32《氮的循环》文字素材5(鲁科版必修1).docx

第2节 氮的循环
1氮在自然界中的循环
1．自然界中氮元素循环示意图
2．主要形式
〔1〕游离态→化合态
①是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；
②放电条件下，与氧气结合为氮氧化合物，并随降水进入水体中；
③合成氨工厂、汽车发动机都可以将一局部氮气转化成化合态。
〔2〕化合态→游离态：硝酸盐在某些细菌作用下转化成氮气。
〔3〕化合态→化合态：化石燃料燃烧、森林和农作物枝叶燃烧所产生的氮氧化合物通过大气进入陆地和海洋，进入氮循环。
【领悟·整合】
氮是维持高等动植物生命活动的必须元素，因此，氮的循环涉及到地球上生物圈的各个方面。人类活动也在逐渐的影响到氮循环。所以，认识氮的循环，就把我们将要学习的物质置于“氮的循环〞这个大的背景下，将会更有利于同学们掌握氮及其化合物的性质。
3．氮气与氮的固定
〔1〕氮气的物理性质：无色无味气体，难溶于水，与空气密度相近。
〔2〕氮气的化学性质：
【知识·链接】
氮气属于双原子分子，两个氮原子之间的作用非常强。因此，氮气分子稳定，化学性质不活泼，但要注意，N2一旦吸收能量变为N原子那么性质较活泼。在高温或放电时可与某些物质反响，N表现为既有氧化性，又有复原性。
①与O2的反响
在放电条件下，氮气跟氧气能直接化合生成无色的一氧化氮〔NO〕。反响式为：N2+O2 2NO
说明：在雷雨天气，汽车的发动机中均可以发生该反响。在该反响中，N2表现出复原性。
②与H2反响
N2+3H22NH3
说明：a 该反响是工业上合成氨的反响原理，具有非常重要的现实意义。在该反响中，N2表现出氧化性。
b在氮气跟氢气反响生成氨的同时，氨气也在分解生成氮和氢气。像这样同时向正反两个方向进行的反响称为可逆反响。在可逆反响的化学方程式中用“〞代替“＝〞。
〔3〕氮的固定
① 定义：将空气中游离的氮转变成氮的化合物的方法叫做氮的固定。
② 分类：
氮的固定
自然固氮
人工固氮
高能固氮〔闪电，约占10%〕
生物固氮〔约占90%〕
合成氨
仿生固氮

〔3〕NO和NO2
物质
NO
NO2
颜色
无色
红棕色
毒性
剧毒
剧毒
溶解性
不溶解
与水反响
气味
无味
刺激性气味
转化
2NO+O2=2NO2 3NO2+H2O=2HNO3+NO
【联想·发散】
氮的氧化物以及与氧气混合后溶于水的情况分析：
①NO2或NO2与N2(非O2)的混合气体溶于水时，可根据反响：3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO，利用气体体积的变化差值进行计算。
②NO2和O2的混合气体溶于水时，根据反响：4NO2＋O2＋2H2O＝4HNO3
当V(NO2)∶V(O2)＝4：1时，恰好反响，无剩余气体；
当V(NO2)∶V(O2)＜4：1时，剩余氧气；
当V(NO2)∶V(O2)＞4：1时，NO2过量，剩余气体为NO，且体积为过量NO2体积的1/3。
③NO和O2同时通入水中时，此时的反响为：4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3
当V(NO) ∶V(O2) ＝4：3时，恰好反响，无剩余气体；
当V(NO2)∶V(O2)＜4：3时，剩余氧气；
当V(NO2)∶V(O2)＞4：3时，剩余NO。
2 氨与铵态氮肥
1．氨
〔1〕物理性质：
无色、有刺激性气味比空气轻；极易溶于水，在常温、常压下1体积水能溶解约700体积氨气。
〔2〕化学性质：
①碱性：氨与水、酸反响时显碱性
与水反响：NH3＋H2ONH3·H2ONH4+＋OH－
