資源簡介

(共53張PPT)
第五章　化工生產中的重要
非金屬元素
第二節 氮及其化合物
人教版·新教材·化學必修第二冊
第1課時　氮及其氧化物
探究新知
氮及其氧化物
探究01　氮及氮的固定
情境導入
氮 是自然界中各種生物生命活動不可缺少的重要元素
探究01　氮及氮的固定
N元素存在形式
在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空氣中，
少部分存在于生物的蛋白質中、
以及土壤、海洋中的硝酸鹽和銨鹽。
探究01　氮及氮的固定
原子結構
N 位于元素周期表第二周期、VA族
+7
2
5
既不容易得到 3 個電子，也不容易失去 5 個電子。
常見的化合價有 -3、 0、 +2、 +3、 +4、 +5
探究01　氮及氮的固定
N2物理性質
顏色 狀態 氣味 密度 溶解性
_____ 氣體 _____ 密度與空氣接近 ___溶于水
難
無色
無味
探究01　氮及氮的固定
化學性質
電子式
結構式
N2
化學式
N

N



N
N
氮分子的結構
食品包裝袋中抽空充入氮氣，防止食物變質。
N2 的化學性質非常不活潑，可用作保護氣體
探究01　氮及氮的固定
化學性質
氮氣的化學性質穩定，通常很難與其他物質發生化學反應。
N N
1、還原性
2、氧化性
a、在點燃條件下與 Mg 反應： b、N2 與 H2 反應生成 NH3 ：
N2 + O2 2NO
高溫或放電
N2 + 3H2 2NH3
催化劑
N2 + 3Mg Mg3N2
點燃
探究01　氮及氮的固定
氮的固定
(1) 含義:
將大氣中 ____________ 轉化為 ____________ 的過程
叫做 氮的固定。
游離態的氮
氮的化合物
(2) 分類:
探究01　氮及氮的固定
氮的固定——自然固氮
大自然通過閃電釋放的能量將空氣中的氮氣轉化為含氮的化合物，或者通過豆科植物的根瘤菌將氮氣轉化成氨，從而實現自然固氮。
有句諺語“雷雨發莊稼”，
你明白其中的化學道理嗎
探究01　氮及氮的固定
化學性質——人工固氮
1909年，德國化學家哈伯經過實驗研究后發現，在500~600℃、17.5~20.0 MPa和鋨為催化劑的條件下可產生氨。
德國工程師博施也推動了合成氨工業生產的實現和相關技術發展，哈伯和博施都獲得了諾貝爾化學獎。
合成氨技術的應用很大程度上解決了全球糧食饑餓問題，是化學和技術對社會發展與進步的巨大貢獻。
探究01　氮及氮的固定
自然界中氮循環
練一練
(1)氮元素有多種化合價，其最高正價為＋5價(　　)
(2)氮原子與其他原子只能形成共價鍵，不能形成離子鍵(　　)
(3)氮氣常用作焊接金屬、填充燈泡、保存食品的保護氣(　　)
(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屬于自然固氮中的高能固氮(　　)
(6)工業上將NH3轉化為其他銨態化肥屬于人工固氮(　　)
(7)N2和O2在放電條件下會生成NO2(　　)
(8)N2中N元素價態為0價，處于中間價態，因此既有氧化性，又有還原性(　　)
判斷正誤
√
×
√
×
×
×
×
√
練一練
氮在自然界中的循環如圖所示。
(1)過程①稱為________，寫出合成氨反應的化學方程式：____
____________________，該反應中氮氣顯____性(填“氧化”或“還原”，下同)
人工固氮
N2＋
氧化
(2)過程②中能通過______________的作用將空氣中的氮氣固定下來，寫出③中固氮反應的化學方程式：_________________，該反應中氮氣顯____性。
豆科植物根瘤菌
還原
練一練
氮在自然界中的循環如圖所示。
(1)過程①稱為________，寫出合成氨反應的化學方程式：____
____________________，該反應中氮氣顯____性(填“氧化”或“還原”，下同)
人工固氮
N2＋
氧化
