5.2.1 氮气和氮氧化物（解析版）-【帮课堂】2023-2024学年高一化学同步学与练（人教版2019必修第二册）.docx

1、第二节 氮及其化合物第1课时 氮气和氮氧化物1了解氮的固定和自然界中氮的循环。2了解氮气的主要化学性质。3认识氮氧化物的性质与转化。一、氮气与氮的固定1氮元素的原子结构和性质(1)氮元素的原子结构氮元素位于元素周期表的第二周期第A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。氮原子一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。(2)氮元素在自然界中的存在游离态：主要以氮气分子的形式存在于空气中，约占78%（体积分数）。化合态：存在于动植物体内的蛋白质中，土壤、海洋的硝酸盐和铵盐中。2氮气的性质(1)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、。(2)化学性质氮分子内两个氮原子间以共价三键(NN)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，但在高温、放电等条件下，氮气也可以与镁、氧气、氢气等物质发生化合反应。写出氮气与下列物质反应的化学方程式。金属镁：N23MgMg3N2，氮气表现氧化性；氢气：N23H22NH3，氮气表现氧化性；氧气：N2O22NO，氮气表现还原性。(3)用途氮气常用作保护气，如焊接金属、填充灯泡、保存食品等。氮气是合成氨、制硝酸的重要原料。液氮可用作制冷剂，应用于医学、科技等领域。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：自然

3、固氮：大自然通过闪电释放能量将氮气转化为含氮的化合物（高能固氮），或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化为氨（生物固氮）。人工固氮：工业合成氨。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与水反应2一氧化氮、二氧化氮的相互转化操作一：在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，观察颜色，然后吸入5 mL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10 mL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N

4、O2。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)NONO2：2NOO2=2NO2。(2)NO2NO：3NO2H2O=2HNO3NO，该反应中NO2既表现氧化性，又表现还原性。问题一 氮气的性质和氮的固定【典例1】氮在自然界中的循环如下图所示。(1)过程称为_，写出合成氨反应的化学方程式：_，该反应中氮气显_(填“氧化”或“还原”，下同)性。(2)过程中能通过_的作用将空气中的氮气固定下来，写出中固氮反应的化学方程式：_，该反应中氮气显_性。(3)过程中的亚硝酸盐有毒，工业上若直接排放将造成对环境的污染。已

5、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)。aH2O2bNH4ClcKNO3dNaOH答案：(1)人工固氮N23H22NH3氧化(2)豆科植物的根瘤菌N2O22NO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。【归纳小结】(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

6、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等反应)，又有还原性(与O2等反应)。【变式练1-1】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N2NH，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，B项错误；反硝

7、化作用中N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。【变式练1-2】下列关于氮气的说法中，正确的是()A通常情况下，氮气性质比较稳定B可在氧气中燃烧，生成一氧化氮C1 mol N2与3 mol H2完全反应生成2 mol NH3D氮元素是活泼的非金属元素，氮气在化学反应中只能作氧化剂答案：A解析：氮气分子中含有氮氮三键，性质比较稳定，A项正确；N2不能在O2中燃烧，N2与O2在放电或高温条件下反应生成NO，B项错误；N2与H2的反应是可逆反

8、应，1 mol N2与3 mol H2不可能完全反应生成2 mol NH3，C项错误；氮气中氮元素的化合价为0价，在化学反应中既可以升高也可以降低，既可作氧化剂，也可作还原剂，D项错误。问题二 氮氧化物的性质【典例2】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。N2O22NO,2NOO2=2NO2,3NO2H2O=2HNO3NO。【归纳小结】(1)NO易与O2反应、不溶于水、不与水反应，因此收集NO用排水法，不可用排空气法。NO2易与水反

9、应，但很难被O2氧化，因此收集NO2用向上排空气法，不可用排水法。(2)NO2和N2O4是两种不同的氧化物，通常情况下，NO2能进行自身二聚：2NO2(红棕色)N2O4(无色)，故NO2中总混有N2O4。【变式练2-1】最新病毒学研究证实，一氧化氮对SARS病毒有直接的抑制作用。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的气体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是无色气体，不溶于水，易与O2化合生成NO2，在放电的条件下N2与O2化合生成NO。【变式练2-2】下列有关

10、NO2的说法中正确的是()ANO2能与水反应生成硝酸，在反应中NO2只是还原剂B除去O2中混有的NO2，可将混合气体通过水，将NO2溶解CNO2与溴蒸气的鉴别可用NaOH溶液，溶于NaOH溶液得无色溶液的是NO2，得橙色溶液的为溴蒸气D在NO2与水的反应中氧化剂与还原剂的质量之比为12答案：D解析：除去O2中混有的NO2，将混合气体通过水，NO2溶解的同时又生成新的杂质NO，且NO又能与O2反应，故B项错误；NO2、溴蒸气分别与NaOH溶液反应均得无色溶液，所以NaOH溶液无法鉴别NO2与溴蒸气，故C项错误。问题三 氮氧化物溶于水的计算【典例3】工业生产硝酸时，由于NO2与H2O反应会生成HN