与酸反响：NH3＋HCl＝NH4Cl
说明：a氨溶于水，大局部与水结合成一水合氨〔NH3·H2O〕，一水合氨少局部电离，因此，氨水显弱碱性。氨气是中学阶段唯一的一种碱性气体，利用这一点，可以检验NH3。
b NH3与其它酸也能反响生成相应的铵盐。其中，NH3与盐酸这样的易挥发性酸反响时会有白烟〔铵盐固体的小颗粒〕生成。利用这个现象，在某些场合也可以检验NH3。
②复原性：氨的催化氧化反响
4NH3＋5O24NO＋6H2O
说明：a 该反响是工业上生产硝酸的一个根底反响。
b NH3中的氮元素的价态为-3价，因此，NH3不仅能被催化氧化生成NO，在纯氧中燃烧能生成N2。在一定条件下，NH3还能被Cl2、CuO等氧化。
【辨析·比较】 液氨和氨水
液氨是氨气加压或降温得到的液态氨，是纯洁物，即液氨由氨分子组成的液体。
氨水的主要成分是NH3·H2O．在氨水中以分子状态存在的粒子有：NH3、H2O、NH3·H2O；以离子状态存在的粒子主要有：NH4+、H＋、OH－，极少量的是H＋。所以氨水是混合物。
2．铵盐
【观察·思考】
操作
现象
结论
将氯化铵固体在试管中加热
在试管上端内壁上有白色固体附着。
受热时，氯化铵分解，生成氨气和氯化氢，冷却时，两者又重新结合，生成氯化铵
将碳酸氢铵固体在试管中加热，将生成的气体通入澄清石灰水中
澄清石灰水变浑浊
碳酸氢铵分解，生成了CO2
在试管中参加少量氯化铵固体，再滴加适量稀氢氧化钠溶液，加热，并将湿润的红色石蕊试纸贴在玻璃棒上靠近试管
加热后试管中有气体产生，并可闻到刺激性的气味。同时还看到，湿润的红色石蕊试纸变蓝。
产生了氨气
根据以上的观察与思考，我们可以铵盐具有以下性质：
〔1〕铵盐受热分解
NH4ClNH3↑＋HCl↑
NH4HCO3NH3↑＋CO2↑＋H2O↑
〔2〕铵盐与碱反响
NH4Cl＋NaOHNaCl＋NH3↑＋H2O
(NH4)2SO4＋Ca(OH)2CaSO4＋2NH3↑＋2H2O
【梳理·总结】
由铵离子和酸根离子构成的化合物叫铵盐，所有的铵盐都是晶体，都能溶于水。受热均易发生分解，分解产物一般为NH3和相应的酸〔或酸的分解产物〕。但也有例外，例如5NH4NO34N2↑＋2HNO3＋9H2O，且NH4NO3在不同温度条件下分解产物不同。铵盐与碱共热都能产生氨气，这是铵盐的共同性质。因此，铵态氮肥不宜和碱性物质混合施用，同时，利用这个性质可以检验铵离子，也可以在实验室中制备氨气。
〔3〕氨的实验室制取
药品：NH4Cl、消石灰
反响原理：2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O
装置：与制氧气相同
收集：向下排空气法。
验满：用湿润的红色石蕊试纸或沾有浓盐酸的玻璃棒。防止多余氨气污染空气的方法：收集NH3后的导管口处塞一团湿棉花或用稀H2SO4浸湿的棉花。
枯燥：NH3通过盛有碱石灰的枯燥管。
实验室制取氨的其它方法：加热浓氨水、氧化钙与浓氨水反响等。
3 硝酸及其应用
【温故·知新】
硝酸具有酸的通性
①使指示剂变色：例如：稀HNO3使紫色石蕊溶液变红。
②与碱反响：如HNO3＋NaOH＝NaNO3＋H2O
③与碱性氧化物反响：如2HNO3＋CaO＝Ca(NO3)2＋2H2O
④与弱酸盐反响：如2HNO3＋Na2CO3＝2NaNO3＋CO2↑＋H2O
⑤与金属反响：由于硝酸具有强氧化性，因此，与酸反响时一般不产生H2。
硝酸除了具有酸的通性以外，还具有以下特性：
1．硝酸的物理性质：无色、易挥发、有刺激性气味、易挥发、密度大于水。
2．硝酸的不稳定性：硝酸见光或受热易分解。
