版高中化学必修1学案321 自然界中氮的循环和Word下载.docx
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(2)分类:
氮的固定
二、氮的氧化物
1.不同价态的氮的氧化物
氧化物
N2O
NO
N2O3
NO2
N2O4
N2O5
对应氮的化合价
+1
+2
+3
+4
+5
2.NO和NO2
(1)物理性质:
无色
红棕色
状态
气态
无味
刺激性气味
毒性
有毒
水溶性
难溶
易溶
(2)相互转化:
①NO→NO2:
2NO+O2===2NO2,
②NO2→NO:
3NO2+H2O===2HNO3+NO。
【练一练】
1.正误判断,正确的打“√”,错误的打“×
”
(1)不能用排空气法收集N2( )
(2)工业上合成氨及生产尿素均为氮的固定( )
(3)向一定容积容器中充入1LN2和3LH2,充分反应能得到2LNH3( )
(4)除去NO中的NO2气体可以使混合气体通过蒸馏水( )
答案
(1)√
(2)×
(3)×
(4)√
2.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.②⑤
C.④D.③④
答案 C
解析 ①不能一步完成,②③与H2O反应即可,但H2O不是氧化剂,⑤加入的H2是还原剂。
3.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。
答案 雷电发生时,N2和O2化合成NO,NO迅速被氧化为NO2,NO2溶于水生成HNO3,HNO3跟土壤中的矿物作用生成硝酸盐,NO
可被植物吸收。
N2+O2
2NO,2NO+O2===2NO2,3NO2+H2O===2HNO3+NO。
一、NO和NO2的比较
物质
色、态、毒性
无色、无味、有毒气体
红棕色、有刺激性气味、有毒气体
易溶于水
与氧气反应
2NO+O2===2NO2(还原性)
不反应
与水反应
3NO2+H2O===2HNO3+NO(自身氧化还原)
与氧气、水
同时作用
4NO+3O2+2H2O===4HNO3
4NO2+O2+2H2O===4HNO3
【例1】 一定体积的NO2气体依次通过盛有以下物质的容器,饱和NaHCO3溶液→浓H2SO4→固体Na2O2,发生反应的化学方程式:
(1)________________________________________________________________________;
(2)________________________________________________________________________;
(3)________________________________________________________________________;
(4)________________________________________________________________________。
解析 NO2气体通入饱和NaHCO3溶液,首先与H2O反应生成HNO3和NO,生成的HNO3继续与NaHCO3反应生成CO2及水蒸气,通过浓H2SO4除去水蒸气,此时剩下气体为NO和CO2,通过固体Na2O2后CO2被吸收放出O2,O2与NO反应生成NO2。
答案
(1)3NO2+H2O===2HNO3+NO
(2)NaHCO3+HNO3===NaNO3+CO2↑+H2O
(3)2CO2+2Na2O2===2Na2CO3+O2
(4)2NO+O2===2NO2
解题反思
因为NO极易与O2生成NO2,颜色由无色变为红棕色,所以一般用O2与其反应,通过颜色的变化确定NO的存在。
变式训练1 NO是________色________溶于水的有毒气体。
易与血液中________结合,使人中毒,同时微量的NO会促进________扩张,防止血管栓塞。
NO的化学性质主要表现在两个方面:
一是极易与氧气反应,化学方程式为___________________________________;
二是与氨气或NO2发生归中反应,NO与NH3发生反应生成N2,化学方程式为______________________;
NO与NO2和NaOH溶液反应的化学方程式为_________________________________________________________。
上述两反应可消除NO对环境的污染。
NO2是________色,有________气味的有毒气体,______溶于水。
NO2的化学性质主要表现在三方面:
一是自身歧化反应,如NO2与H2O反应,化学方程式为________________________,NO2在碱性条件下反应,化学方程式为__________________;
二是NO2与NH3、NO之间的归中反应,如NO2和NH3在一定条件下可反应生成N2的化学方程式为________________________;
NO2和NO可被NaOH溶液吸收;
三是NO2具有强氧化性,如NO2可与SO2反应,化学方程式为__________________________,能使湿润的KI淀粉试纸变蓝。
答案 无 难 血红蛋白 血管 2NO+O2===2NO2
4NH3+6NO
5N2+6H2O NO+NO2+2NaOH===2NaNO2+H2O 红棕 刺激性 易 3NO2+H2O===2HNO3+NO 2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O 6NO2+8NH3
7N2+12H2O NO2+SO2===SO3+NO
二、氮的氧化物溶于水的计算
1.反应原理
①3NO2+H2O===2HNO3+NO
②2NO+O2===2NO2
反应①×
2+②⇒
2+②×
3⇒
2.计算类型
(1)
(2)
(3)
(4)
特别提醒
若将amolNO、bmolNO2和cmolO2的混合气体通入水中,没有气体剩余,则a、b、c应满足
a+
b=c。
【例2】 将10mL充满NO2和O2的混合气体的试管,倒置在水槽中,反应停止后试管内剩余2mL的无色气体,求原混合气体中NO2和O2各多少毫升?
