张伟随笔氮的固定和氮的氧化物

封面故事:广州长隆野生动物世界的天鹅湖中的黑天鹅,它们喜欢吃油麦菜叶子。

氮的固定和氮的氧化物

氮元素,是元素化合物中一种重要的元素,也是生命体必不可少的元素。氮元素在大气中体积分数占78%,天然矿藏中含量也较丰富,如智利硝石(硝酸钾)、印度硝石(硝酸钠),生物体中,氮元素存在于蛋白质、酶、维生素等中。

学习元素化合物,我们还是从价类二维图开始。类别有氢化物,单质,氧化物、酸、碱和盐。

氮的氢化物,常见的是氨气,氮为-3价,但我们以后还会遇见联氨N2H4等,化合价是-2价。

氮气转化为化合物的过程,我们可以称之为固氮。固氮的方式,可以分为自然固氮和人工固氮两类。如“雷雨发庄稼”和豆科植物的根瘤菌固氮就属于自然固氮,当然,闪电时氮气和氧气反应转化为一氧化氮,随即一氧化氮被氧气氧化为二氧化氮,二氧化氮溶于水生成硝酸,这一类属于高能固氮。人工固氮,就是用化学方法,将氮气转化为含氮化合物的过程。例如,三次获得诺贝尔奖的反应——合成氨,还有放电或高温时将氮气转变为一氧化氮等。

从价态分析,氮元素价态丰富,从-3到+5,有9种价态。氮的氧化物,则从+1到+5价均有,+1价的是氧化二氮,+2价的是一氧化氮,+3价的三氧化二氮和+5价的五氧化二氮是酸性氧化物,对应的含氧酸分别是亚硝酸和硝酸,+4价的是一对孪生分子,二氧化氮和四氧化二氮。

含氮的无机酸,常见的有亚硝酸和硝酸,前者氧化性更强,后者酸性更强,当然,亚硝酸还具有还原性。

含氮的碱,常见的是一水合氨,是一种弱碱,用途很广,性质独特。

含氮的盐,那么就包括铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐。

1氮气

在必修一学习过化学键,知道氮分子内有氮氮三键,非常稳定,所以通常情况下,氮气性质不活泼。不过,加热或者点燃,或者高温下,氮气分子内的氮氮三键断裂后,形成氮原子,性质将非常活泼,仅排在氟原子和氧原子后,和氯原子不相上下,这个根据元素周期律,还有选修阶段的电负性、电子亲合能等数据都可以证明。

氮气的性质稳定,可以作为常温下的保护气,价廉,量大,这是性质决定用途的体现。它和镁点燃时可以反应生成氮化镁,和氧气在高温或者放电时,生成一氧化氮,和氢气在高温、高压、催化剂作用下转变为氨气。

关于氮的固定,刚才已经有描述,实际上,课本上的“自然界的氮循环”这幅图更清楚,年的北京高考题考过这幅图,请大家要重视这幅图,仔细研究后你会发现,豆科植物根瘤菌将氮气转变为氨气,继而转变为铵盐,高能固氮最终将氮气转变为硝酸盐,人工固氮(合成氨)将氮气转变为氨气后,也可以转变为硝酸盐和铵盐,氨或者铵盐中氮元素为-3价,经过氧化,可以转变为亚硝酸盐和硝酸盐,被细菌分解后,可以被植物吸收,转变为蛋白质,植物遗体被动物摄食,最终以排泄物形式或者动物遗体本身就可以转变为氨气和铵盐。整个循环,包含了氧化和还原的过程,大自然的神奇体现的淋漓尽致,所以,我们应该敬畏大自然。

