專題1元素及其化合物第二單元非金屬及其化合物(氧化還原反應)第4講氮及其化合物的結構、性質和應用一、課程標準要求1．認識氮元素可以組成不同種類的物質，能從不同視角對典型的氮元素及其化合物進行探究。2．通過“雷雨發莊稼”；氮的循環與氮的固定；工業合成氨、工業制硝酸；氮肥的生產與合理使用能從物質類別和元素價態變化的視角說明物質的轉化途徑。3．利用實驗探究氨氣的制備及性質；銨鹽的性質；濃、稀硝酸的性質；氮氧化物的性質與轉化。4．結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解氮及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響。5．通過調查，從含氮物質的性質及轉化的視角分析酸雨和霧霾的成因、危害與防治二、在高中化學教材體系中的地位從課程模塊層面看，氮元素及其化合物位于必修課程內容，是普通高中學生發展的共同基礎；通過氮元素及其化合物性質的學習，一方面可以形成完整的金屬、非金屬及其化合物的知識體系，另一方面也具有鞏固離子反應、氧化還原反應等基礎知識的作用。三、思維導圖四、課時安排建議第1課時氮及其氧化物(1課時)第2課時硝酸(1課時)第3課時氮及其化合物的轉化(1課時)第1課時氮及其氧化物(1課時)一、教學流程活動一：構建知識體系問題1： 氮氣有哪些物理性質、化學性質？[例題1]下列說法中正確的是()A．氮氣化學性質不如磷活潑，故氮元素非金屬性弱于磷B.氮氣只有氧化性，沒有還原性C．“雷雨發莊稼”所包含的化學變化有N2→NO→NO2→HNO3→硝酸鹽D．NO與O2反應生成NO2屬于氮的固定[解析]N≡N鍵能大，N2比磷穩定，A錯誤；氮氣中氮元素的化合價可以升高，也可以降低，故既具有氧化性，又具有還原性，B錯誤；氮的固定是將游離態的氮轉化為化合態的氮的過程，D項錯誤。[答案]C[歸納總結](一)(1)氮元素位于元素周期表的第周期、第族。氮原子最外層有個電子，既不容易3個電子，也不容易5個電子。一般通過與其他原子相互結合成物質。(2)氮分子內個氮原子間以結合，斷開該化學鍵需要的能量，所以氮氣的化學性質很，通常情況下與其他物質發生化學反應，但在一定條件下氮氣也可以和一些物質發生化學反應。(3)寫出氮氣和下列物質反應的化學方程式。①金屬鎂：，氮氣表現性；②氫氣：，氮氣表現性；③氧氣：，氮氣表現性。[答案]：(一).(1)二ⅤA5得到失去共用電子對。(2)兩共價三鍵(N≡N)較多，穩定，很難。(3)①N2＋3Mgeq\o(=,\s\up7(點燃))Mg3N2，氧化；②N2+3H22NH3，氧化；③N2＋O2eq\o(=,\s\up7(放電或高溫))2NO，還原。(二)氮元素的存在形式和固氮問題2：氮元素從＋1～＋5價都有對應的氧化物，如N2O、NO、N2O3、NO2(或N2O4)、N2O5，其中屬于酸性氧化物的是？ [練習1]氮氧化物進入大氣后，不僅會形成硝酸型酸雨，還可能形成光化學煙霧。因此必須對含有氮氧化物的廢氣進行處理。(1)用氫氧化鈉溶液可以吸收廢氣中的氮氧化物，發生反應的化學方程式為NO2＋NO＋2NaOH=2NaNO2＋H2O，在該反應中，氧化劑是________，還原劑是______。(2)在一定條件下氨可用來將氮氧化物轉化為無污染的物質。寫出氨和二氧化氮在一定條件下反應的化學方程式：_______________________________________________________，反應中氧化劑是________，還原劑是________。(練習1出處：2019·濟南一中期末。推薦理由：通過具體的問題情境，探究氮的氧化物的性質，體現“宏觀辨識”和“微觀探析”這一素養。)