11、O3和NO，NO又可与O2反应生成NO2，因此通入适量的氧气可使NO或NO2恰好完全溶于水。(1)试根据反应3NO2H2O=2HNO3NO2NOO2=2NO2推出NO2与O2的混合气体、NO与O2的混合气体被水完全吸收转化为HNO3的化学方程式：_、_。(2)将一支充有12 mL NO2气体的试管倒置于水槽中，充分反应。下列图示正确的是_(填字母)。若水不能充满试管，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)2得：4NO2O22H2O=4HNO323得：4NO3O22H2O=4HNO3(2)C无色气体变为红棕色，液面逐渐上升3解析：(2)NO2溶于

12、水发生反应：3NO2H2O=2HNO3NO,12 mL NO2参与反应，生成的NO为4 mL，生成NO的体积占试管体积的，故选C。向试管中缓缓充入O2，发生反应2NOO2=2NO2，故气体颜色由无色变为红棕色，然后发生反应3NO2H2O=2HNO3NO，故液面逐渐上升，将和两式相组合得4NO3O22H2O=4HNO3，要使水全部充满试管，需充入3 mL氧气。【归纳小结】(1)NO2溶于水或NO2(混有NO)通入水，由3NO2H2O=2HNO3NO可知：剩余气体是NO，气体减少的体积是NO2体积的。(2)NO和O2通入水中由4NO3O22H2O=4HNO3可知：V(NO)V(O2)(3)NO2和

13、O2混合气体通入水中由4NO2O22H2O=4HNO3可知：V(NO2)V(O2)(4)NO、NO2和O2三种气体通入水中先按3NO2H2O=2HNO3NO计算出生成的NO体积，然后加上原来混合气体中NO体积，再按2计算。【变式练3-1】将盛有1 mol NO和NO2混合气体的试管倒立于盛满水的水槽中，再通入0.4 mol O2，充分反应后，整个试管充满水。则原混合气体中NO与NO2体积比为()A12 B25 C37 D无法确定答案：C解析：设1 mol NO和NO2的混合气体中有a mol NO和(1a) mol NO2，根据4NO3O22H2O=4HNO3和4NO2O22H2O=4HNO3

14、可得：a0.4，所以a0.3，V(NO)V(NO2)37。【变式练3-2】将装有50 mL NO2、NO混合气体的量筒倒立在水槽中，反应后气体体积缩小为30 mL，则原混合气体中NO2和NO的体积比是()A53 B35 C32 D23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，3NO2H2O=2HNO3NOV3 mL1 mL3 mL1 mL2 mLx50 mL30 mL20 mL，x30 mL，则原混合气体中NO的体积为50 mL30 mL20 mL，所以V(NO2)V(NO)30 mL20 mL32。【基础强化】1下列

15、反应中，属于氮的固定的是()A由氨制成碳酸氢铵或硫酸铵BNO2与H2O反应生成HNO3CNO和O2反应生成NO2DN2和H2在一定条件下合成氨答案：D2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“雷电作用”中发生的反应是N2O22NOB过程“固氮作用”中，氮气被还原C中涉及的反应可能有2NOO2=2NOD中涉及的反应可能有2NO12H=N26H2O答案：D解析：过程“雷电作用”中氮气与氧气化合生成NO，即发生的反应是N2O22NO，A正确；过程“固氮作用”中氮元素化合价降低，氮气被还原，B正确；中NO被氧化为

16、NO，涉及的反应可能有2NOO2=2NO，C正确；中氮元素化合价降低，NO被还原，涉及的反应不可能为2NO12H=N26H2O，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。3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、降低血压以及提升记忆力的作用。下列关于NO的说法正确的是()ANO是无色气体，易溶于水，是酸性氧化物BNO在人体内可作“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CNO在空气中可以转为NO2，二者都是大气污

17、染物DNO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、不溶于水的气体，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：2NOO2=2NO2，NO、NO2都是大气污染物，C项正确；NO分子中氮元素化合价为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。4下列有关NO2的说法正确的是()ANO2可由N2与O2反应直接制备BNO2有毒，但因其易溶于水且与水反应，因此不属于大气污染物CNO2既有氧化性也有还原性DNO2为红棕色气体，因此将NO2通入水中，溶液显红棕色答案：C解析：N2与O2在

