哈伯和博施都獲得了諾貝爾化學(xué)獎。
合成氨是人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上的一項重大成就。
人 工 固 氮
合 成 氨
科學(xué)史話
在我們空氣中含量最多的就是氮氣，
為何大多數(shù)農(nóng)作物不能直接利用吸收氮氣而需要施氮肥？
二、氮氣
N的位置？
N的電子結(jié)構(gòu)
第二周期、第ⅤA族
最外層有5個電子
1.氮元素的非金屬性比氧元素弱，比碳元素強 ，也比磷強。
硝酸的酸性比碳酸強，也比磷酸強。
2.氮元素的最高價態(tài)為+5，最低價態(tài)為-3。
結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)
2.1 氮元素的“位-構(gòu)-性”
+7
2
5
①游離態(tài)：主要以 的形式存在于空氣中。
②化合態(tài)：部分存在于動植物體內(nèi)的 中；部分存在于土壤、海洋里的 中。
氮氣分子
蛋白質(zhì)
硝酸鹽和銨鹽
2.2氮元素在自然界中的存在形式
2.3 氮氣的物理性質(zhì)
{EB344D84-9AFB-497E-A393-DC336BA19D2E}顏色
狀態(tài)
氣味
密度
溶解性
_____
氣體
_____
密度與空氣接近
___溶于水
無色
無味
難
氮氣占空氣體積的78%
(1)氮分子內(nèi)兩個氮原子間以 結(jié)合，斷開該化學(xué)鍵
需要 的能量，所以氮氣的化學(xué)性質(zhì)很 ，通常情況下 與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此無法被大多數(shù)生物體直接吸收。
共價三鍵(N≡N)
較多
穩(wěn)定
很難
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}電子式
結(jié)構(gòu)式
氮氮三鍵
穩(wěn)定
很難
①金屬鎂： ，
（Li、Mg、Ca）
②氫氣： ，
氧化性
還原性
人工合成氨
2.4 氮氣的化學(xué)性質(zhì)
可逆反應(yīng)
N2+3Mg===Mg3N2
點燃
N2+3H2====2NH3
催化劑
高溫高壓
N2+O2======2NO
放電
或高溫
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}物質(zhì)
顏色 密度
狀態(tài)
氣味
毒性
水溶性
NO
氣體
有毒（與血紅蛋白結(jié)合）
___溶于水
NO2
氣體
有毒
溶于水
3.1 一氧化氮和二氧化氮的物理性質(zhì)
無色
無味
不
紅棕色
刺激性
易
與空氣相近
大于空氣
三、一氧化氮和二氧化氮
三、一氧化氮和二氧化氮
實驗
裝置

{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}實驗
操作
在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，觀察顏色 ， 然后吸入5mL水，用乳膠管和彈簧夾封住管口，振蕩注射器
現(xiàn)象
___________
結(jié)論
無色
無色氣體變紅棕色
紅棕色變?yōu)闊o色
NO難溶于水
無明顯現(xiàn)象
三、一氧化氮和二氧化氮
實驗
裝置

{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}實驗
操作
打開彈簧夾，快速吸入10 mL空氣后夾上彈簧夾，觀察現(xiàn)象，然后再振蕩注射器
現(xiàn)象
_________________,
振蕩后________________
結(jié)論
三、一氧化氮和二氧化氮
實驗
裝置

{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}實驗
操作
打開彈簧夾，快速吸入10 mL空氣后夾上彈簧夾，觀察現(xiàn)象，然后再振蕩注射器
現(xiàn)象
_________________,
振蕩后________________
結(jié)論
無色氣體變紅棕色
紅棕色變?yōu)闊o色
在一定條件下，
NO和NO2可以相互轉(zhuǎn)化。
NO化學(xué)性質(zhì)
2NO+O2===2NO2
（還原性為主）
3NO2+H2O===2HNO3+NO
NO2化學(xué)性質(zhì)
2NO2 ? N2O4(無色氣體)
?
NO2與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO的同時生成HNO3， NO2既作氧化劑又作還原劑。
3.2 一氧化氮與二氧化氮的化學(xué)性質(zhì)
如果將注射器中的NO充分轉(zhuǎn)化，可以采取什么措施？
上述實驗對工業(yè)生產(chǎn)硝酸有什么啟示？
2NO+O2===2NO2
3NO2+H2O===2HNO3+NO
(1) 原理
解答氮的氧化物溶于水的計算問題首先明確原理，無論是單一氣體(NO2)，還是NO、NO2、O2中的兩者或三者的混合氣體，反應(yīng)的實質(zhì)是3NO2+H2O===2HNO3+NO，2NO+O2===2NO2，故若有氣體剩余只能是NO或O2，不能是NO2。
工業(yè)生產(chǎn)硝酸的啟示
① NO與O2同時通入水中
2NO+O2===2NO2 ①
3NO2+H2O===2HNO3+NO ②
①×3+②×2 總的化學(xué)方程式為 4NO+3O2+2H2O===4HNO3
工業(yè)生產(chǎn)硝酸的啟示
② NO2和O2混合氣體溶于水的計算
3NO2+H2O===2HNO3+NO ①
2NO+O2===2NO2 ②
①×2+② 總的化學(xué)方程式為 4NO2+O2+2H2O===4HNO3
工業(yè)生成硝酸的啟示
如果以氨氣和氧氣為初始原料，生成產(chǎn)物為硝酸，應(yīng)該最佳比例為：
如果以氨氣和氧氣為初始原料，生成產(chǎn)物為硝酸銨，應(yīng)該最佳比例為：
（守恒配平）（板演）
工業(yè)生成硝酸的啟示------循環(huán)利用定量守恒
(1) NO和NO2分別采用什么方法收集？
(2)NO2轉(zhuǎn)化為NO的變化中，NO2只能作氧化劑嗎?
常溫下NO能與O2反應(yīng)，只能用排水法收集；
NO2能與水反應(yīng)生成NO，故只能用排空氣法收集。
NO2與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO的同時生成HNO3， NO2既作氧化劑又作還原劑。
性 質(zhì)
NO
NO2
物理性質(zhì)

