2020年高中化学 第三章 自然界中的元素 第2节 氮的循环学案 鲁科版必修1

2020年高中化学 第三章 自然界中的元素 第2节 氮的循环学案 鲁科版必修1

第3章 第3节 硫的转化 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 第3章 第2节 氮的循环 二. 教学目的 ‎1. 能简要说明氮循环的基本过程，知道固氮的本质以及生物固氮和人工固氮这两种固氮形式。‎ ‎2. 了解氮循环过程中的重要物质以及人类活动对氮循环和环境的影响（知道酸雨、光化学烟雾和富营养化等环境问题）‎ ‎3. 能列举含氮元素的单质及其化合物了解氮气、氨气、铵盐及硝酸的主要物理性质和化学性质，知道NH的检验方法和氨气的实验室制法，能书写相关反应的化学方程式。‎ 三. 教学重点、难点 ‎ 氮气、氨、铵盐和硝酸的性质 四. 知识分析 空气中的主要物质？植物生长需要的主要元素？‎ ‎（一）氮在自然界中的循环和存在形式 ‎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种是游离态，如N2，一种是化合态，如铵盐、硝酸盐、氨、蛋白质等。‎ ‎2. 氮在自然界中的循环 ‎（1）氮在自然界中的循环的基本过程 自然界里，空气的氮气转化为植物可以直接吸收含氮化合物的两种主要形式，豆科植物的根瘤菌把N2转化为硝酸盐；闪电使少量N2与O2化合生成NO，随之变为硝酸随降水进入土壤和水体。植物的根从土壤中吸收铵盐、硝酸盐，经过复杂的生物转化，形成了各种氨基酸，氨基酸最后变成蛋白质。动物以植物为食而获得植物蛋白，并将其转化为动物蛋白，动物遗体中的蛋白质被微生物分子分解成铵离子、硝酸根和氨，又回到了土壤和水体中，被植物再次吸收利用。‎ ‎（2）氮循环的重要意义 由于存在着氮元素的循环，其他生命元素的循环，以及水的循环，地球的生命才生生不息，生机勃勃。 ‎ ‎（二）氮循环的重要物质及其变化 ‎1. 氮气 ‎（1）物理性质 无色无味的难溶于水的气体；密度比空气小，在空气中约占总体积的78%，占其它质量的75%。‎ ‎（2）分子结构 两个氮原子之间的强烈作用，要破坏这种牢固的结合，需要很高的能量。常温下，N2的化学性质很不活泼，但在高温、放电、点燃等条件下能与O2、Mg、H2等反应。‎ 6‎ ‎（3）化学性质 ‎①与O2反应：N2+O2＝2NO ②与H2反应：N2+3H2＝2NH3 ‎ ‎③与Mg的反应：N2+3Mg＝Mg3N2 ‎ 温馨提示：‎ ‎●由于N2的化学性质不活泼，所以N2与其它物质的反应，需特别注意标明条件。‎ ‎●N2和O2反应后，“最初产物”是NO，而不是NO2。‎ ‎●一般情况下，N2不能燃烧，也不助燃，但Mg条却可以在N2中燃烧。‎ ‎（4）用途：a.保护气b.液氮作深度冷冻剂c.合成氨等 思考：相同质量的镁条分别在O2、N2和空气中充分燃烧，所得固体产物的质量m1，m2，m3由大到小的顺序是 ‎ ‎（解答：m1>m3>m2 ）‎ 重要补充：①氮的固定 概念：使空气中游离的氮转变为含氮化合物的方法。‎ 分类：自然固氮和人工固氮 ‎②可逆反应 概念：在相同条件下，能同时正反两个方向进行的反应，为可逆反应，化学方程式中用“”代替“＝”。‎ 特点：相同条件下，相反方向的两个化学反应；与化学反应有关的各种物质共存，如N2+3H2 2NH3反应体系中就存在N2、H2、NH3分子。‎ ‎2、氮的氧化物—NO、NO2的重要性质 ‎（1）物理性质 NO：无色无味难溶于水的气体 有毒 NO2：红棕色有刺激性气味的气体 有毒 ‎（2）化学性质 ‎ 2NO+O2＝2NO2 6NO+4NH3＝5N2+6H2O ‎3NO2+H2O＝2HNO3 ＋NO 6NO2+8NH3＝7N2+12H2O ‎ ‎（3）计算中用到的两个重要化学方程式 ‎4NO+3O2+2H2O＝4HNO3 ；4NO2+O2+2H2O＝4HNO3‎ 思考：① NO有毒，为什么在1992年被世界著名学术期刊《科学》（Seience，美国）评为明星分子？‎ ‎②NO2为什么能使多种织物退色，损坏多种织物和尼龙制品，对金属和非金属材料也有腐蚀作用？‎ ‎③实验室如何收集NO、NO2？为什么？‎ 解答：①NO作为一种神经系统的信使分子，在使血管扩张、免疫、增强记忆力等方面有着及其重要的作用。