(2)過程②中能通過______________的作用將空氣中的氮氣固定下來，寫出③中固氮反應的化學方程式：_________________，該反應中氮氣顯____性。
豆科植物根瘤菌
還原
結論：
(1)氮的固定必須為將游離態的N2轉化為化合態含氮物質的過程，為氧化還原反應。
(2)氮氣性質的“一惰性、兩反應”。氮氣化學性質很穩定，通常狀況下，很難與其他物質反應，但是在一定條件下，也能與氫氣、氧氣等反應。
(3)氮元素是多價態元素，氮氣中氮元素呈0價，處于中間價態，故氮氣既有氧化性(與H2反應)，又有還原性(與O2反應)。
練一練
探究02 氮的氧化物
一氧化氮
一、物理性質
無色、無味、有毒、難溶于水的氣體。
二、化學性質
常溫下，極容易與氧氣反應。
2NO + O2 2NO2
紅棕色
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
1、物理性質：
紅棕色、有剌激性氣味的有毒氣體，密度比空氣大，易液化，易溶于水。
實驗室如何收集 NO2
向上排空氣法
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
(工業制取硝酸)
結論：在一定條件下，NO 與 NO2 可以相互轉化。
現象一：無色氣體變紅棕色 NO → NO2
現象二：紅棕色變為無色 NO2 → NO
實驗現象分析：
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
解釋“雷雨發莊稼”的原理
N2＋O2 2NO
放電
2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
硝酸與土壤中礦物質作用形成可溶性硝酸鹽，
成為氮肥被植物吸收。
探究02 氮的氧化物
二氧化氮
“實驗5-5”發生了哪些化學反應 如果將注射器中的 NO 充分轉化，可以采取什么措施 上述實驗對工業生產硝酸有什么啟示
+ O2
+ H2O
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
2NO + O2 = 2NO2
2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
① NO 與 O2 同時通入水中
2NO + O2 = 2NO2 ①
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO ②
總的化學方程式為： ①×3 + ②×2
4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
② NO2 和 O2 混合氣體同時溶于水中
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO ①
2NO + O2 = 2NO2 ②
總的化學方程式為： ①×2 + ②
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
原理
氮的氧化物溶于水的問題首先看清原理實質，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溶于水，反應的實質是：
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 2NO + O2 = 2NO2
故若有氣體剩余只能是 NO 或 O2 ，不可能是NO2。
工業生產硝酸的啟示
探究02 氮的氧化物
氮氧化合物溶于水的探究
4NO + 3O2 + 2H2O = 4HNO3
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
練一練
(1)由于NO極易與O2反應，并且其密度與空氣相差不多，因此收集NO只能用排水法(　　)
(2)由于NO2極易與水反應且密度比空氣大，因此收集NO2只能用向上排空氣法(　　)
(3)NO2易溶于水生成HNO3，故NO2是酸性氧化物(　　)
