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第五章 化学生产中的重要非金属元素
第二节 氮及其化合物
第一课时 氮气与氮的固定 一氧化氮和二氧化氮
【学习目标】1.通过阅读思考、讨论交流，了解氮气分子的结构、化学性质，熟悉自然界中氮的固定
方式和人工固氮的常用方法，了解氮的固定的重要意义，体会性质决定用途的核心理念。
2.通过实验探究、原理分析，从氮的氧化物的类别及氮的化合价的角度了解一氧化氮和二氧化氮的主
要性质、用途及相互转化关系，结合真实情境中的应用实例，熟知氮的氧化物溶于水的反应特点，感受化
学变化的奇妙。
【学习重点】氮气、一氧化氮、二氧化氮的化学性质
【学习难点】NO 溶于水的计算
x
【课前预习】
旧知回顾：1. 从元素化合价视角，简述硫元素常见化合价及对应的含硫物质有哪些？
【答案要点】硫元素常见化合价及对应物质有：-2（HS）、0（S）、+2（NaSO ）、+4（SO 、
2 2 2 3 2
HSO 等）、+6（SO 、HSO 等）。
2 3 3 2 4
2.硫元素的几种化合物及其单质存在下列转化关系(反应条件省略)，请写出相应转化的化学方程式。
浓HSO SO NaSO NaSO S
2 4 2 2 3 2 2 3
【答案要点】①Cu＋2HSO (浓)=====CuSO ＋SO ↑＋2HO，
2 4 4 2 2
②SO ＋2NaOH===Na SO ＋HO
2 2 3 2
③NaSO +S=Na SO
2 3 2 2 3
④NaSO+H SO =Na SO +S↓+SO ↑+H O，
2 2 3 2 4 2 4 2 2
新知预习：1.常温下,氮气化学性质稳定的原因是什么？但在一定条件下可以与一些金属和非金属发
生反应，请举例说明。
【答案要点】①在通常情况下，氮气化学性质稳定的原因是氮氮三键(N≡N)的键能大。
②在一定条件下，氮气可与O、H、Mg等反应，其化学反应方程式分别为N+O =======2NO、N
2 2 2 2 2
＋3H 2NH 、3Mg＋N=====MgN。
2 3 2 3 2
2.简述工业上利用氮的氧化物制取硝酸的原理及注意事项？
【答案要点】工业上就是利用3NO 十HO=2HNO ＋NO这一原理制取HNO，为了提高NO 的吸收率，
2 2 3 3 2
在吸收的过程中要补充适量的O，所以总的吸收反应可表示为：4NO ＋O＋2HO=4HNO 。NO与O 配比
2 2 2 2 3 2
适当时，也可以被水完全吸收。总的吸收反应可表示为：4NO＋3O＋2HO=4HNO 。
2 2 3
【课中探究】
情景导入：在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。在雷电的环境下，大自然中的一氧化
氮或微生物生命活动放出二氧化氮。产生的二氧化氮与水反应生成硝酸，硝酸可以供制氮肥。观看视频
“雷雨发庄稼”。
一、氮气与氮的固定
活动一、氮元素的存在及氮的固定
任务一、阅读教材P11页第一自然段，结合视频素材，回答氮元素在自然界的存在方式是什么？
【答案要点】①在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体
内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。
②氮元素在自然界中有两种存在形态：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）】和化合态（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）。
任务二、阅读教材P11页第二自然段内容，思考什么是氮的固定？氮的固定有哪些方法？
【答案要点】①氮的固定是指将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。
②氮的固定分自然固氮和人工固氮两种。自然固氮是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）。通过人工方法将游离态氮
转化为化合态氮的过程叫人工固氮，如工业合成氨等。
③氮的固定必须为将游离态的N 转化为化合态含氮物质的过程，为氧化还原反应。自然中的氮循环如
2
下图所示：
【对应训练】1．下列关于氮元素说法中，不正确的是（ ）
A．工业上氢气和氮气合成氨属于人工固氮
B．闪电时，大气中氮的氧化物的生成属于氮的固定
C．氮元素在自然界有游离态和化合态
D．非金属单质氮气在化学反应中只能作氧化剂
【答案】D
【解析】A．氮的固定是指游离态氮转化为化合态氮的过程，工业上氢气和氮气合成氨属于人工固氮，故A正确；B．闪电时，大气中氮气转化为氮的氧化物属于氮的固定，故B正确；C．氮元素在自然
界有游离态(氮气)和化合态(铵态氮和硝态氮等)，故C正确；D．非金属单质氮气在化学反应中能作氧化