[解析]1)NO2中氮元素的化合價降低，NO2作氧化劑，NO中氮元素的化合價升高，NO作還原劑。(2)氨和二氧化氮反應后生成的無污染的物質是氮氣和水。[答案](1)NO2NO(2)6NO2＋8NH3eq\o(=,\s\up7(一定條件))7N2＋12H2ONO2NH3 [歸納總結]NO和NO2性質的比較NONO2物理性質顏色無色紅棕色毒性有毒有毒溶解性不溶于水易溶于水化學性質與O2反應2NO＋O2=2NO2—能與H2O反應—3NO2＋H2O=2HNO3＋NO活動二：重難點突破問題3：氮氧化物的尾氣怎么處理？ 典例簡析[典型題例]N2O、NO和NO2等氮氧化物是空氣污染物，含有氮氧化物的尾氣需處理后才能排放。(1)N2O的處理。N2O是硝酸生產中氨催化氧化的副產物，用特種催化劑能使N2O分解。NH3與O2在加熱和催化劑作用下生成N2O的化學方程式為。(2)NO和NO2的處理。已除去N2O的硝酸尾氣可用NaOH溶液吸收，主要反應為NO+NO2+2OH?2+H2O2NO2+2OH?++H2O①下列措施能提高尾氣中NO和NO2去除率的有(填字母)。A．加快通入尾氣的速率B．采用氣、液逆流的方式吸收尾氣C．吸收尾氣過程中定期補加適量NaOH溶液②吸收后的溶液經濃縮、結晶、過濾，得到NaNO2晶體，該晶體中的主要雜質是(填化學式)；吸收后排放的尾氣中含量較高的氮氧化物是(填化學式)。(3)NO的氧化吸收。用NaClO溶液吸收硝酸尾氣，可提高尾氣中NO的去除率。其他條件相同，NO轉化為的轉化率隨NaClO溶液初始pH(用稀鹽酸調節)的變化如圖所示。①在酸性NaClO溶液中，HClO氧化NO生成Cl?和，其離子方程式為。②NaClO溶液的初始pH越小，NO轉化率越高。其原因是。(典型題例出處：2019·江蘇高考題第16題，推薦理由：本題考查了陌生氧化還原方程式的書寫、化學實驗方案的選擇以及通過現象分析本質原因，培養了學生綜合運用所學知識的能力。)[簡析](1)NH3與O2在加熱和催化劑作用下發生氧化還原反應生成N2O，根據得失電子守恒和原子守恒可知反應有水生成，配平化學方程式為：2NH3+2O2N2O+3H2O，故答案為：2NH3+2O2N2O+3H2O；(2)①A.加快通入尾氣的速率，不能提高尾氣中NO和NO2的去除率，不選A；B.采用氣、液逆流的方式吸收尾氣，可使氣液充分接觸，能提高尾氣中NO和NO2的去除率，選B；C.定期補充適量的NaOH溶液可增大反應物濃度，能提高尾氣中NO和NO2的去除率，選C。故答案為：BC；②由吸收反應：NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O，2NO2+2OH-=NO2-+NO3-+H2O可知，反應后得到NaNO2和NaNO3混合溶液，經濃縮、結晶、過濾得到NaNO2和NaNO3晶體，因此得到的NaNO2混有NaNO3；由吸收反應可知，若NO和NO2的物質的量之比大于1：1，NO不能被吸收，因此，吸收后排放的尾氣中含量較高的氮氧化物是NO，故答案為：NaNO3；NO；(3)①在酸性的NaClO溶液中，次氯酸根離子和氫離子結合生成HClO，HClO和NO發生氧化還原反應生成NO3-和Cl-，根據得失電子守恒及電荷守恒、原子守恒，配平離子方程式為2NO+3HClO+H2O=2NO3-+3Cl-+5H+，故答案為：2NO+3HClO+H2O=2NO3-+3Cl-+5H+；②在相同條件下，氧化劑的濃度越大，氧化能力越強，由反應2NO+3HClO+H2O=2NO3-+3Cl-+5H+可知，溶液pH越小，溶液中HClO濃度越大，氧化NO的能力越強，故答案為：溶液pH越小，溶液中HClO的濃度越大，氧化NO的能力越強。