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2019-2020年高一化學(xué)自然界中的元素 氮的循環(huán) 一. 教學(xué)內(nèi)容： 第3章 第2節(jié) 氮的循環(huán) 二. 教學(xué)目的 1. 能簡(jiǎn)要說明氮循環(huán)的基本過程，知道固氮的本質(zhì)以及生物固氮和人工固氮這兩種固氮形式。 2. 了解氮循環(huán)過程中的重要物質(zhì)以及人類活動(dòng)對(duì)氮循環(huán)和環(huán)境的影響（知道酸雨、光化學(xué)煙霧和富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題） 3. 能列舉含氮元素的單質(zhì)及其化合物了解氮?dú)狻睔?、銨鹽及硝酸的主要物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，知道NH的檢驗(yàn)方法和氨氣的實(shí)驗(yàn)室制法，能書寫相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式。 三. 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 氮?dú)狻?、銨鹽和硝酸的性質(zhì) 四. 知識(shí)分析 空氣中的主要物質(zhì)？植物生長(zhǎng)需要的主要元素？ （一）氮在自然界中的循環(huán)和存在形式 1. 氮元素在自然界中的存在形式 自然界中氮元素存在的形式一種是游離態(tài)，如N2，一種是化合態(tài)，如銨鹽、硝酸鹽、氨、蛋白質(zhì)等。 2. 氮在自然界中的循環(huán) （1）氮在自然界中的循環(huán)的基本過程 自然界里，空氣的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物可以直接吸收含氮化合物的兩種主要形式，豆科植物的根瘤菌把N2轉(zhuǎn)化為硝酸鹽；閃電使少量N2與O2化合生成NO，隨之變?yōu)橄跛犭S降水進(jìn)入土壤和水體。植物的根從土壤中吸收銨鹽、硝酸鹽，經(jīng)過復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化，形成了各種氨基酸，氨基酸最后變成蛋白質(zhì)。動(dòng)物以植物為食而獲得植物蛋白，并將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)物蛋白，動(dòng)物遺體中的蛋白質(zhì)被微生物分子分解成銨離子、硝酸根和氨，又回到了土壤和水體中，被植物再次吸收利用。 （2）氮循環(huán)的重要意義 由于存在著氮元素的循環(huán)，其他生命元素的循環(huán)，以及水的循環(huán)，地球的生命才生生不息，生機(jī)勃勃。 （二）氮循環(huán)的重要物質(zhì)及其變化 1. 氮?dú)? （1）物理性質(zhì) 無色無味的難溶于水的氣體；密度比空氣小，在空氣中約占總體積的78%，占其它質(zhì)量的75%。 （2）分子結(jié)構(gòu) 兩個(gè)氮原子之間的強(qiáng)烈作用，要破壞這種牢固的結(jié)合，需要很高的能量。常溫下，N2的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，但在高溫、放電、點(diǎn)燃等條件下能與O2、Mg、H2等反應(yīng)。 （3）化學(xué)性質(zhì) ①與O2反應(yīng)：N2+O2＝2NO ②與H2反應(yīng)：N2+3H2＝2NH3 ③與Mg的反應(yīng)：N2+3Mg＝Mg3N2 溫馨提示： ●由于N2的化學(xué)性質(zhì)不活潑，所以N2與其它物質(zhì)的反應(yīng)，需特別注意標(biāo)明條件。 ●N2和O2反應(yīng)后，“最初產(chǎn)物”是NO，而不是NO2。 ●一般情況下，N2不能燃燒，也不助燃，但Mg條卻可以在N2中燃燒。 （4）用途：a.保護(hù)氣b.液氮作深度冷凍劑c.合成氨等 思考：相同質(zhì)量的鎂條分別在O2、N2和空氣中充分燃燒，所得固體產(chǎn)物的質(zhì)量m1，m2，m3由大到小的順序是 （解答：m1>m3>m2 ） 重要補(bǔ)充：①氮的固定 概念：使空氣中游離的氮轉(zhuǎn)變?yōu)楹衔锏姆椒ā? 分類：自然固氮和人工固氮 ②可逆反應(yīng) 概念：在相同條件下，能同時(shí)正反兩個(gè)方向進(jìn)行的反應(yīng)，為可逆反應(yīng)，化學(xué)方程式中用“”代替“＝”。 特點(diǎn)：相同條件下，相反方向的兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)；與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)共存，如N2+3H2 2NH3反應(yīng)體系中就存在N2、H2、NH3分子。 2、氮的氧化物—NO、NO2的重要性質(zhì) （1）物理性質(zhì) NO：無色無味難溶于水的氣體 有毒 NO2：紅棕色有刺激性氣味的氣體 有毒 （2）化學(xué)性質(zhì) 2NO+O2＝2NO2 6NO+4NH3＝5N2+6H2O 3NO2+H2O＝2HNO3 ＋NO 6NO2+8NH3＝7N2+12H2O （3）計(jì)算中用到的兩個(gè)重要化學(xué)方程式 4NO+3O2+2H2O＝4HNO3 ；4NO2+O2+2H2O＝4HNO3 思考：① NO有毒，為什么在1992年被世界著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Seience，美國(guó)）評(píng)為明星分子？ ②NO2為什么能使多種織物退色，損壞多種織物和尼龍制品，對(duì)金屬和非金屬材料也有腐蝕作用？ ③實(shí)驗(yàn)室如何收集NO、NO2？為什么？ 解答：①NO作為一種神經(jīng)系統(tǒng)的信使分子，在使血管擴(kuò)張、免疫、增強(qiáng)記憶力等方面有著及其重要的作用。 ② NO2溶于水生成了硝酸，使織物退色、腐蝕材料。 ③ 收集NO用排水法，收集NO2用向上排空氣法；前者易與氧氣反應(yīng)，后者易與水反應(yīng) 3、氮的氫化物——NH3 （1）分子結(jié)構(gòu) 立體結(jié)構(gòu)（三角錐形） （2）物理性質(zhì) 無色、有刺激性氣味的氣體，標(biāo)況下密度為0.771gL－1，比空氣輕，極易溶于水（1:700），且快速溶解，易液化得液氨，液氨氣化時(shí)要吸收大量的熱，使物質(zhì)的溫度急劇下降，所以液氨常用作制冷劑。 關(guān)于噴泉實(shí)驗(yàn)： ①氨氣能形成噴泉的本質(zhì)原因是氨極易溶于水。 ②用教材中的裝置進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)，引發(fā)水上噴的操作是擠壓膠頭滴管，使少量水進(jìn)入燒瓶。該實(shí)驗(yàn)的原理是，少量水進(jìn)入燒瓶時(shí)，氨迅速溶解，瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)迅速降低，水在外界大氣壓作用下，壓入燒瓶。如果把膠頭滴管去掉，如何引發(fā)水上噴？ ③氨溶解于水不是簡(jiǎn)單的溶解過程，有化學(xué)反應(yīng)，生成堿性物質(zhì)。 （3）化學(xué)性質(zhì) ①氨與水的反應(yīng) NH3+H2O NH3H2O 說明： ●氨的溶解中更重要的是生成了NH3H2O，但溶質(zhì)為NH3 ●氨的水溶液顯弱堿性，NH3H2O NH4++OH— ●氨水易揮發(fā)，要密封保存，對(duì)許多金屬有腐蝕作用，不能用金屬容器盛裝。 ●氨水的密度小于水的密度，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，密度越小。 ●氨水的成分：NH3、H2O、NH3H2O、NH4+、OH— H+ ②氨與HCl反應(yīng) NH3+HCl＝NH4Cl 練習(xí)：寫出NH3與硝酸、硫酸、磷酸的化學(xué)方程式 解答：NH3+HNO3＝NH4NO3；2NH3+H2SO4＝(NH4)2SO4；3NH3+H3PO4＝(NH4)3PO4) ③氨與某些鹽溶液的反應(yīng) FeCl3+3NH3H2O＝Fe(OH)3↓+3NH4Cl ；MgCl2+2NH3H2O＝Mg(OH)2↓+2NH4Cl ④氨的還原性 a. 氨與O2的反應(yīng) 催化氧化：4NH3+5O2＝4NO+6H2O ；與純O2反應(yīng) ： 4NH3+3O2＝2N2+6H2O b. 與Cl2反應(yīng) ①氨氣不足（Cl2過量） 2NH3+3Cl2＝N2+6HCl ②氨氣足量 8 NH3+3Cl2＝N2+6NH4Cl c. 與CuO的反應(yīng) 2NH3+3CuO＝3Cu+N2+3H2O（可用于制N2） 小結(jié)： ●NH3是唯一能使?jié)駶?rùn)的紅色石蕊試紙變藍(lán)的氣體，可用于氨氣的檢驗(yàn) ●氨水與液氨為不同物質(zhì)，氨水為混合物，液氨為純凈物;NH3為非電解質(zhì)，而NH3H2O為弱電解質(zhì)。 ●與濃氨水靠近，能產(chǎn)生白煙現(xiàn)象的物質(zhì)：①揮發(fā)性酸如濃HNO3、濃HCl ②酸性氣體HCl、HBr、HI、H2S等；③Cl2。但濃H2SO4、濃H3PO4因難揮發(fā)而無此現(xiàn)象。 ●NH3可在純氧中燃燒，不是在空氣中燃燒，故NH3不屬于可燃燒氣體。 4. 銨鹽的主要性質(zhì) （1）概念：由銨根離子和酸根離子組成的鹽 （2）物理性質(zhì)：都是無色晶體，都易溶于水 （3）化學(xué)性質(zhì) ①受熱易分解 a. 熱不穩(wěn)定酸的銨鹽為NH3和酸的分解產(chǎn)物NH4HCO3NH3↑+CO2↑+H2O （對(duì)熱不穩(wěn)定酸：H2CO3、H2SO3、H2SiO3） b. 揮發(fā)性酸對(duì)應(yīng)的銨鹽的分解產(chǎn)物是NH3和相應(yīng)的酸 NH4ClNH3↑+HCl↑ （揮發(fā)性酸：HCl、HBr、H2S、HI） c. 高沸點(diǎn)酸的銨鹽的分解產(chǎn)物為NH3和相應(yīng)的酸 (NH4)3PO43NH3↑+H3PO4 d. 氧化性酸的銨鹽的分解產(chǎn)物隨溫度而異 2NH4NO32N2↑+O2↑+4H2O ②與堿反應(yīng) NH4Cl+NaOHNaCl+NH3↑+H2O （4）NH4+的檢測(cè)： 在未知溶液中加入強(qiáng)堿并加熱，用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢驗(yàn)，若試紙變藍(lán)，則證明原溶液中含NH4+ 思考： ①銨鹽都能受熱分解，能不能用此種方法檢驗(yàn)NH4+的存在？ ②銨鹽與濃堿溶液，銨鹽與稀堿溶液反應(yīng)并加熱，銨鹽與稀堿溶液反應(yīng)不加熱的離子方程式有何不同？ 解答：①不能。②生成氨氣、生成氨氣、生成一水合氨。 5. 硝酸的重要性質(zhì) （1）物理性質(zhì)：純HNO3是無色，易揮發(fā)（沸點(diǎn)83℃），有刺激性氣味的液體。