剂，也能作还原剂，如氮气与氧气反应中，氮气作还原剂，故D错误；故选D。
2．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①“雷电作用”中发生的反应是N＋O ===== 2NO
2 2
B．过程③“固氮作用”中，氮气被还原
C．⑤中涉及的反应可能有2NO＋O===2NO
2
D．⑥中涉及的反应可能有2NO＋12H＋===N ↑＋6HO
2 2
【答案】D
【解析】过程①“雷电作用”中氮气与氧气化合生成NO，即发生的反应是N ＋O=====2NO，A正
2 2
确；过程③“固氮作用”中氮元素化合价降低，氮气被还原，B正确；⑤中NO被氧化为NO，涉及的反应
可能有2NO＋O===2NO，C正确；⑥中氮元素化合价降低，NO被还原，涉及的反应不可能为2NO＋12H
2
＋===N ↑＋6HO，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。
2 2
活动二、氮气的结构与性质
任务一、讨论交流：根据氮元素在周期表中的位置，推测氮气的结构及性质有何特点？
【答案要点】①氮元素位于元素周期表的第二周期第ⅤA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氮分子的电子式为 ，分子内两个氮原子间以共价三键( N≡N )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。
任务二、阅读教材P11-12页内容，结合教材P12页“科学史话”栏目，思考氮气具有哪些重要的性
质？
【答案要点】①物理性质：氮气是无色、无味、难溶于水，密度（1.25g/L)与空气相近，熔点-210℃，
沸点-196℃，约占空气体积的4/5。
②化学性质：a.通常情况下，氮气较稳定，与其他物质不反应；
b.在放电或高温下，能与氧气反应生成NO：N＋O=======2NO，N 体现还原性。
2 2 2
c.在一定条件下雨活泼金属反应：3Mg + N ===== Mg N ,N 体现氧化性。
2 3 2 2
d.在高温、高压条件下，能与氢气化合（工业上合成氨）：N+3H 2NH ，N 体现氧化性。
2 2 3 2
【注意】①氮气性质的“一惰性、两反应”。氮气化学性质很稳定，通常状况下，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。
②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H 等反应)，又
2
有还原性(与O 等反应)。
2
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 。
【对应训练】1．下列叙述错误的是（ ）
A．氮元素位于元素周期表的第二周期，第VA族
B．氮元素主要以氮分子的形式存在自然界中
C．氮元素最外层有5个电子
D．氮分子中的两个氮原子通过离子键结合
【答案】D
【解析】A．氮原子核外电子数为7，核外K、L层依次排有2、5个电子，氮元素位于元素周期表的
第二周期、第VA族，A项正确；B．在自然界里，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，部分氮元素
存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中，B项正确；C．
氮原子核外电子数为7，核外K、L层依次排有2、5个电子，即最外层有5个电子，C项正确；D．氮分子
中两个氮原子间以共价三键(N≡N)结合，D项错误；答案选D。
2．下列关于N 的说法中错误的是（ ）
2
A．豆科植物的根瘤菌将N 转换为氮的化合物不属于氮的固定
2
B．N + O =2NO，该反应是汽车尾气造成污染的主要原因之一
2 2
C．N 在空气中约占空气总体积的78%
2
D．在反应：3Mg + N =Mg N 中N 作氧化剂
2 3 2 2
【答案】A
【解析】A．豆科植物的根瘤菌将空气中的氮转化为化合态的氮，N是游离态氮元素变化为化合态，A
错误；B．汽车中的火花塞在打火过程中能引发氮气和氧气反应生成NO，产生的NO会导致空气污染，B
正确；C．氧气约占空气体积的21%，氮气约占空气体积的78%，C正确；D．在反应：3Mg + N =Mg N
2 3 2
中，氮由0价变为-3价，氮气是氧化剂，D正确；故选A。
二、一氧化氮和二氧化氮
活动一、一氧化氮和二氧化氮的性质
任务一、结合氮原子的结构及氮元素化合价特点，思考氮元素形成氧化物的类型有哪些？
【答案要点】①氮元素的化合价有-3、0、+1、+2、+3、+4、+5价，因此可形成的氧化物有NO、
2
NO、NO、NO 、NO、NO。
2 3 2 2 4 2 5②N O俗称笑气，具有麻醉作用，在氮的多种氧化物中只有NO 和NO 是酸性氧化物（酸酐），分
2 2 3 2 5
别对应亚硝酸（HNO）和硝酸（HNO）。
2 3