‎ ‎② NO2溶于水生成了硝酸，使织物退色、腐蚀材料。‎ ‎③ 收集NO用排水法，收集NO2用向上排空气法；前者易与氧气反应，后者易与水反应 ‎3、氮的氢化物——NH3‎ ‎（1）分子结构 立体结构（三角锥形）‎ ‎（2）物理性质 无色、有刺激性气味的气体，标况下密度为‎0.771g·L－1‎ 6‎ ‎，比空气轻，极易溶于水（1:700），且快速溶解，易液化得液氨，液氨气化时要吸收大量的热，使物质的温度急剧下降，所以液氨常用作制冷剂。‎ 关于喷泉实验：‎ ‎①氨气能形成喷泉的本质原因是氨极易溶于水。‎ ‎②用教材中的装置进行喷泉实验，引发水上喷的操作是挤压胶头滴管，使少量水进入烧瓶。该实验的原理是，少量水进入烧瓶时，氨迅速溶解，瓶内压强迅速降低，水在外界大气压作用下，压入烧瓶。如果把胶头滴管去掉，如何引发水上喷？‎ ‎③氨溶解于水不是简单的溶解过程，有化学反应，生成碱性物质。‎ ‎（3）化学性质 ‎①氨与水的反应 NH3+H2O NH3·H2O 说明：‎ ‎●氨的溶解中更重要的是生成了NH3·H2O，但溶质为NH3‎ ‎●氨的水溶液显弱碱性，NH3·H2O NH4++OH—‎ ‎●氨水易挥发，要密封保存，对许多金属有腐蚀作用，不能用金属容器盛装。‎ ‎●氨水的密度小于水的密度，且质量分数越大，密度越小。‎ ‎●氨水的成分：NH3、H2O、NH3·H2O、NH4+、OH— H+‎ ‎②氨与HCl反应 NH3+HCl＝NH4Cl 练习：写出NH3与硝酸、硫酸、磷酸的化学方程式 解答：NH3+HNO3＝NH4NO3；2NH3+H2SO4＝(NH4)2SO4；3NH3+H3PO4＝(NH4)3PO4)‎ ‎③氨与某些盐溶液的反应 FeCl3+3NH3·H2O＝Fe(OH)3↓+3NH4Cl ；MgCl2+2NH3·H2O＝Mg(OH)2↓+2NH4Cl ‎ ‎④氨的还原性 a. 氨与O2的反应 催化氧化：4NH3+5O2＝4NO+6H2O ；与纯O2反应 ： 4NH3+3O2＝2N2+6H2O b. 与Cl2反应 ‎①氨气不足（Cl2过量） 2NH3+3Cl2＝N2+6HCl ‎ ‎②氨气足量 8 NH3+3Cl2＝N2+6NH4Cl ‎ c. 与CuO的反应 2NH3+3CuO＝3Cu+N2+3H2O（可用于制N2）‎ 小结：‎ ‎●NH3是唯一能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体，可用于氨气的检验 ‎●氨水与液氨为不同物质，氨水为混合物，液氨为纯净物;NH3为非电解质，而NH3·H2O为弱电解质。‎ ‎●与浓氨水靠近，能产生白烟现象的物质：①挥发性酸如浓HNO3、浓HCl ②酸性气体HCl、HBr、HI、H2S等；③Cl2。但浓H2SO4、浓H3PO4因难挥发而无此现象。‎ ‎●NH3可在纯氧中燃烧，不是在空气中燃烧，故NH3不属于可燃烧气体。‎ ‎4. 铵盐的主要性质 ‎（1）概念：由铵根离子和酸根离子组成的盐 ‎（2）物理性质：都是无色晶体，都易溶于水 ‎（3）化学性质 ‎①受热易分解 a. 热不稳定酸的铵盐为NH3和酸的分解产物NH4HCO3NH3↑+CO2↑+H2O 6‎ ‎（对热不稳定酸：H2CO3、H2SO3、H2SiO3）‎ b. 挥发性酸对应的铵盐的分解产物是NH3和相应的酸 NH4ClNH3↑+HCl↑‎ ‎（挥发性酸：HCl、HBr、H2S、HI）‎ c. 高沸点酸的铵盐的分解产物为NH3和相应的酸 (NH4)3PO43NH3↑+H3PO4‎ d. 氧化性酸的铵盐的分解产物随温度而异 2NH4NO32N2↑+O2↑+4H2O ‎②与碱反应 NH4Cl+NaOHNaCl+NH3↑+H2O ‎（4）NH4+的检测： 在未知溶液中加入强碱并加热，用湿润的红色石蕊试纸检验，若试纸变蓝，则证明原溶液中含NH4+‎ 思考：‎ ‎①铵盐都能受热分解，能不能用此种方法检验NH4+的存在？‎ ‎②铵盐与浓碱溶液，铵盐与稀碱溶液反应并加热，铵盐与稀碱溶液反应不加热的离子方程式有何不同？‎ 解答：①不能。②生成氨气、生成氨气、生成一水合氨。‎ ‎5. 硝酸的重要性质 ‎（1）物理性质：纯HNO3是无色，易挥发（沸点‎83℃‎），有刺激性气味的液体。