4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O
说明：硝酸越浓，越容易分解。长期存放的浓HNO3呈黄色，这是由于HNO3分解产生的NO2溶于硝酸的缘故。也正因为硝酸见光或受热易分解，一般将它保存在棕色瓶里，放置在阴凉处。
3．硝酸的强氧化性：硝酸具有强的氧化性，是因为硝酸分子里氮呈＋5价。
〔1〕与金属反响：HNO3几乎能与所有的金属〔除金、铂、钛以外〕发生氧化复原反响。
Cu＋4HNO3(浓)＝Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O
3Cu＋8HNO3(稀)＝3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
说明：硝酸与不活泼金属反响时，浓硝酸生成NO2，稀硝酸生成NO。
【交流·研讨】
①常温下为什么可以用铝槽车或铁罐运输浓硝酸
铝、铁等金属可以在冷的浓硝酸中发生钝化现象，浓HNO3会把铝或铁的外表氧化，形成一层薄而致密的氧化膜，阻止了反响的进一步发生．遇热时，该氧化膜会被破坏．因此常温下铝、铁制品可以盛放冷的浓HNO3．
②铜与浓HNO3反响时，放出NO2气体，与稀HNO3反响时，放出NO气体。能否由此说明稀HNO3比浓HNO3的氧化能力更强
硝酸与金属反响时，硝酸被复原的程度取决于硝酸的浓度和复原剂的强弱。对于同一种复原剂来说，硝酸越稀被复原的程度越大．因为当HNO3的浓度在8 mol·L－1以上时，HNO3氧化性很强，在此过程中生成氮的低价氧化物在强的氧化气氛中不能存在，继续被氧化成高价的氮的氧化物，所以产物为NO2．当硝酸较稀时，它的氧化性较弱，氮的低价氧化物也能够存在，所以主要产物是NO．浓HNO3与Cu反响放出NO2气体要比稀HNO3与Cu反响放出NO气体剧烈的多，所以浓HNO3氧化能力比稀HNO3氧化能力更强。
【知识·链接】
王水：浓HNO3和浓盐酸的混合物〔体积比1∶3〕叫王水，它的氧化能力比硝酸更强，能够使一些不溶于硝酸的金属如金、铂等溶解。
〔2〕与非金属反响：硝酸能与许多非金属及某些有机物发生氧化复原反响：
C＋4HNO3(浓) CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
【辨析·比较】
氧化性酸和酸的氧化性概念辨析
酸的氧化性：实质上指氢离子的氧化性，任何酸都有不同程度电离出H＋的能力，H＋在一定条件下获得电子生成H2．因此在某些反响中酸作氧化剂其实质上是H＋作氧化剂如：锌与盐酸或稀H2SO4的反响，都可以用Zn＋2H＋＝Zn2＋＋H2↑离子方程式表示此类反响的实质。
氧化性酸：是酸根离子中心原子获得电子的能力，酸根离子获得电子后，中心原子化合价降低，形成相应的低价含氧化合物甚至是单质．如浓H2SO4与Cu反响：Cu＋2H2SO4(浓) CuSO4＋SO2↑＋2H2O，浓H2SO4与木炭反响：C＋2H2SO4(浓) CO2↑＋2SO2↑＋2H2O，硝酸与锌反响：4Zn＋10HNO3(稀)＝4Zn(NO3)2＋N2O↑＋5H2O 5Zn＋12HNO3(很稀)＝5Zn(NO3)2＋N2↑＋6H2O，浓HNO3与木炭、单质硫、磷的反响等等。
作为氧化性酸，不仅能氧化金属而且还能氧化某些非金属单质。而酸的氧化性即H＋的氧化能力较弱，只能氧化较活泼的金属〔即金属活动顺序表中氢前金属〕。
【领悟·整合】
硝酸除了具有酸的通性以外，还具有挥发性、不稳定性、强氧化性等特性。硝酸不仅是氮循环中的一种重要物质，在实验室中也是一种重要的化学试剂，在工业上更是一种重要的化工原料，可用于制造炸药、燃料、塑料和硝酸盐等。