(4)N2與O2反應時，不論O2是否足量，其一步反應都只能得到NO，不能生成NO2(　　)
(5)NO和NO2都是有刺激性氣味的有毒氣體，它們都是大氣污染物(　　)
√
√
×
√
×
結論：
(1)NO和O2反應，不能用排空氣法收集，可以用排水法收集，NO2和水反應，不能用排水法收集，可用向上排空氣法收集。
(2)NO不能和堿反應，NO2可以和堿反應生成硝酸鹽、亞硝酸鹽和水，但NO2不是酸性氧化物。
(3)NO2可以使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍色，不能用濕潤的淀粉碘化鉀試紙鑒別NO2氣體和溴蒸氣。
練一練
練一練
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。現將3支試管均倒置于水槽中，充分反應后，試管中剩余氣體的體積分別為V1、V2、V3，則下列關系正確的是 (　　)
D
A．V1>V2>V3 B．V1>V3>V2
C．V2>V3>V1 D．V3>V1>V2
練一練
3.將一支充有12 mL NO2氣體的試管倒置于水槽中，充分反應。
(1)下列圖示正確的是__。
C
練一練
(2)如水不能充滿試管，需再向試管中緩緩充入O2，現象為_____________
____________________，最終充入__ mL氧氣，才能使水全部充滿。
紅棕色，液面逐漸上升
無色氣體變為
3
解析　向試管中緩緩充入O2，發生反應①2NO＋O2===2NO2，故氣體顏色由無色變為紅棕色，然后發生反應②3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，故液面逐漸上升，將①和②兩式相組合得4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，要使水全部充滿試管，需充入3 mL氧氣。
課堂總結
顏色 狀態 氣味 密度 特性
無 色 　液態 　刺激性 　>　 易 揮發
1、硝酸的物理性質
四、硝酸
(1)酸的通性
寫出下列反應的離子方程式：
①硝酸和氫氧化鈉反應：_____________________________________。
②硝酸和氧化鈉反應：_______________________________________。
③硝酸和碳酸鈣反應：_______________________________________。
④使指示劑變色：稀硝酸使紫色石蕊試液變紅，濃硝酸使紫色石蕊試液先變紅后褪色
H＋＋OH－==H2O
2H＋＋Na2O==2Na＋＋H2O
2H＋＋CaCO3==Ca2＋＋CO2↑＋H2O
2、硝酸的化學性質
4HNO3(濃) ==== 4NO2↑+O2↑+2H2O
△
或光照
(2) HNO3的不穩定性
問題：為什么有的濃硝酸看起來顏色發黃呢！
濃硝酸見光或受熱會分解產生NO2，NO2 又溶于濃硝酸使其發黃。
(3) HNO3的強氧化性
① 與Cu反應
【實驗5-8】如圖5-14所示，在橡膠塞側面挖一個凹槽，并嵌入下端卷成螺旋狀的銅絲。向兩支具支試管中分別加入2mL濃硝酸和稀硝酸，用橡膠塞塞住試管口，使銅絲與硝酸接觸，觀察并比較實驗現象。向上拉銅絲，終止反應。
濃硝酸 稀硝酸
實驗 現象
實驗 結論
藍
大量氣泡
綠
紅棕色
NO
NO2
3Cu+8HNO3(稀) === 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
Cu+4HNO3(濃) === Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
反應劇烈,有__________產生,溶液變_____,液面上有________氣體產生
反應緩慢,有 氣泡產生，溶液變______,試管口有紅棕色氣體產生
銅與濃硝酸常溫下劇烈反應生成_____氣體
銅與稀硝酸常溫下緩慢反應生成_____氣體
少量