③常温常压，所有氮的氧化物均为有毒气体。
任务二、讨论交流：阅读教材P13页内容，完成教材P13页【实验5-5】（观看实验视频），思考一
氧化氮和二氧化氮具有哪些重要的性质？
【答案要点】①【实验5-5】
实验
装置
在一支50 mL的注射器里充入
实验 20mLNO，然后吸入5mL水，用乳胶管 打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气
后夹上弹簧夹，观察现象，然后振
操作
和弹簧夹封住管口，振荡注射器，观
荡注射器，再观察现象。
察现象。
振荡前：无色气体变红棕色
现象 无明显现象
振荡后：红棕色变为无色
②NO为无色无味的有毒气体，难溶于水，常温下，NO不稳定，具有还原性，易被氧化：2NO＋
O===2NO。故只能用排水法收集。
2 2
③NO 为红棕色、有刺激性气味的气体，有毒，溶于水时与水发生歧化反应：3NO ＋HO===2HNO ＋
2 2 2 3
NO。故只能用向上排空气法收集。
④NO 能与NaOH溶液反应，化学方程式为2NO ＋2NaOH===NaNO ＋NaNO ＋HO。
2 2 2 3 2
⑤NO和NO 都不是酸性氧化物，NO与碱、酸都不能反应生成盐和水，属于不成盐氧化物；NO 与碱
2 2
溶液发生氧化还原反应生成两种盐，也不属于酸性氧化物。
【对应练习】1.最新的病毒学研究证实，一氧化氮对SARS病毒有直接抑制作用。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是一种无色难溶于水的气体，可以用排水法收集；常温常压下，NO容易与氧气直接化合
生成NO 。
2
2.下列有关NO 的说法中正确的是( )
2
A．NO 能与水反应生成硝酸，在反应中NO 只是还原剂
2 2
B．除去O 中混有的NO ，可将混合气体通过水，将NO 溶解
2 2 2
C．NO 与溴蒸气的鉴别可用NaOH溶液，溶于NaOH溶液得无色溶液的是NO ，得橙色溶液的为溴蒸
2 2
气D．在NO 与水的反应中氧化剂与还原剂的质量之比为1∶2
2
【答案】D
【解析】除去O 中混有的NO ，将混合气体通过水，NO 溶解的同时又生成新的杂质NO，且NO又
2 2 2
能与O 反应，故B项错误；NO 、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
2 2
NO 与溴蒸气，故C项错误。
2
活动二、探究一氧化氮和二氧化氮与水的反应及计算
任务一、问题探究：联系NO 、NO的性质，若将充满NO 、NO的试管分别倒置于水槽中（如下
2 2
图），并通过导管通入少量的氧气有何现象？并分析其原理。
【答案要点】①图1中红棕色气体逐渐变为无色，试管内液面上升，持续通入适量O ，试管内可充满
2
水。当V(NO )∶V(O )＝4∶1时，NO 完全转化成HNO。
2 2 2 3
②图2无色气体先变成红棕色，后逐渐变为无色，试管内液面上升，持续通入适量O ，试管内可充满
2
水。当V(NO)∶V(O )＝4∶3时，NO完全转化成HNO。
2 3
任务二、拓展探究：结合教材P13页“思考与讨论”，思考氮的氧化物溶于水的相关原理是什么？对
工业上生产硝酸有什么启示？
【答案要点】①氮的氧化物溶于水的相关原理：
3NO ＋HO===2HNO ＋NO ①
2 2 3
2NO＋O===2NO ②
2 2
由方程式①×2＋②得：4NO ＋O＋2HO===4HNO ③
2 2 2 3
由方程式①×2＋②×3得：4NO＋3O＋2HO===4HNO ④
2 2 3
②NO 气体溶于水时仅涉及反应①：剩余气体为NO。
2
③NO 和O 的混合气体溶于水时涉及反应③，且存在下列几种情况：
2 2
x＝V(NO)/V(O ) 0
2 2
O 过量，剩余气体为 恰好完全反应，无气 NO 过量又发生反应
2 2
反应情况
O 体剩余 ①，只剩余NO
2
④NO、O 的混合气体溶于水时涉及反应④，也存在下列几种情况：
2
x＝V(NO)/V(O ) 0
2
恰好完全反应，无气
反应情况 O 过量，剩余O NO过量，剩余NO
2 2
体剩余
⑤工业制取硝酸工厂的尾气中含有NO、NO ，从减少污染物的排放及原料的充分利用角度考虑，可向
2
尾气中通入过量的空气，再用足量的水吸收，即可将NO、NO 完全转化为HNO。
2 3
【注意】①NO易与O 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。
2
NO 易与水反应，但很难被O 氧化，因此收集NO 用向上排空气法，不可用排水法。
2 2 2②NO 和NO 是两种不同的氧化物，通常情况下，NO 能进行自身二聚：2NO (红棕色) NO(无
2 2 4 2 2 2 4
色)，故NO 中总混有NO。
2 2 4
【对应练习】1．一定条件下，将等体积的NO和O 的混合气体置于试管中，并将试管倒立于水槽
2
中，充分反应后剩余气体的体积为原总体积的( )