18、放电或高温条件下反应生成NO，不能直接生成NO2，A项错误；NO2属于大气污染物，B项错误；NO2与H2O反应生成HNO3和NO，说明NO2既有氧化性也有还原性，C项正确；NO2通入水中，生成NO和HNO3，溶液呈无色，D项错误。5德国滤清专家曼胡默尔推出一项新技术，用于降低污染严重地区的二氧化氮(NO2)浓度。下列关于氮的氧化物的说法中正确的是()A氮的氧化物都是酸性氧化物，都是大气污染物B氮的氧化物都既有氧化性，又有还原性CNO2与H2O反应生成HNO3，所以NO2是酸性氧化物D可以用排空气法收集NO2答案：D解析：氮的氧化物均会对大气产生污染，NO、NO2不是酸性氧化物，A项错误；N2O

19、5中氮元素为最高价，只有氧化性，B项错误；酸性氧化物是指能与碱反应生成盐和水的氧化物，有些酸性氧化物可与水化合生成酸，反应中中心元素化合价不变，HNO3对应的酸性氧化物是N2O5，C项错误；收集NO2能用排空气法，因为NO2不与空气成分反应，且密度比空气大，D项正确。6在汽车尾气净化装置中，气体在催化剂表面吸附与解吸作用的过程如图所示。下列说法不正确的是()A该转化过程中有3种元素的化合价发生变化BNO和O2必须在催化剂表面才能反应C该装置将有毒的NO和CO转化为无毒的CO2和N2D该催化转化的总反应的化学方程式为2NOO24CO4CO2N2答案：B解析：由图可知发生反应的化学方程式为2NOO

20、24CO4CO2N2，该转化过程中有N、O、C 3种元素的化合价发生变化，A、D正确；NO不稳定，与氧气反应生成NO2，该反应不需要催化剂，B错误；由化学方程式可知该装置将有毒的NO和CO转化为无毒的CO2和N2，C正确。7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

21、。根据题述现象可知，原试管中盛装的气体的成分可能为NO2、NO2和O2(少量)、NO2和NO等。8在同温同压下，将等体积混合而成的四组气体：NO2O2、NO2NO、HClN2、SO2O2，分别通入体积相同的试管，并立即倒立于水槽中，如图所示。待试管内液面稳定后，剩余气体的体积依次为V1、V2、V3、V4，则剩余气体的体积最小的是()AV1 BV2 CV3 DV4答案：A解析：假设每种气体的体积都是a，试管的容积为2a，气体减少的体积等于试管内液体的体积。根据反应4NO2O22H2O=4HNO3可知，NO2完全反应，剩余气体是O2，剩余O2的体积为a；根据反应3NO2H2O=2HNO3NO可知，

22、生成NO的体积为，所以剩余气体是NO，其体积为；氮气和水不反应，氯化氢极易溶于水，所以剩余气体的体积为a；SO2溶于水时，可与水反应生成H2SO3，H2SO3不稳定，易分解，该反应是可逆反应，O2和水不反应，故剩余气体的体积大于a。综上所述，剩余气体的体积最小的是。9已知A、B、C为化合物，X为单质。其中，A是一种能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体；X为双原子分子，其原子的最外层电子数为内层的3倍。A、B、C、X之间存在如下转化关系：(1)X的化学式为_。(2)B转化为C的化学方程式为_，C是一种_色气体。(3)工业上以NH3、空气、水为原料生产硝酸：NH3NO化学方程式为_；NONO2实验现象

23、是_。答案：(1)O2 (2)2NOO2=2NO2红棕(3)4NH35O24NO6H2O 气体由无色变成红棕色10某化学学习小组为探究NO2和SO2的反应，特进行如下实验(如图所示)。(1)图1两集气瓶中_(填“上”或“下”)瓶颜色深。 (2)图2中反应的现象是_。 (3)图3中“有红棕色气体产生”说明SO2和NO2反应的产物中有_，说明NO2在该反应中表现_性。 (4)由图2和图3中的现象写出NO2和SO2反应的化学方程式：_。 答案：(1)下(2)下瓶中的红棕色逐渐消失，最终变为无色(3)NO氧化(4)NO2SO2=NOSO3解析：图3中反应生成的气体遇空气显红棕色，说明图2中反应生成了N

24、O，即NO2和SO2反应，NO2转化为NO，表现氧化性，而SO2则表现还原性，被氧化，硫元素化合价升高，只能变成6价，应转化为SO3。【能力提升】1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实验时应先加热装置C，通入一段时间空气后再加热装置DD装置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

25、先加热装置C，通入一段时间空气除去氧气，然后再加热装置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。2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NO2C探究NO2可能被NaOH溶液完全吸收生成NaNO2和NaNO3D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。3如图所示，在注射器里吸入20 mL