易溶于水密度比水大，常用的濃HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69%，98%的硝酸稱“發(fā)煙硝酸”） （2）化學(xué)性質(zhì) ①酸的通性 ②特性 a. 不穩(wěn)定性： 4HNO34NO2+O2+2H2O并且越多越易分解 b. 強(qiáng)氧化性：濃硝酸可以與不活潑金屬如銅、銀等以及碳、磷等非金屬反應(yīng)。 說明： ①濃、稀HNO3均有強(qiáng)氧化性 ②氧化性：濃HNO3>稀HNO3 ③金屬與硝酸反應(yīng)不產(chǎn)生H2，而是與濃硝酸反應(yīng)生成NO2，與稀HNO3生成NO 4HNO3（濃）+Cu＝Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 8HNO3（?。?3Cu＝3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O 小知識(shí)： ●常溫下濃HNO3可使鐵、鋁表面形成致密的氧化物膜而鈍化，（濃H2SO4也有此性質(zhì)）因此可用鐵、鋁容器盛放濃H2SO4、HNO3。 ●氧化性酸和酸的氧化性：酸的氧化性是指H+的氧化性；氧化性酸是酸根離子中心原子獲得電子的性質(zhì)。 思考：①分別將盛有濃HCl，濃H2SO4，濃HNO3的燒杯置于空氣中，其中質(zhì)量增加的是 ，質(zhì)量減少的是 ，原因分別是 。 ②濃HNO3為什么常是黃色？ 濃HNO3如何保存？ 解答：①濃H2SO4；濃HCl、濃HNO3；濃H2SO4有吸水性，吸收空氣中的水蒸氣；濃HCl、濃HNO3都有揮發(fā)性。②濃硝酸易分解產(chǎn)生NO2，NO2溶于水顯黃色；濃硝酸通常保存在棕色瓶中，置于冷暗處。 【典型例題】 例1. 下列過程屬于人工固氮的是（ ） A. 分離液態(tài)空氣制氮?dú)? B. 閃電時(shí)N2 轉(zhuǎn)化為NO C. 合成氨 D. 豆科作物根瘤菌將N2 轉(zhuǎn)化為NH3 答案： C 解析：該題目考查氮的固定知識(shí)，將空氣中游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合物的方法，統(tǒng)稱為氮的固定，分為自然固氮和人工固氮，B、D 屬于自然固氮，C屬于人工固氮。 點(diǎn)評(píng)：本題屬于基本概念應(yīng)用題 例2. 采用不同的分類方法，可將非金屬氧化物分為不同的類別。例如，從某種意義講P2O5、SO2、SO3、CO2、Cl2O7等歸為一類，則下列氧化物中與它們同屬一類的是（ ） A. CO B. NO C. N2O5 D. NO2 答案： C 解析：本題考查了基本概念。題目中所給氧化物都是酸酐，而所給選項(xiàng)中CO、NO、NO2 都是不成鹽氧化物，只有N2O5 是硝酸的酸酐。 點(diǎn)評(píng)：解答本題關(guān)鍵是從題干中準(zhǔn)確分析、判斷、歸納出幾種物質(zhì)的共同規(guī)律，分析選項(xiàng)時(shí)，明確非金屬氧化物可能是酸性氧化物，也可能不是。結(jié)合平時(shí)積累的知識(shí)解決問題。 例3. 有關(guān)氨的性質(zhì)的敘述中正確的是（ ） A. 氨不能在空氣中燃燒 B. 氨水呈堿性 C. 氨氣和酸相遇能產(chǎn)生白色煙霧 D. 在反應(yīng) NH3 + H+＝ NH4+ 中，氨失去電子被氧化 答案：AB 解析：氨只能在純氧中燃燒，不能在空氣中燃燒，A 正確；因?yàn)镹H3H2O＝NH4++OH-，故氨水呈堿性，并視為一元弱堿，B 正確；氨氣只有與揮發(fā)性酸相遇才能生成白煙，C錯(cuò)； 反應(yīng)NH3 + H+ ＝ NH4+為非氧化還原反應(yīng)，D錯(cuò)。綜上分析，本題答案為A、B。 