2氮的氧化物

氮的氧化物,我们不去讨论所有的,而是选择两种重要的,一氧化氮和二氧化氮,这两种对大气不友好的物质,我们要了解它们的性质,并变废为宝,对污染进行防治。

上课的时候,我先让同学们对比它们的物理性质,二氧化氮是红棕色的,一氧化氮无色的,二氧化氮沸点比较高,达到21.15摄氏度,而一氧化氮只有-摄氏度,虽然这两种物质结构肯定不同,但我还是要问,它们沸点的差异与什么有关?有同学回答说化学键,也有同学回答氢键,有一部分同学回答分子间作用力。对于这样的共价化合物来说,如果它们受热没有分解,而且有沸点,那就是不需要断裂化学键,而使分子之间的距离拉大,而氢键并非随处可见,N-H、O-H、F-H比较容易产生氢键,此处连氢原子都没有,就没有氢键了,所以,这个沸点的差异,用分子间作用力大小解释会比较好。相对分子质量更大的二氧化氮,分子间作用力更强,沸点更高,更何况,二氧化氮中还含有四氧化二氮,分子间作用力岂非更高。

对于两种氧化物的性质,我也是采用对比的方式,让同学们预测反应的可能性,看一些实验视频去验证,或者根据氧化还原反应的规律去探讨,含氮氧化物都有一定的毒性,如果有微型实验开发出来,可以做实验,学化学做实验最有效。

其一,和氧气反应,一氧化氮常温下就和氧气反应,转化为二氧化氮,不需要额外加热,二氧化氮理论上也可以被氧气氧化。

其二,和水反应,一氧化氮不溶于水,也不和水反应,二氧化氮可以和水反应,歧化为硝酸和一氧化氮,所以,用水吸收二氧化氮,仍然会产生一氧化氮。

其三,和氢氧化钠的反应,这个性质很重要,二氧化氮单独溶于氢氧化钠溶液中,歧化为两种盐,硝酸钠和亚硝酸钠,而一氧化氮和二氧化氮按照1:1通入氢氧化钠溶液中,可以归中为亚硝酸钠,所以,只要保证二氧化氮的物质的量大于等于一氧化氮,将两种气体通入氢氧化钠溶液中,就可以吸收掉两种气体,实现尾气处理。

其四,和淀粉碘化钾溶液反应,二氧化氮是红棕色的,溴蒸气也是红棕色的,它们都可以将碘离子氧化为碘单质,从而使淀粉溶液变蓝,体现氧化性。一氧化氮不具有这样明显的性质。

其五,二聚反应,二氧化氮转变为四氧化二氮,我用了一组图片加以说明,-摄氏度时,二氧化氮接近无色,因为温度低的时候,二氧化氮转变成无色的四氧化二氮趋势很大,而室温下,或者在沸水浴中,二氧化氮的红棕色越来越深,说明,四氧化二氮在温度高时更易分解为二氧化氮,这个实验在学习选修一的平衡影响因素时,还会遇到。

结构决定性质,如氮气的结构导致其常温稳定,性质决定用途,有什么样的性质,我们就可以利用这些性质去做有用的事情,例如,利用氢氧化钠溶液处理氮的氧化物废气,可以避免产生污染。

此外,后面的章节会学到酸雨的产生及其防治。我们在这里不妨提一句,汽车发动机的高温,也是一种高能固氮,和闪电的效果是一样的,也可以将氮气和氧气转变为一氧化氮,进而产生二氧化氮,所以,汽车尾气中含有氮的氧化物,我们可以将其在催化剂帮助下,和一氧化碳作用,转化为两种对环境友好的物质,也就是氮气和二氧化碳。

所以,学习化学知识,不仅可以制造对社会有用的物质,还能解决环境污染问题,对汽车感兴趣的同学,还可以去研究一下各种汽车的尾气处理装置的效率。

本节课问过问题的同学名单:

高一1班:杨倩茹、林子琪、陈珮姗、王裕成、梁宇熙、於思瑶、吴思颖、奚翠娜;

高一3班:李浩楠;

高一4班:冉佳鹭、张熠珺、许鑫羽、吴科键、蔡沛峻

往期回顾

回忆录系列

01高中时代同学的作文《都市友情》(.6.30)

02我读高二的时候的一些回忆(.7.24)

班同学优点录(.12.13)

04怀念高中生活(一)我的高中老师和高中同学(.12.14)

05怀念高中生活(二)高中毕业赠言选(.12.18)

06游览武汉动物园(年13岁时)(.12.19)

-年间张伟参加的羽毛球比赛比分(.12.26)