A. B. C. D.
【答案】C
【解析】NO、O 、HO之间的反应，先判断是否过量，若过量，找出剩余的气体，计算其体积是多
2 2
少，最后算出剩余气体的体积占原总体积的分数。由方程式 4NO＋3O ＋2HO===4HNO 计算，NO和O
2 2 3 2
等体积混合，剩余O 体积，是原混合气体的。
2
2.如图所示，试管中盛装的是红棕色气体，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柱继续上升，经过多次重复后，试管内完全被水充
满，对原试管中盛装气体的说法正确的是( )
①可能是N 与NO 的混合气体 ②可能是NO 气体
2 2 2
③可能是NO与NO 的混合气体 ④只可能是NO 一种气体
2 2
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
【答案】B
【解析】是红棕色气体，那么一定有二氧化氮的存在，与水反应后生成一氧化氮，所以没有充满试
管，继续通入氧气，最终充满试管，则①肯定错误；如果有少量的氧气，大量的二氧化氮时②可以成立；
③中通入足量的氧气，NO也可以全部被吸收。
【课后巩固】1．（易）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
C．1 mol N 与3 mol H 完全反应生成2 mol NH
2 2 3
D．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；N 不能在O 中燃烧，N 与O 在放电
2 2 2 2
或高温条件下反应生成NO，B项错误；N 与H 的反应是可逆反应，1 mol N 与3 mol H 不可能完全反应
2 2 2 2
生成2 mol NH ，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
3
氧化剂，也可作还原剂，D项错误。
2．（易）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③
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N―→NH，即起始于氮的还原，A项错误；海洋中的氮循环属于固
2
氮作用的是②，B项错误；反硝化作用中N化合价降低，被还原，而O 是常见的氧化剂，不需要有O 参
2 2
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N 增多，从而影响海洋中NH的含量，D项正确。
2
3．（易）下列有关NO 的说法正确的是( )
2
A．NO 可由N 与O 反应直接制备
2 2 2
B．NO 有毒，但因其易溶于水且与水反应，因此不属于大气污染物
2
C．NO 既有氧化性也有还原性
2
D．NO 为红棕色气体，因此将NO 通入水中，溶液显红棕色
2 2
【答案】C
【解析】N 与O 在放电或高温条件下反应生成NO，不能直接生成NO ，A项错误；NO 属于大气污
2 2 2 2
染物，B项错误；NO 与HO反应生成HNO 和NO，说明NO 既有氧化性也有还原性，C项正确；NO 通
2 2 3 2 2
入水中，生成NO和HNO，溶液呈无色，D项错误。
3
4．（中）某无色混合气体中可能含有Cl 、O 、SO 、NO、NO 中的两种或多种。现将此混合气体通
2 2 2 2
过品红溶液，品红溶液褪色；然后向剩余气体中通入空气，很快变为红棕色。则下列对原混合气体成分的
判断中正确的是( )
A．肯定含有SO 和NO B．肯定没有Cl、O 和NO
2 2 2
C．可能含有Cl 和O D．肯定含有Cl 和NO
2 2 2
【答案】A
【解析】混合气体无色，排除红棕色的NO 和黄绿色的Cl ；混合气体通过品红溶液，品红溶液褪
2 2
色，说明含有SO ；向剩余气体中通入空气，很快变为红棕色，说明存在 NO，则可推知一定不存在O 。
2 2
故原混合气体中一定存在SO 和NO，肯定没有O、NO 和Cl。