解析 剩余2mL气体可能是NO或O2,分两种情况讨论:
(1)剩余的是NO,可以看成先发生了反应:
4NO2+O2+2H2O===4HNO3剩余的NO2又与水作用,最终有2mLNO产生。
由反应3NO2+H2O===2HNO3+NO得,剩余的NO2体积为2mL×
3=6mL。
则原有O2体积为(10mL-6mL)×
=0.8mL,NO2体积为10mL-0.8mL=9.2mL。
(2)剩余的是O2,则有10mL-2mL=8mLNO2和O2的混合气体按反应4NO2+O2+2H2O===4HNO3进行。
所以NO2的体积为8mL×
=6.4mL,O2体积为10mL-6.4mL=3.6mL。
答案 若剩余的气体是NO,则NO2和O2的体积分别为9.2mL和0.8mL;
若剩余的气体是O2,则NO2和O2的体积分别为6.4mL和3.6mL。
(1)NOx和O2的混合气体溶于水,剩余气体可能为O2,也可能为NO。
(2)可以利用电子守恒法解答NOx和O2混合气体溶于水的有关问题。
变式训练2 在一定条件下,将6体积的NO2(不考虑N2O4)和一定体积的NO置于试管中,并将试管倒置于水中,当通入4.5体积的O2充分反应后,剩余1.5体积气体,则原NO体积可能为( )
A.4体积B.5体积
C.5.5体积D.3体积
解析 本题的关键在于理解剩余的1.5体积气体,可能是一氧化氮,也有可能是氧气。
若是一氧化氮,则氧气全部反应,二氧化氮完全反应用掉了1.5体积氧气,剩余3体积应该被一氧化氮消耗,所以一氧化氮体积为4体积+1.5体积=5.5体积;
若剩余的为氧气,则此过程中一氧化氮消耗的氧气为1.5体积,所以一氧化氮的体积是2体积。
1.关于氮气的性质的说法中,错误的是( )
A.氮在自然界中既以游离态存在又以化合态存在
B.通常情况下,氮气性质很不活泼
C.可在氧气中燃烧生成一氧化氮
D.大气、陆地和水体中的氮元素在不停地进行着氮的循环
解析 通常情况下氮气的性质很不活泼,在放电或高温条件下,能跟氧气反应。
2.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
解析 N2性质稳定,但高温下可与O2等物质发生反应,在反应中表现出氧化性或还原性;
氮气比空气轻且不溶于水并不是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。
3.下列各项属于自然固氮的是( )
A.植物从土壤中吸收含氮肥料
B.合成氨制取氮肥
C.豆科植物的根瘤菌将氮气转变成硝酸盐等含氮的化合物
D.仿生固氮
解析 A、B两项是化合态氮之间的转化,不属于氮的固定;
D属于人工固氮;
C属于自然固氮。
4.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
5.把少量NO2气体通入过量小苏打溶液中,再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠颗粒的干燥管,最后收集到的气体是( )
A.氧气B.二氧化氮
C.二氧化氮和氧气D.二氧化氮和一氧化氮
解析 少量NO2气体通入过量小苏打溶液中,逸出的气体为NO、CO2,二者物质的量比为1∶2,同时还有少量水蒸气逸出,再使逸出的气体通过装有足量的过氧化钠颗粒的干燥管,CO2与过氧化钠反应生成的O2与NO反应生成NO2,O2有剩余,同时逸出的少量水蒸气与过氧化钠反应生成O2,所以最后收集到的气体是NO2和O2。
6.按图进行实验。
试管中装有12mLNO,然后间歇而又缓慢地通入8mLO2,下列是有关最终状态的描述:
①试管内气体呈棕色 ②试管内气体呈无色 ③试管内液面不变 ④试管内液面上升 ⑤试管内气体是O2 ⑥试管内气体是NO
其中正确的是( )
A.①③B.②④⑤
C.②④⑥D.②③⑤
解析 根据4NO+3O2+2H2O===4HNO3可得,剩余气体应为NO,体积为
mL,试管内液面上升。
分层训练
[基础过关]
题组一 氮气的性质及氮的固定
1.下列关于氮气的说法中,错误的是( )
A.通常情况下,氮气性质比较稳定
B.氮气可经一步反应转化成二氧化氮
C.通常情况下,氮气在水中的溶解度很小
D.跟氢气在一定条件下发生反应时,氮气是氧化剂
2.下列关于自然界中氮循环(如下图)的说法不正确的是( )
A.氮元素均被氧化
B.工业合成氨属于人工固氮
C.含氮无机物和含氮有机物可相互转化
D.碳、氢、氧三种元素也参加了氮循环
解析 A项,人工固氮合成氨反应中,氮元素的化合价降低被还原,错误;
B项,工业合成氨属于人工固氮,正确;