年孝感学院“迎新杯”女子篮球赛详细比分

09遂溪一中高一羽毛球锦标赛第1期(高一2班)

10遂溪一中高一羽毛球锦标赛第2期(高一1班)

11遂溪一中高一羽毛球锦标赛第3期(高一3班)

12遂溪一中高一羽毛球锦标赛第4期(高一1、2、3班混合团体赛)

13遂溪一中高一2班英语舞台剧《现代白雪公主》

14遂溪一中级高一实验二班百科知识竞赛试题第一期(年6月)

15遂溪一中级高一实验二班百科知识竞赛试题第二期(年7月)

16遂溪一中三段视频:羽毛球比赛/课后游戏/生日聚会

年高考前遂溪一中高三11班临别赠言

年高考前遂溪一中高三12班临别赠言

19-学年高一10班和高一11班班费收支明细

20-学年理科班高一11班到高二11班班费收支明细

21年遂溪一中高二11班羽毛球大奖赛

22.5.18高二11班家长会

23.10.31高二11班家长会

24遂溪一中届高三11、12班毕业照

文学作品系列

神魔武侠小说《中华英雄传》

标题

字数

1

少年友情

2

年少的约定

3

平行时空

4

长明山学艺

5

流星蝴蝶剑

6

天涯明月刀1

天涯明月刀天涯明月刀天涯明月刀

18

田野恋歌

19

武林群英赴襄阳

20

设阵迎敌

21

襄阳十三结义

22

明月凌霜剑

23

忘羡霜月糖

24

迷失灵石

随笔

1

老爸往前冲!

2

大学回忆之勤工俭学

3

亲情

4

西瓜

5

理发

6

湖北米粑粑

7

自行车

8

“不见了”的经历

9

赞同垃圾回收

10

童年回忆

11

衣服

12

住房

13

我的读与写

14

通讯

15

狗狗的回眸

16

登山

17

小鬼迪克

18

乞力马扎罗的雪

19

萍聚

20

我的阅读时间去哪里了

21

梦中的奶奶

22

25岁的天空

23

有所食

24

蝴蝶梦

25

假如时光可以倒流

26

我喜欢的杂志

27

重返羽毛球场

28

我骑车带安娜去旅行

29

我去过的羽毛球场

30

我的高中住校生活

31

三少爷

32

爷爷的葬礼

33

奶奶的80岁生日

34

儿时钓虾的快乐

35

我怎么用思维导图

36

科技预言几则之一

37

我书写方程式和

画流程图的方法

38

小朋友摔跤了

39

儿时的理想

40

青蛙的故乡

41

家乡走街串巷的小贩

42

慈母心

43

戏里人生

44

凤还巢

45

远眺

46

47

图书馆

48

有机化学的学习方法

49

解忧便利店第1期

50

朋友

51

坐飞机的经历

52

健身

53

三百六十五公里路

54

小时候看过的动画片

55

科技博览1

56

科技博览2

57

我从来不记书上有的东西

58

四季花开

59

我去现场看体育比赛的经历

60

莲藕排骨汤

61

爷爷奶奶的阁楼

62

幽灵山庄

63

人有三急

64

心相印手牵手

65

家乡的菜市场

66

雁过长空

67

考研

68

我组织学生参加的体育比赛

69

化学错题本怎么制作和使用

70

爱的教育

71

牛娃的道歉

72

考试

73

神灵

74

用超级记忆法2

75

看电影

76

疾病的教育

77

可爱的早晨

78

我去打过羽毛球的球馆

79

超市

80

教室

81

儿时我在武汉过的暑假

82

老有所依

83

回头望一望

84

同学

85

元素化合物复习构想

86

年高考化学全国I卷做题感想

87

年高考化学全国II卷做题感想

88

年高考化学全国III卷做题感想

89

游览武汉动物园

90

猫咪的故事

91

西关小独轮

92

三年

93

爱你的母校

94

我要上场打排球

95

感悟附中

96

勿以恶小而为之-化学教我们怎么做人

97

中国台北9天感动之旅

98

看到清华大学


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