廢氣處理：用氫氧化鈉溶液可以吸收廢氣中的氮氧化物
NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O；2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O。
②鈍化： 常溫下，鐵、鋁的表面被濃硝酸或濃硫酸氧化，生成了一層致密的氧化物薄膜，這層薄膜阻止了酸與內層金屬的進一步反應。
加熱時：
Al + 6HNO3(濃) === Al(NO3)3+ 3NO2↑+ 3H2O
△
Fe+6HNO3(濃) === Fe(NO3)3+3NO2↑+3H2O
△
C+4HNO3（濃）= 2H2O+4NO2↑+CO2↑
△
S+6HNO3(濃) = H2SO4+6NO2↑+2H2O
△
③ 與非金屬反應
思維拓展
(1)硝酸與金屬反應不能生成氫氣。硝酸濃度不同，其還原產物不同，一般情況下，濃硝酸被還原為NO2，稀硝酸被還原為NO。
(2)硝酸能與大多數金屬(金、鉑等除外)反應，將金屬氧化為高價態金屬的硝酸鹽。但在常溫下，濃硝酸能使鐵、鋁鈍化。
(3)熱的濃硝酸可將非金屬單質(碳、硫、磷等)氧化為最高價氧化物或最高價含氧酸。
(4)硝酸的強氧化性還表現在可以氧化具有還原性的化合物或離子，如SO2、FeO、Fe2＋、Br－、I－、S2－、SO 等均能被硝酸氧化。
①濃硫酸、硝酸等都是氧化性酸，因為其中的 易獲得電子，表現出很強的氧化性；而鹽酸、稀硫酸、碳酸等的酸根部分不能或不易獲得電子，是非氧化性酸。
②在水溶液中任何酸都能電離出H＋，H＋在一定條件下可獲得電子，被還原為H2，從這一點來說，酸都具有氧化性，但此時H＋表現出的性質是酸性，這與氧化性酸中心元素獲得電子表現出的氧化性不同。
酸的氧化性與氧化性酸
相關鏈接
勞厄和弗蘭克，曾獲得1914年和1925年的物理學獎，德國納粹政府要沒收他們的諾貝爾獎牌，他們輾轉來到丹麥，請求丹麥同行、1922年物理學獎得主玻爾幫忙保存。1940年，納粹德國占領丹麥，受人之托的玻爾急得團團轉。同在實驗室工作的一位匈牙利化學家赫維西（1943年化學獎得主）幫他想了個好主意：將獎牌放入“王水” 中，純金獎牌便溶解了。玻爾于是將溶液瓶放在實驗室架子上，來搜查的納粹士兵果然沒有發現這一秘密。戰爭結束后，溶液瓶里的黃金被還原后送到斯德哥爾摩，按當年的模子重新鑄造，于1949年完璧歸趙。
能使不溶于硝酸的金屬如金、鉑等溶解。
濃硝酸和濃鹽酸按體積比為1∶3混合得到的混合物。
王 水
資料卡片
【思考與交流】
寫出有關化學方程式:
N2→NH3: ________________________________。
NH3→NO: _______________________________。
NO→NO2: _______________________________。
NO2→HNO3: _____________________________。
4NH3+5O2 4NO+6H2O
2NO+O2===2NO2
3NO2+H2O===2HNO3+NO
N2+3H2 2NH3
高溫高壓
催化劑
重要的化工原料，用于制化肥，農藥，炸藥，染料等。
3、硝酸的作用
煤、石油和某些金屬礦物中含有硫，在燃燒或冶煉時往往會生成二氧化硫。
在機動車發動機中，燃料燃燒產生的高溫條件會使空氣中的氮氣與氧氣反應，生成氮氧化物。它們會引起呼吸道疾病，危害人體健康，嚴重時會使人死亡。
五、酸雨及防治
酸雨：主要指 pH小于5.6 的雨水，其主要是含有硫酸和硝酸。
S
SO2
SO3
H2SO4
硫酸型酸雨：
硝酸型酸雨：
NO2
HNO3
成因：主要是大氣中的SO2與NOx溶于水形成的。
1. 酸雨的形成
(1)對人體的直接危害首先是它的刺激性，其次是它會形成硫酸霧和硫酸鹽霧，其毒性比SO2大，能浸入人的肺部，引起肺水腫等疾病而使人致死。
(2)引起河流、湖泊的水體酸化，嚴重影響水生動物生長。
(3)破壞土壤、植被、森林。
(4)腐蝕金屬、油漆、皮革、紡織品及建筑材料等。