C项,硝酸盐转化为蛋白质及经动物消化使蛋白质转化为氨气和铵盐,实现了含氮无机物和含氮有机物的相互转化;
并且碳、氢、氧三种元素也参加了氮的循环,C正确,D正确。
3.下列反应属于氮的固定的是( )
①N2和H2在一定条件下合成NH3
②NO2和H2O反应生成HNO3和NO
③Mg在N2中燃烧生成Mg3N2
④NO被空气氧化为NO2
A.①②B.②③
C.①③D.①④
解析 氮的固定是将游离态的氮转化为化合态的氮。
题组二 NO、NO2性质的定性判断
4.为除去混入NO中的少量NO2,应将气体通过( )
A.Na2CO3溶液B.NaHCO3溶液
C.H2OD.浓硫酸
解析 通过A、B两项都会生成CO2,导致带入新的杂质;
浓H2SO4不与NO2反应,故不能除去NO中的NO2;
由反应:
3NO2+H2O===2HNO3+NO知,水洗可除去NO中的NO2。
5.下列关于NO的说法正确的是( )
A.NO是酸性氧化物
B.NO只能通过人工合成
C.NO是大气污染物,会形成酸雨
D.NO可以用向上排空气法收集
6.某研究小组借助如图仪器装置收集NO气体,正确的操作是( )
A.从①口进气,用排水法集气
B.从①口进气,用排气法集气
C.从②口进气,用排水法集气
D.从②口进气,用排气法集气
解析 NO易与氧气反应,只能用排水法集气,当集气瓶内充满水时,气体要从上部进入,使水从底部排出。
7.如图所示,试管中盛装的是红棕色气体(可能是混合物),当倒扣在盛有水的水槽中时,试管内液面上升,但不能充满试管,当向试管内鼓入氧气后,可以观察到试管中液面继续上升,经过多次重复后,试管内完全被充满,原来试管中盛装的气体是( )
A.可能是N2和NO2的混合气体
B.一定是NO2气体
C.可能是NO与NO2的混合气体
D.只可能是NO2一种气体
解析 试管内气体为红棕色,故一定含有NO2,也可能含有NO,因为2NO+O2===2NO2,生成的NO2又可与水反应,使液面上升,NO2、O2与水反应的总反应的化学方程式为4NO2+O2+2H2O===4HNO3,故当试管内气体为NO2或NO2与NO的混合物时,通入适量O2,最终试管内可完全充满液体。
由于N2不溶于水,故不可能含有N2。
由此可知答案为C。
8.无色的混合气体甲,可能含NO、CO2、NO2、N2中的几种,将一定量的甲气体经过下图实验的处理,结果得到酸性溶液,而几乎无气体剩余,则甲气体的组成为( )
A.NO2、N2B.NO、CO2
C.NO2、CO2D.NO、CO2、N2
答案 B
解析 混合气体无色,气体中不含NO2,气体通过Na2O2后显红棕色,说明原混合气体中含有NO,且有与Na2O2反应生成O2的气体CO2,通入水中,溶液呈酸性,且几乎无气体剩余,说明原气体中不含N2。
题组三 NO、NO2溶于水的定量计算
9.现有NO2、O2的混合气体12mL,通入足量水中,充分反应后逸出气体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:
3NO2+H2O===2HNO3+NO
设原混合气体中O2的体积为V(O2),剩余气体可能是O2,也可能是NO。
①若剩余O2,则V剩=V(O2)-
[12mL-V(O2)]=2mL。
解得V(O2)=4mL。
②若剩余NO,则V剩=
[12mL-V(O2)-4V(O2)]=2mL。
解得V(O2)=1.2mL。
10.同温同压下,在3支相同体积的试管中分别充有等体积混合的两种气体,它们是①NO和NO2,②NO2和O2,③NO和N2。
现将3支试管均倒置于水槽中,充分反应后,试管中剩余气体的体积分别为V1、V2、V3,则下列关系正确的是( )
A.V1>
V2>
V3B.V1>
V3>
V2
C.V2>
V1D.V3>
V1>
解析 可假设试管体积均为2V,每种气体的体积均为V;
当倒置于水槽中时:
①中有反应:
3NO2+H2O===2HNO3+NO,则剩余气体的体积V1=
V;
②中有反应:
4NO2+O2+2H2O===4HNO3,则剩余O2的体积V2=
③中气体与水不反应,故试管中气体体积V3=2V。
综上所述,V3>
V2。
[能力提升]
11.氮氧化物进入大气后,不仅会形成硝酸型酸雨,还可能形成光化学烟雾,因此必须对含有氮氧化物的废气进行处理。
(1)用氢氧化钠溶液可以吸收废气中的氮氧化物,反应的化学方程式如下:
2NO2+2NO+4NaOH===4NaNO2+2H2O ①,
2NO2+2NaOH===NaNO2+NaNO3+H2O ②,在反应①中,氧化剂是________,还原剂是________。
