第三章 自然界中的元素
第3节 氮的循环
第1课时 自然界中的氮的循环以及氮循环中的重要物质
1．了解氮的固定以及氮在自然界中的循环。
2．了解氮气的性质。
3．掌握NO、NO2的重要性质。
一、氮在自然界中的循环
1．自然界中的氮的循环。
在自然界中，大豆、蚕豆等豆科植物不施肥，仍能表现出良好的长势，其原因是什么？
答案：大豆、蚕豆等豆科植物根部的根瘤菌能把空气中的氮气转变为硝酸盐等含氮的化合物，植物的根从土壤中吸收NH4(＋)和硝酸盐。
2．人类活动对氮循环的影响。
(1)人类在氮循环方面是通过化学方法把空气中的N2转化为氨，再进一步转化。
(2)化石燃料燃烧、森林和农作物的枝叶燃烧所产生的氮氧化物通过大气进入陆地和海洋，进入氮循环。
二、氮气
1．氮气的性质
在通常情况下，化学性质稳定，很难与其他物质反应，但是在一定条件下，能与氧气、氢气等物质发生反应。
氮气
物理性质：无色、无味、难溶于水、密度与空气相近、约占空气体积的78%
：O2表现还原性：N2＋O2放电(=====)2NOH2表现氧化性：N2＋3H2高温、高压2NH3
2．可逆反应
在相同条件下，能同时向正反两个方向进行的反应，为可逆反应，可逆反应的化学方程式用“”表示。
3．氮的固定。
(1)概念：使空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程。
(2)分类。
氮的固定仿生固氮(合成氨)
三、一氧化氮和二氧化氮
1．氮的主要氧化物。
化合价
＋1
＋2
＋3
＋4
＋5
对应氧化物
N2O
NO
N2O3
NO2、N2O4
N2O5
2.一氧化氮和二氧化氮。
(1)物理性质。
NO
NO2
颜色
无色
红棕色
状态
气态
气态
气味
无气味
刺激性气味
毒性
有毒
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。
俗话说：“雷雨发庄稼”，试说出其中的原理，写出反应方程式。
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，NO3(－)可被植物吸收。N2＋O2放电(=====)2NO，2NO＋O2===2NO2，3NO2＋H2O===2HNO3＋NO。
1．(双选)下列有关氮气的说法正确的是()
A．N2可在氧气中燃烧生成NO
B．医学上常用液氮作冷冻剂，在冷冻麻醉条件下做手术，是利用氮气化学性质的不活泼性
C．镁能在氮气中燃烧生成Mg3N2，反应中N2体现氧化性
D．工业合成氨的反应是可逆反应
CD解析：N2只有在高压放电情况下才会与O2发生反应，A项错误；液氮汽化时需要吸收大量的能量，使周围环境温度降低，与其化学性质不活泼无关，B项错误；反应方程式为3Mg＋N2点燃(=====)Mg3N2，反应中氮元素化合价降低，氮气作氧化剂，C项正确；氮气和氢气的反应是可逆反应，D项正确。
2．将空气中氮气转化成氮的化合物的过程称为固氮。如图中能实现人工固氮的是()
D解析：通过闪电等产生含氮化合物属于自然固氮中的高能固氮，根瘤菌能够将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物，属于自然固氮中的生物固氮。氨的工业合成是目前普遍使用的人工固氮方法。电解饱和食盐水与氮的固定无关。
3．下列对NO、NO2的描述，正确的是()
A．NO是红棕色气体，易溶于水，是酸性氧化物
B．NO2可用排水法收集，且可由N2和O2直接化合而得到
C．NO、NO2在一定条件下可相互转化，且二者都是引起光化学烟雾的大气污染物
D．一氧化氮密度比空气大，可用排空气法收集
C解析：NO是无色难溶于水的气体，NO不与碱反应，不是酸性氧化物，故A项错误；NO2与水反应：3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，N2和O2反应生成NO，故B项错误；NO和O2发生反应：2NO＋O2===2NO2，NO2与H2O反应生成NO，光化学烟雾主要是由NOx引起的，故C项正确；一氧化氮能与氧气反应，不能用排空气法收集。
1．(双选)在自然界中，把空气中的氮气转化为含氮化合物以实现氮的循环的途径有()
A．豆科植物根部的根瘤菌，把氮气转变为硝酸盐等含氮化合物
B．在放电条件下，氮气与氧气化合生成氮的氧化物，并随降水进入土壤和水体
C．通过化学方法把空气中的氮气转化为氨，再进一步转化为其他含氮化合物
D．化石燃料燃烧所产生的氮氧化物通过大气进入陆地和海洋
AB解析：在自然界中，氮由游离态的氮气转化为化合态的含氮化合物，主要是通过根瘤菌和闪电转化的，故A、B两项正确。
2．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．可在氧气中燃烧，生成一氧化氮
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
B解析：N2不能在O2中燃烧，与O2在闪电时反应生成NO。
3.下列过程属于人工固氮的是()
A．分离液态空气制氮气B．闪电使N2转化为NO
C．合成氨D．豆科植物将N2转化为NH3