(5)滲入地下，可引起地下水酸化，酸化后的地下水中鋁、銅、鋅、鎘等對人體有害金屬元素的含量會偏高。
2. 酸雨的危害
(1)調整能源結構，積極開發新能源。
(2)對煤（其中含硫為0.3%-5%)進行處理，如選洗加工、綜合開發、在煤中加入適量的生石灰、對排放的煙進行處理等。
(3)種植能夠吸收SO2的有關樹木(如臭椿、垂柳、柳杉）等。
(4)加強工廠廢氣的回收處理。
(5)改進汽車尾氣的處理技術，控制尾氣排放。
3. 酸雨的防治
環境污染 形成原因 主要危害
溫室效應 大氣中CO2含量不斷增加 全球變暖，冰川融化
酸雨 SO2和氮氧化物的排放 土壤酸化，腐蝕建筑物
光化學煙霧 氮氧化物和碳氫化合物的排放 危害人體健康和植物生長
臭氧空洞 氮氧化物和氟氯代烴的排放 地球上的生物受太陽紫外線的傷害加劇
常見的環境污染
相關鏈接
赤潮和水華 含磷洗衣粉的大量使用及廢水的任意排放 使藻類過度繁殖，水質惡化，發生在海水中為赤潮，淡水中為水華
硝酸與金屬反應計算規律
課堂延伸
一、原子守恒法
金屬與硝酸反應的計算
例1：若將12.8克Cu與一定量的濃HNO3反應，銅全部溶解時，共產生 5.6L氣體（標準狀況），則所消耗的HNO3的物質的量為 ________
解：n(反應的HNO3)= n(被還原的HNO3)+ n(表現酸性的HNO3)
= n(NOx) + 2n(Cu2+)
= 5.6L/22.4L/mol+2ⅹ12.8g/64g/mol
=0.65mol
0.65mol
例2：64gCu投入一定量濃硝酸中，銅完全溶解，共收集到22.4L氣體。將此氣體與一定體積的O2一起通入水中，恰好完全溶解，則O2的體積為（氣體體積均按標準狀況下計量）________
因為 HNO3 NOx HNO3
Cu
O2
所以 2n(Cu)=4n(O2 )
n(O2 )=n(Cu)/2 =0.5mol
反應步驟比較多
金屬與硝酸反應的計算
二、電子守恒法
11.2L
HNO3過量時，反應后溶液中（不考慮OH-）：
c(NO3- )=c(H+)+nc(Mn+)(Mn+代表金屬離子)
三、電荷守恒法
例3. 3.2 g銅與過量硝酸反應，硝酸被還原為NO2和NO。反應后溶液中含H+ a mol,則此時溶液中含NO3- 的物質的量為__________mol。
解析: 反應后的溶液中溶質是:Cu(NO3)2和HNO3
n(NO3-) =2n(Cu2+)+n(H+)
=2×0.05mol+amol
=(0.1+a)mol
a+0.1
應用于硝酸有剩余的反應
四、離子方程式法
金屬與混合酸
例4：向1L 0.1mol/L的HNO3和0.4mol/L的H2SO4的混合液中加入足量的銅粉，最多能溶解銅粉的質量為 ( ) 　
A.2.4g
B.3.2g　
C.6.4g
D.9.6g
解析:n(H+)=0.1+0.8=0.9(mol)；n(NO3-)=0.1mol
3Cu + 8H+ + 2NO3-=3Cu2++2NO↑+4H2O
3 8 2
？ 0.9mol 0.1mol
NO3-不足,溶解n(Cu)=0.15mol;m(Cu)=9.6(g)
D
五、綜合運用
例5：將4.8gCu粉和Mg粉的混合物加入600mL 1mol/L的HNO3溶液中充分反應，金屬完全溶解，產生2.24L NO(標準狀況)氣體，向所得溶液中加入2mol/L的NaOH溶液至恰好沉淀完全，則
（1）生成的沉淀的質量為 g
（2）消耗NaOH溶液的體積是 mL
9.9
250
知識小結
金屬失電子數＝n(NO2)＋3n(NO)
n(HNO3)＝xn[M(NO3)x]＋n(NO2)＋n(NO)
n(HNO3)酸性＝xn(Mx＋)＝n(轉移電子)
若向反應后的溶液中加入NaOH溶液恰好使Mx＋沉淀完全，此時溶質為NaNO3，則存在：n(Na＋)＝n(NO3－)＝n(HNO3)－n(NO)－n(NO2)

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