26、NO(标准状况下)，然后吸入5 mL水。若再吸入30 mL空气(标准状况，按O2占空气总体积计算)，夹住弹簧夹，让内外大气压相同，观察现象。下列叙述不正确的是()A可观察到注射器内气体由无色变成红棕色，最后变成无色B可观察到注射器的活塞缓缓向右移动C最终剩余气体体积约为36 mLD所得硝酸的浓度约为0.07 molL1(假设所得硝酸的体积与吸入水的体积相同)答案：B解析：一氧化氮与氧气发生反应生成二氧化氮，二氧化氮与水发生反应生成硝酸和一氧化氮，反应的化学方程式分别为2NOO2=2NO2和3NO2H2O=2HNO3NO，总反应的化学方程式为4NO3O22H2O=4HNO3。注射器中一氧化氮的体

27、积为20 mL，氧气的体积为30 mL6 mL，标准状况下，气体体积之比等于其物质的量之比，根据4NO3O22H2O=4HNO3可知氧气完全参与反应，消耗的氧气为6 mL，参与反应的一氧化氮为8 mL，最终剩余12 mL NO。注射器内气体先由无色变成红棕色，然后慢慢变浅，最终气体为无色，A项正确；反应后气体体积为12 mL(30 mL6 mL)36 mL，体积减小，故反应过程中注射器的活塞缓缓向左移动，B项错误、C项正确；生成硝酸的物质的量为，故硝酸的浓度为0.07 molL1，D项正确。4氮氧化物会严重污染大气，所以实验室必须对含有氮氧化物的废气进行处理。用NaOH溶液可以吸收废气中的氮氧

28、化物，反应的化学方程式如下：NONO22NaOH=2NaNO2H2O2NO22NaOH=NaNO2NaNO3H2O(1)在反应中，参加反应的氧化剂和还原剂的物质的量之比为_。(2)下列措施能提高尾气中NO和NO2去除率的是_(填字母)。A加快通入尾气的速率B采用气、液逆流的方式吸收尾气C吸收尾气过程中定期补加适量NaOH溶液(3)吸收后的溶液经浓缩、结晶、过滤，得到NaNO2晶体，该晶体中的主要杂质是_(填化学式，下同)；吸收后排放的尾气中含量较高的氮氧化物是_。(4)NO的氧化吸收。用NaClO溶液吸收硝酸尾气，可提高尾气中NO的去除率。在酸性NaClO溶液中，HClO氧化NO生成Cl和NO

29、，反应的离子方程式为_。答案：(1)11(2)BC(3)NaNO3NO(4)3HClO2NOH2O=3Cl2NO5H5前几年我国多地发生了严重的雾霾天气，这种天气的形成与汽车尾气排放有关。汽车尾气中常含有CO、NOx等气体，为减轻污染，一般汽车都加装了“催化净化器”，可将汽车尾气中的有毒气体转化为无污染的气体。某化学兴趣小组在实验室模拟汽车尾气处理，设计了如图所示装置(部分夹持装置已略去)。(1)装置的主要作用为_。(2)停止加热，打开活塞K，放入适量氧气时，装置中可观察到的现象是_。(3)该套装置的不完善之处是_。(4)汽车尾气中含有CO和NOx，消除它们对大气污染的方法是安装催化转化器，使

30、它们发生反应生成两种无毒的气体，其中一种是单质，该反应的化学方程式为_。(5)工业上常用纯碱液来吸收NOx，有关反应的化学方程式为2NO2Na2CO3=NaNO2NaNO3CO2、NO2NONa2CO3=2NaNO2CO2。现有标准状况下a L NO2和b L NO的混合气体恰好被200 mL Na2CO3溶液完全吸收，则a、b应满足的关系为_。Na2CO3溶液的物质的量浓度为_ molL1。答案：(1)检验CO是否转化为CO2(2)出现红棕色气体(3)无尾气处理装置(4)2xCO2NOxN22xCO2(5)ab11或ab解析：(1)一氧化碳和一氧化氮在催化剂和加热的条件下转化为氮气和二氧化碳

31、，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，所以装置的主要作用是检验CO是否转化为CO2。(2)由于有部分一氧化氮没有转化为氮气，向装置中通入氧气时，装置中一氧化氮与氧气反应生成红棕色的二氧化氮，因此装置中的现象为出现红棕色气体。(3)由于尾气中仍残留未反应的一氧化氮和一氧化碳，所以该装置的不完善之处是无尾气处理装置。(4)依据题意和元素守恒可知，该反应的化学方程式为2xCO2NOxN22xCO2。(5)依据反应2NO2Na2CO3=NaNO2NaNO3CO2、NO2NONa2CO3=2NaNO2CO2可知，二氧化氮和一氧化氮的物质的量之比应大于或等于11，气体才会反应完全。与二氧化氮和一氧化氮反应的碳酸钠的物质的量为 mol，与二氧化氮单独反应的碳酸钠的物质的量为 mol，所以碳酸钠的物质的量浓度为 molL1。