C解析：固氮是将游离态的氮转化为化合态的氮，A项中没有生成化合态氮，B、D两项是自然固氮，C项合成氨是人工固氮。
4．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
C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。
5．(双选)在氮的氧化物中，氮元素和氧元素的质量比为7∶16，则此氧化物的化学式可能为()
A．NO2B．NOC．N2O3D．N2O4
AD解析：氧化物中两原子个数之比为：N(N)∶N(O)＝14(7)∶16(16)＝1∶2。
6．(双选)在一大试管中装入10mLNO倒立于水槽中，然后向其中缓慢通入6mLO2(气体体积均在相同条件下测定)，下面有关实验最终状态的描述，正确的是()
A．试管内气体呈红棕色B．试管内气体呈无色，是2mLNO
C．试管内气体呈无色，是2mLO2D．试管内液面上升
BD解析：根据4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3可知，V(NO)∶V(O2)＞4∶3时，NO有剩余。由题意，V(NO)∶V(O2)＝5∶3可知，NO剩余2mL，则试管内液面上升。
7．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＋2H2O①，
2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O②，
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____________________________________________________________________。
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。
答案：(1)NO2 NO 1∶1 (2)2NO＋2CO催化剂(=====)N2＋2CO2
8．氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用。请回答下列问题：
(1)氮气主要用于合成氨，由此制造化肥、硝酸和炸药等，写出工业合成氨反应的化学方程式：
(2)下列有关氮元素的说法正确的是()
A．氮气因为其化学性质不活泼，可以用作保护气，比如充填食品包装，充入电灯泡，保存贵重书画等
B．医学上常用液氮作冷冻剂，在冷冻麻醉条件下做手术，是利用氮气化学性质的不活泼性
C．氮、磷、钾是植物生长必需的营养元素
D．工业上用NO2与水反应制取硝酸时，水作还原剂
AC
(3)豆科植物种植时不需施加氮肥的原因是：
豆科植物中的根瘤菌能够把空气中的N2转化为含氮化合物，作为肥料供作物生长使用。
9．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、CO2C．NO2、CO2D．NO、CO2、N2
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。
10．NO分子因污染空气而臭名昭著。近年来，发现少量的NO在生物体内许多组织中存在，它有扩张血管、免疫、增强记忆的功能，而成为当前生命科学的研究热点，NO亦被称为“明星分子”。请回答下列问题。
(1)NO对环境的危害在于______________(填以下项目的编号)。
A．破坏臭氧层B．高温下能使一些金属被氧化
C．造成酸雨D．与人体血红蛋白结合
(2)在含Cu＋离子的酶的活化中心中，亚硝酸根离子(NO2(－))可转化为NO，写出Cu＋和亚硝酸根离子在酸性水溶液中反应的离子方程式：_________________________________________________________________________。
(3)在常温下，把NO气体压缩到个大气压，在一个体积固定的容器里加热到50℃，发现气体的压力迅速下降，压力降至大约为原压力的3(2)就不再改变，已知其中一种产物为N2O，写出上述变化的化学方程式：_______________________________________________________________________________________________________________________________________。
解析：(1)NO中N的化合价为＋2，所以NO具有还原性，能被臭氧氧化；NO排放到空气中最终氧化成硝酸；同CO一样，NO也能与人体内的血红蛋白结合使人体缺氧而死亡。故对环境的危害为A、C、D。
(2)根据信息可得此反应中亚铜离子为还原剂，亚硝酸根离子为氧化剂，NO为还原产物，Cu2＋为氧化产物，再根据电子、电荷、原子守恒可得方程式：Cu＋＋NO2(－)＋2H＋===Cu2＋＋NO↑＋H2O。
(3)据阿伏加德罗定律的推论和氧化还原反应规律以及质量守恒定律可得方程式：3NOatmNO2＋N2O。
答案：(1)ACD (2)Cu＋＋NO2(－)＋2H＋===Cu2＋＋NO↑＋H2O (3)3NOatmN2O＋NO2