毒 性

與水反應(yīng)

與氧氣反應(yīng)

實驗室制備
收集方法
其他
對環(huán)境影響
無色、無味的有毒氣體，難溶于水
紅棕色、有刺激性氣味的有毒氣體
不反應(yīng)(難溶于水)
3NO2+H2O====2HNO3+NO
2NO+O2====2NO2
不反應(yīng)
銅與稀硝酸反應(yīng)
銅與濃硝酸反應(yīng)
常用排水法
常用向上排空氣法
2NO2 N2O4
導(dǎo)致光化學(xué)煙霧和酸雨，破壞臭氧層
有毒（跟血紅蛋白結(jié)合）
有毒
【總結(jié)】NO和NO2的性質(zhì)對比
對3NO2＋H2O===2HNO3＋NO反應(yīng)的下列說法正確的是
A.氧化劑與還原劑的質(zhì)量比為1∶2
B.氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶2
C.NO2是氧化劑，H2O是還原劑
D.在反應(yīng)中若有6 mol NO2參與反應(yīng)時，有3 mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移
解析　該反應(yīng)中NO2既是氧化劑又是還原劑，硝酸為氧化產(chǎn)物，NO為還原產(chǎn)物。硝酸與NO的物質(zhì)的量之比為2∶1，還原劑(NO2)與氧化劑(NO2)的物質(zhì)的量之比為2∶1。若有6 mol NO2參與反應(yīng)，則轉(zhuǎn)移電子4 mol。
√
氮氣與氮的固定
一氧化氮和二氧化氮
氮氣
氮原子的結(jié)構(gòu)
氮氣的性質(zhì)
物理性質(zhì)
無色無味不溶于水
化學(xué)性質(zhì)
氧化性：與鎂、氫氣反應(yīng)
還原性：與氧氣反應(yīng)
氮的固定
自然固氮
雷雨固氮
根瘤菌固氮
人工固氮
合成氨
仿生固氮
一氧化氮、
二氧化氮
一氧化氮的性質(zhì)
一氧化氮物理性質(zhì)
無色、有毒、氣體，不溶于水
一氧化氮化學(xué)性質(zhì)
與氧氣反應(yīng)
二氧化氮的性質(zhì)
二氧化氮物理性質(zhì)
紅棕色，有毒，刺激性氣味氣體
二氧化氮化學(xué)性質(zhì)
與水反應(yīng)
請依據(jù)本節(jié)課的內(nèi)容，解釋“雷雨豐莊稼”的原理，
并用化學(xué)方程式解釋
雷電發(fā)生時，N2和O2化合生成NO，
NO迅速被氧化為NO2，
NO2溶于水生成HNO3，
HNO3和土壤作用生成硝酸鹽，
NO3-可被植物吸收
2NO+O2====2NO2
3NO2+H2O====2HNO3+NO
N2+O2====2NO
放電
HNO3+NH3====NH4NO3
+O2
+O2
+H2O
+NH3
N2 NO NO2 HNO3
NH4NO3
農(nóng)業(yè)技術(shù)
化肥產(chǎn)業(yè)
【課堂練習(xí)】
1. 如圖所示的試管中裝有12 mL NO，然后間歇緩慢地通入8 mLO2。有關(guān)最終狀態(tài)的描述：①試管內(nèi)氣體呈紅棕色，②試管內(nèi)氣體呈無色，③試管內(nèi)液面不變，④試管內(nèi)液面上升，⑤試管內(nèi)氣體是O2，⑥試管內(nèi)氣體是NO 。其中正確的是(　　)
C
A． ①③ B． ②④⑤
C． ②④⑥ D． ②③⑤
【課堂練習(xí)】
2. 同溫同壓下，在3支相同體積的試管中分別充有等體積混合的兩種氣體，它們是①NO和NO2，②NO2和O2，③NO和N2。現(xiàn)將3支試管均倒置于水槽中，充分反應(yīng)后，試管中剩余氣體的體積分別為V1、V2、V3，則下列關(guān)系正確的是(　　)
D
A．V1>V2>V3 B．V1>V3>V2
C．V2>V3>V1 D．V3>V1>V2
【課堂練習(xí)】
3. 在容積為672 mL的燒瓶中充滿NO和NO2的混合氣體，將其倒立在水槽里，去塞后再通入280 mL氧氣，恰好完全反應(yīng)，且液體充滿燒瓶(氣體體積都已折合為標準狀況下的體積)，下列有關(guān)敘述正確的是(　　)
B
A． 總反應(yīng)為NO＋NO2＋O2＋H2O === 2HNO3
B． 總反應(yīng)為4NO＋8NO2＋5O2＋6H2O === 12HNO3
C． 生成硝酸的物質(zhì)的量濃度均為0.030 mol·L－1
D． 生成硝酸的物質(zhì)的量濃度約為0.060 mol·L－1

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