[答案](1).2NH3+2O2N2O+3H2O(2).BC(3).NaNO3(4).NO(5).3HClO+2NO+H2O3Cl?+2+5H+(6).溶液pH越小，溶液中HClO的濃度越大，氧化NO的能力越強。[小結]NOx尾氣的處理方法(1)堿液吸收法2NO2＋2NaOH=NaNO3＋NaNO2＋H2ONO2＋NO＋2NaOH=2NaNO2＋H2ONO2、NO的混合氣體能被足量燒堿溶液完全吸收的條件是：n(NO2)≥n(NO)。一般適合工業尾氣中NOx的處理。(2)催化轉化法在催化劑、加熱條件下，氨可將氮氧化物轉化為無毒氣體(N2)或NOx與CO在一定溫度下催化轉化為無毒氣體(N2和CO2)。一般適用于汽車尾氣的處理。[練習2]為落實“五水同治”，某工廠擬綜合處理含NHeq\o\al(＋,4)廢水和工業廢氣(主要含N2、CO2、SO2、NO、CO，不考慮其他成分)，設計了如下流程：下列說法不正確的是()A．固體1中主要含有Ca(OH)2、CaCO3、CaSO3B．X可以是空氣，且需過量C．捕獲劑所捕獲的氣體主要是COD．處理含NHeq\o\al(＋,4)廢水時，發生反應的離子方程式為NHeq\o\al(＋,4)＋NOeq\o\al(－,2)=N2↑＋2H2O(練習2出處：2020山東青島一模，推薦理由:本題考查了學生根據實驗現象及物質的性質分析推理的能力。)[解析]A項，根據題中的流程，可以得出固體1為CaCO3、CaSO3和過量Ca(OH)2，正確；氣體1是不能被過量石灰乳吸收的NO、CO和N2，NO和NO2按1∶1的體積比能與NaOH溶液反應生成亞硝酸鈉，所以X可以是空氣，但不能過量，否則會生成NaNO3，錯誤；C項，氣體2為N2、CO，因“無污染氣體”為N2，故捕獲的氣體主要是CO，正確；D項，NHeq\o\al(＋,4)與NOeq\o\al(－,2)能夠發生歸中反應生成氮氣，離子方程式為NHeq\o\al(＋,4)＋NOeq\o\al(－,2)=N2↑＋2H2O，正確。[答案]：B[例題2]研究氮氧化物反應機理，對于控制汽車尾氣、保護環境有重要意義。(1)NO在空氣中存在如下反應：2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)ΔH上述反應分兩步完成，其中第一步反應①如下，寫出第二步反應②的熱化學方程式(其反應的焓變ΔH2用含ΔH、ΔH1的式子來表示)：①2NO(g)N2O2(g)ΔH1＜0②______________(2)工業制HNO3的尾氣中含有的NO2和NO常用NaOH溶液吸收，反應的化學方程式為：NO＋NO2＋2NaOH=2NaNO2＋H2O,2NO2＋2NaOH=NaNO2＋NaNO3＋H2O，現有平均組成為NOx的NO、NO2混合氣體，通入足量的NaOH溶液中，充分反應后沒有氣體剩余，則：①x的取值范圍為________________。②反應后溶液中n(NOeq\o\al(－,2))∶n(NOeq\o\al(－,3))＝__________________(用含x的代數式表示)。(3)電解法處理氮氧化合物是目前大氣污染治理的一個新思路，原理是將NOx在電解池中分解成無污染的N2和O2除去，如圖所示，兩電極間是新型固體氧化物陶瓷，在一定條件下可自由傳導O2－，電解池的陰極反應為____________________________________________。(例題2出處：2020全國=1\*ROMANI卷模擬題，本題主要考查在氮氧化物情景中蓋斯定律的應用、氧化還原反應中的電子守恒規律和電極反應方程式的書寫。)