在反应②中,氧化剂和还原剂的物质的量之比为________。
(2)汽车尾气中含有CO和NO,消除这两种物质对大气的污染的方法是安装催化转化器,使它们发生反应生成对大气无污染的气体,该反应的化学方程式为____________________________。
答案
(1)NO2 NO 1∶1
(2)2NO+2CO
N2+2CO2
解析
(1)在反应①中NO2中的氮元素化合价降低做氧化剂,NO中氮元素化合价升高做还原剂;
在反应②中氧化剂和还原剂都是NO2,它们的物质的量之比为1∶1。
(2)根据质量守恒定律结合题目信息可知,一氧化氮与一氧化碳反应后生成的对大气无污染的物质应为氮气和二氧化碳。
12.为了有效实现NO和NO2的相互转化,设计如下实验:
按图组装好实验装置,并检验装置气密性,实验前用排水法收集半瓶NO气体。
(1)打开止水夹,推动针筒活塞,使O2进入烧瓶。
关上止水夹,首先观察到烧瓶中的现象:
____________________________________________________________________,
产生此现象的化学方程式为____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)轻轻摇动烧瓶,观察到烧瓶中的现象为
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________。
产生此现象的化学方程式为_______________________________________________
答案
(1)烧瓶中气体由无色变为红棕色
2NO+O2===2NO2
(2)①烧杯中红棕色气体又变为无色
②烧杯中水倒吸到烧瓶中(或烧瓶中液面上升) 3NO2+H2O===2HNO3+NO
13.如图所示:
在B水槽中装有500mL水,容积为amL的试管A充满了NO2和NO的混合气体(标准状况),将试管A倒插入B水槽的水中。
充分反应后,试管A中余下气体的体积为0.5amL。
(1)将A倒插入B槽中发生的反应为_______________________________________
________________________________________________________________________,
该反应中氧化剂与还原剂的质量比为________,原混合气体中NO2和NO的物质的量之比为________。
(2)通过导气管C向余下0.5amL气体的试管A中持续通入氧气,A中可能观察到的现象是___________________________________________________________。
(3)当试管A中充满气体时停止通入氧气,然后将试管取出水槽,水槽B中溶液的物质的量浓度为________mol·
L-1(设溶液的体积仍为500mL)。
答案
(1)3NO2+H2O===2HNO3+NO 1∶2 3∶1
(2)无色气体变为红棕色,试管中液面不断上升至全充满。
继续通入氧气后,试管中液面下降,最后充满无色气味
(3)
解析
(1)试管A倒插入B水槽水中后,发生反应:
3NO2+H2O===2HNO3+NO,氧化剂与还原剂均为NO2,质量比为1∶2。
根据题意有
n(NO2)+n(NO)=
[n(NO2)+n(NO)],n(NO2)∶n(NO)=3∶1;
(2)试管A中剩余0.5amL气体为NO,通入氧气后,发生反应2NO+O2===2NO2,4NO2+O2+2H2O===4HNO3,可写为4NO+3O2+2H2O===4HNO3,无色气体变为红棕色气体,试管中液面不断上升至全充满,继续通入氧气后,试管中液面下降,最后充满无色气体(O2)。
(3)试管中充满气体时,根据氮原子守恒,n(HNO3)=n(气体)=
×
10-3mol,c(HNO3)=
=
mol·
L-1。
[拓展探究]
14.利用石灰乳和硝酸工业的尾气(含NO、NO2)反应,既能净化尾气,又能获得应用广泛的Ca(NO2)2,其部分工艺流程如下:
(1)一定条件下,NO与NO2可以生成一种新的氧化物,试写出该反应的化学方程式:
________________________________________________________________________
(2)上述工艺中采用气液逆流接触吸收(尾气从吸收塔底部进入,石灰乳从吸收塔顶部喷淋),其目的是______________________
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