點(diǎn)評(píng)：氨是一種重要的物質(zhì)，學(xué)習(xí)中應(yīng)全面掌握氨的重要性質(zhì)。 例4. 為了測(cè)定某銅銀合金的成分，將30.0 g 合金溶于80 mL 13.5 molL-1的濃HNO3中，待合金完全溶解后，收集到氣體6.72 L (標(biāo)準(zhǔn)狀況)，并測(cè)得溶液中c(H+)＝1molL-1。假設(shè)反應(yīng)后溶液的體積仍為80 mL，試計(jì)算： （1）被還原的HNO3 的物質(zhì)的量； （2）合金中銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 答案：（1） 0.3 mol （2）36% 解析：（1） HNO3 被還原生成NO 或NO2 氣體 ， 因此產(chǎn)生的氣體的物質(zhì)的量即是被還原的HNO3 的物質(zhì)的量。 n ＝ 6.72 L/ 22.4Lmol-1＝0.3mol （2）反應(yīng)后溶液中c(H+)＝ 1molL-1， 說明硝酸過量。 參加反應(yīng)的HNO3 為 (13.5molL-1 -1molL-1)0.08L＝1mol， 設(shè)合金中Cu的物質(zhì)的量為x， Ag的物質(zhì)的量為y則得： 解得： x＝0.3mol y＝0.1mol 則合金中銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：（0.1mol108g/mol）/30.0g ＝36% 點(diǎn)評(píng)：本題是硝酸的性質(zhì)、氧化還原反應(yīng)、混合物的計(jì)算等多方面綜合題，解決此類問題，既要準(zhǔn)確掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，還要準(zhǔn)確分析化學(xué)過程，靈活選擇解題方法。屬要求較高的題目。 【模擬試題】 一、選擇題 （每題有1或2個(gè)正確答案） 1. 銅粉放入稀硫酸中，加熱后無現(xiàn)象，當(dāng)加入一點(diǎn)鈉鹽后，銅粉質(zhì)量減少，新加入的鹽可能是下列中的（ ） A. 氯化物 B. 硫酸鹽 C. 硝酸鹽 D. 磷酸鹽 2. 通常狀況下能共存，且能用濃硫酸干燥的一組氣體是（ ） A. H2、O2、N2 B. O2、NO、NO2 C. H2、N2、NH3 D. NH3、HCl、NO2 3. 下列關(guān)于硝酸的敘述正確的是（　　　　　） A. 稀硝酸是弱酸，濃硝酸是強(qiáng)酸 B. 銅與濃硝酸和稀硝酸都能反應(yīng)生成二氧化氮 C. 濃硝酸和稀硝酸都是強(qiáng)氧化劑 D. 稀硝酸與活潑金屬反應(yīng)放出氫氣，而濃硝酸則使金屬鈍化 4. NH4HCO3 在試管中加熱，使放出的氣體依次通過盛有足量過氧化鈉的干燥管，足量濃H2SO4 的洗氣瓶，最后得到的氣體是（ ） A. NH3 B. O2 C. H2O D. CO2 5. 在一定條件下，將等體積的NO 和 O2 的混和氣體置于試管中，并將試管倒立于水槽的水中，充分反應(yīng)后剩余氣體的體積約為原總體積的（ ） A. 1/4 B. 3/4 C. 1/8 D. 3/8 6. 下列反應(yīng)中硝酸既表現(xiàn)氧化性又表現(xiàn)酸性的是（ ） A. H2SO3 與稀HNO3 反應(yīng) B. 鐵和熱的濃HNO3 C. Ag 和稀硝酸共熱 D. Fe(OH)3 和稀HNO3 7. 在Fe、Cu的混合物中，加入一定量的稀HNO3 并微熱。充分反應(yīng)后剩余金屬ag。再向其中加入一定量的稀鹽酸并加熱，充分振蕩后還剩金屬bg ，則（ ） A. a 可能等于b B. a 一定等于b C. a 可能小于b D. a 一定大于b 8. 