[解析](1)由蓋斯定律①＋②可得總反應2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)，所以總的熱化學方程式－①可得②，則②的熱化學方程式為O2(g)＋N2O2(g)2NO2(g)ΔH2＝ΔH－ΔH1。(2)平均組成為NOx的NO、NO2混合氣體，通入足量的NaOH溶液中，充分反應后沒有氣體剩余，根據反應NO＋NO2＋2NaOH=2NaNO2＋H2O和2NO2＋2NaOH=NaNO2＋NaNO3＋H2O，說明只有當n(NO2)∶n(NO)≥1時，混合氣體才能被NaOH溶液完全吸收。當n(NO)∶n(NO2)＝1時，x＝1.5；當只有NO2時，x＝2；故x取值范圍為1.5≤x＜2。NOx被NaOH溶液完全吸收時，根據氧化還原反應中得失電子守恒規律，可寫出反應的化學方程式：2NOx＋2NaOH=(5－2x)NaNO2＋(2x－3)NaNO3＋H2O，因此反應后溶液中n(NOeq\o\al(－,2))∶n(NOeq\o\al(－,3))＝(5－2x)∶(2x－3)。(3)陰極發生還原反應，根據題意，陰極上是NOx獲得電子生成N2與O2－，因此電極反應式為2NOx＋4xe－=N2＋2xO2－。[答案](1)O2(g)＋N2O2(g)2NO2(g)ΔH2＝ΔH－ΔH1(2)①1.5≤x＜2②(5－2x)∶(2x－3)(3)2NOx＋4xe－=N2＋2xO2－活動三：鞏固提升1．下列說法正確的是()A．氮氣化學性質通常不活潑，可將熾熱的鎂粉放在氮氣中冷卻B．汽車尾氣中有NOx，主要是汽油不充分燃燒引起的C．食品袋中充氮氣來防氧化D．22.4L(標準狀況)氮氣中含有約7×6.02×1023個中子2．下列化學事實及其解釋都正確的是()A．NO2與水反應，NO2作還原劑，水作氧化劑B．某溶液中含有大量的NOeq\o\al(－,3)，該溶液中一定不存在大量的Fe2＋C．閃電時，空氣中的N2和O2可直接化合生成NO2D．除去NO中混有少量NO2氣體時，可以用水洗滌后再干燥3．(2022江蘇高考)氮及其化合物的轉化具有重要應用。下列說法不正確的是()A．自然固氮、人工固氮都是將轉化為B．侯氏制堿法以、、、為原料制備和C．工業上通過催化氧化等反應過程生產D．多種形態的氮及其化合物間的轉化形成了自然界的“氮循環”4．研究表明，氮氧化物和二氧化硫在形成霧霾時與大氣中的氨有關(如下圖所示)。下列敘述錯誤的是()A．霧和霾的分散劑相同B．霧霾中含有硝酸銨和硫酸銨C．NH3是形成無機顆粒物的催化劑D．霧霾的形成與過度施用氮肥有關5．下列反應必須加入氧化劑且一步反應就能完成的是()①N2→NO2②NO2→NO③NO2→HNO3④N2→NO⑤N2→NH3A．① B．②⑤C．④ D．③④[參考答案]1．C解析：熾熱的鎂粉可與氮氣反應生成氮化鎂，A錯誤；汽車尾氣中有NOx，主要是空氣中的氧氣和氮氣在汽車的氣缸內高溫作用下生成的，B錯誤；氮氣是雙原子分子，一個氮氣分子有14個中子，22.4L(標準狀況)氮氣中含有14NA個中子，D錯誤2．D解析：NO2與水反應，NO2是還原劑也是氧化劑，A錯誤；NOeq\o\al(－,3)和Fe2＋能共存，例如硝酸亞鐵溶液，但在酸性條件下，NOeq\o\al(－,3)能氧化Fe2＋，B錯誤；空氣中的N2和O2直接化合生成的是NO，C錯誤。將混有少量NO2的NO氣體通過水洗滌后，因NO2與水反應生成NO，再干燥即可，D正確。3.A4.C解析：A．霧的分散劑是空氣，分散質是水。霾的分散劑是空氣，分散質固體顆粒。因此霧和霾的分散劑相同，A正確；B．由于氮氧化物和二氧化硫轉化為銨鹽形成無機顆粒物，因此霧霾中含有硝酸銨和硫酸銨，B正確；C．在化學反應里能改變反應物化學反應速率(提高或