2 2 2 2
5．（中）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SO 和NaO 反应可能有NaSO 生成
2 2 2 2 4
B．探究NO和NO可能化合生成NO
2 2
C．探究NO 可能被NaOH溶液完全吸收生成NaNO 和NaNO
2 2 3
D．探究向滴有酚酞溶液的NaOH溶液中通入Cl ，酚酞红色褪去的原因是溶液的酸碱性改变还是
2
HClO的漂白作用
【答案】B
【解析】NO和NO反应不可能生成NO ，因为氮元素的化合价均升高，没有元素化合价的降低。
2 26.（难）将盛有1 mol NO和NO 混合气体的试管倒立于盛满水的水槽中，再通入 0.4 mol O ，充分反
2 2
应后，整个试管充满水。则原混合气体中NO与NO 体积比为 ( )
2
A．1∶2 B．2∶5 C．3∶7 D．无法确定
【答案】C
【解析】设 1 mol NO 和 NO 的混合气体中有 a mol NO 和(1－a) mol NO ，根据 4NO＋3O ＋
2 2 2
2HO===4HNO 和4NO ＋O＋2HO===4HNO 可得：a＋＝0.4，所以a＝0.3，V(NO)∶V(NO )＝3∶7。
2 3 2 2 2 3 2
7．（中）下图是氮元素的转化示意图：
下列说法不正确的是（ ）
A．反应①是自然界中的氮的固定
B．反应②的现象是气体由无色变红棕色
C．反应③中氧化剂与还原剂的物质的量之比是1∶2
D．X的浓溶液与铁不能发生反应
【答案】D
【解析】A项，反应①是氮气和氧气在放电条件下生成 NO，属于自然界中的氮的固定，正确；B
项，NO是无色气体、NO 是红棕色气体，反应②的现象是气体由无色变红棕色，正确；C项，反应③的方
2
程式为HO＋3NO ＝2HNO＋NO，NO 中N元素化合价由＋4升高为＋5、由＋4降低为＋2，NO 既是氧
2 2 3 2 2
化剂又是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比是1∶2，正确；D项，HO＋3NO ＝2HNO ＋NO，X是
2 2 3
硝酸，常温下铁在浓硝酸发生钝化，钝化是化学变化，加热时浓硝酸与铁也能直接发生反应，错误。
8.（中）工业生产硝酸时，由于NO 与HO反应会生成HNO 和NO，NO又可与O 反应生成NO ，因
2 2 3 2 2
此通入适量的氧气可使NO或NO 恰好完全溶于水。
2
(1)试根据反应
①3NO ＋HO===2HNO ＋NO
2 2 3
②2NO＋O===2NO
2 2
推出NO 与O 的混合气体、NO与O 的混合气体被水完全吸收转化为HNO 的化学方程式：
2 2 2 3
__________________________________、_________________________________。
(2)将一支充有12 mL NO 气体的试管倒置于水槽中，充分反应。
2
①下列图示正确的是________(填字母)。
② 若 水 不 能 充 满 试 管 ， 需 再 向 试 管 中 缓 缓 充 入 O ， 现 象 为
2___________________________________，最终充入________ mL氧气，才能使水全部充满。
【答案】(1)①×2＋②得：4NO ＋O＋2HO===4HNO
2 2 2 3
①×2＋②×3得：4NO＋3O＋2HO===4HNO
2 2 3
(2)①C ②无色气体变为红棕色，液面逐渐上升 3
【解析】(2)①NO 溶于水发生反应：3NO ＋HO===2HNO ＋NO,12 mL NO 参与反应，生成的NO为4
2 2 2 3 2
mL，生成NO的体积占试管体积的，故选C。②向试管中缓缓充入O，发生反应②2NO＋O===2NO，故
2 2 2
气体颜色由无色变为红棕色，然后发生反应①3NO ＋HO===2HNO ＋NO，故液面逐渐上升，将①和②两
2 2 3
式相组合得4NO＋3O＋2HO===4HNO ，要使水全部充满试管，需充入3 mL氧气。
2 2 3