在一定條件下，將m體積NO和n體積O2 同時(shí)通入倒立于水中且盛滿水的容器內(nèi)，充分反應(yīng)后，容器內(nèi)殘留m/2 體積的氣體，該氣體與空氣接觸后變?yōu)榧t棕色，則m與n的比值為（ ） A. 3:2 B. 2:3 C. 8:3 D. 3:8 9. 用銅鋅合金制成的假金元寶欺騙行人的事件屢有發(fā)生。下列不易區(qū)分真?zhèn)蔚姆椒ㄊ牵? ） A. 測(cè)定密度 B. 放入硝酸中 C. 放入鹽酸中 D. 觀察外觀 10. 某金屬單質(zhì)跟一定濃度的硝酸反應(yīng)，假定只有單一的還原產(chǎn)物。當(dāng)參加反應(yīng)的金屬與被還原的HNO3 的物質(zhì)的量之比為2：1 時(shí)，還原產(chǎn)物是（　　　） A. NO2 B. NO C. N2O D. N2 二、填空題 11. 有一瓶無色混和氣體，是由HCl、O2、NH3、NO、CO2、N2中的某些氣體組成。①把混和氣體通過濃硫酸后，氣體體積明顯減??；② 剩余氣體通過堿石灰后，氣體體積又明顯減?。虎?最后，剩余氣體接觸空氣時(shí)，立即變?yōu)榧t棕色。由此可見，原混和氣體中，一定含有________________，一定不含__________________(提示: NH3 可與H2SO4 反應(yīng)而被吸收，而干燥時(shí)與CO2 不反應(yīng))。 12. 在硝酸生成過程中所排放出來的廢氣中含有NO 和NO2 ， 它們污染環(huán)境?，F(xiàn)在氨通過催化還原法將它們轉(zhuǎn)化為無毒氣體___________直接排入空氣中。寫出有關(guān)的反應(yīng)方程式：______________。假設(shè)NO和NO2 物質(zhì)的量之比恰好為1:1，則兩者的混合物相當(dāng)于一種酸酐。寫出由燒堿溶液吸收這種酸酐的化學(xué)方程式_____________。 13. 根據(jù)你學(xué)習(xí)的有關(guān)氨的知識(shí)，完成下面的問題。 （1）合成氨對(duì)化學(xué)工業(yè)具有重要意義。寫出氨的兩種重要用途_________；__________。 （2）實(shí)驗(yàn)室制備氨氣，下列方法中最適宜選用的是______________。 ①固態(tài)氯化氨加熱分解 ②固體氫氧化鈉中滴加濃氨水 ③氯化氨溶液與氫氧化鈉溶液共熱 ④固態(tài)氯化氨與氫氧化鈣混和加熱 三、計(jì)算題 14. 將32.64 g 銅與140 mL 一定濃度的硝酸反應(yīng)，銅完全溶解，產(chǎn)生的NO和 NO2 混和氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為11.2 L，請(qǐng)回答： （1）NO 的體積為_________L ，NO2 的體積為____________L； （2）待產(chǎn)生的氣體全部釋放后，向溶液中加入VmL amol/L的NaOH 溶液，恰好使溶液中的Cu2+ 全部轉(zhuǎn)化成沉淀，則原硝酸溶液的濃度為_________mol/l； （3）欲使銅與硝酸反應(yīng)生成的氣體在NaOH 溶液中全部轉(zhuǎn)化為NaNO3， 至少需要30％的雙氧水____________g。 參考答案 一、選擇題 1. C 2. A 3. C 4. B 5. C 6. BC 7. D 8. C 9. D 10. C 二、填空題 11. NH3 CO2 NO ； O2 HCl 12. N2 ； 6NO2 +8NH3 7N2 +12H2O 6NO + 4NH3 5N2 +6H2O ； NO +NO2 + 2NaOH ＝ 2NaNO2 +H2O 13. （1）制化肥 制硝酸（液氨作制冷劑） （2）②④ 三、計(jì)算題： 14. （1）5.8 5.4 （2）(a V10-3 +0.5)/0.14 （3）57.8