易溶于水密度比水大，常用的浓HNO3质量分数为69%，98%的硝酸称“发烟硝酸”）‎ ‎（2）化学性质 ‎①酸的通性 ‎②特性 ‎ a. 不稳定性： 4HNO34NO2+O2+2H2O并且越多越易分解 b. 强氧化性：浓硝酸可以与不活泼金属如铜、银等以及碳、磷等非金属反应。‎ 说明：‎ ‎①浓、稀HNO3均有强氧化性 ②氧化性：浓HNO3>稀HNO3‎ ‎③金属与硝酸反应不产生H2，而是与浓硝酸反应生成NO2，与稀HNO3生成NO ‎4HNO3（浓）+Cu＝Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O ‎8HNO3（稀）+3Cu＝3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O 小知识：‎ ‎●常温下浓HNO3可使铁、铝表面形成致密的氧化物膜而钝化，（浓H2SO4也有此性质）因此可用铁、铝容器盛放浓H2SO4、HNO3。‎ ‎●氧化性酸和酸的氧化性：酸的氧化性是指H+的氧化性；氧化性酸是酸根离子中心原子获得电子的性质。‎ 思考：①分别将盛有浓HCl，浓H2SO4，浓HNO3的烧杯置于空气中，其中质量增加的是 ，质量减少的是 ，原因分别是 。‎ ‎②浓HNO3为什么常是黄色？ 浓HNO3如何保存？‎ 解答：①浓H2SO4；浓HCl、浓HNO3；浓H2SO4有吸水性，吸收空气中的水蒸气；浓HCl、浓HNO3都有挥发性。②浓硝酸易分解产生NO2，NO2溶于水显黄色；浓硝酸通常保存在棕色瓶中，置于冷暗处。‎ ‎【典型例题】‎ 例1. 下列过程属于人工固氮的是（ ）‎ 6‎ ‎ A. 分离液态空气制氮气 B. 闪电时N2 转化为NO ‎ ‎ C. 合成氨 D. 豆科作物根瘤菌将N2 转化为NH3 ‎ ‎ 答案： C ‎ ‎ 解析：该题目考查氮的固定知识，将空气中游离态的氮转化为化合物的方法，统称为氮的固定，分为自然固氮和人工固氮，B、D 属于自然固氮，C属于人工固氮。‎ 点评：本题属于基本概念应用题 例2. 采用不同的分类方法，可将非金属氧化物分为不同的类别。例如，从某种意义讲P2O5、SO2、SO3、CO2、Cl2O7等归为一类，则下列氧化物中与它们同属一类的是（ ）‎ A. CO B. NO C. N2O5 D. NO2‎ ‎ 答案： C ‎ ‎ 解析：本题考查了基本概念。题目中所给氧化物都是酸酐，而所给选项中CO、NO、NO2 都是不成盐氧化物，只有N2O5 是硝酸的酸酐。‎ 点评：解答本题关键是从题干中准确分析、判断、归纳出几种物质的共同规律，分析选项时，明确非金属氧化物可能是酸性氧化物，也可能不是。结合平时积累的知识解决问题。‎ 例3. 有关氨的性质的叙述中正确的是（ ）‎ ‎ A. 氨不能在空气中燃烧 ‎ B. 氨水呈碱性 ‎ C. 氨气和酸相遇能产生白色烟雾 D. 在反应 NH3 + H+＝ NH4+ 中，氨失去电子被氧化 ‎ 答案：AB ‎ ‎ 解析：氨只能在纯氧中燃烧，不能在空气中燃烧，A 正确；因为NH3·H2O＝NH4++OH-，故氨水呈碱性，并视为一元弱碱，B 正确；氨气只有与挥发性酸相遇才能生成白烟，C错； 反应NH3 + H+ ＝ NH4+为非氧化还原反应，D错。综上分析，本题答案为A、B。‎ 点评：氨是一种重要的物质，学习中应全面掌握氨的重要性质。‎ 例4. 为了测定某铜银合金的成分，将‎30.0 g 合金溶于80 mL 13.5 mol·L-1的浓HNO3中，待合金完全溶解后，收集到气体‎6.72 L (标准状况)，并测得溶液中c(H+)＝1mol·L-1。假设反应后溶液的体积仍为80 mL，试计算：‎ ‎ （1）被还原的HNO3 的物质的量；‎ ‎ （2）合金中银的质量分数。‎ ‎ 答案：（1） 0.3 mol （2）36%‎ ‎ 解析：（1） HNO3 被还原生成NO 或NO2 气体 ， 因此产生的气体的物质的量即是被还原的HNO3 的物质的量。‎ ‎ n ＝ ‎6.72 L/ ‎22.4L·mol-1＝0.3mol ‎ （2）反应后溶液中c(H+)＝ 1mol·L-1， 说明硝酸过量。‎ ‎ 参加反应的HNO3 为 (13.5mol·L-1 -1mol·L-1)×‎0.08L＝1mol，‎ 设合金中Cu的物质的量为x， Ag的物质的量为y则得：‎ 解得： x＝0.3mol y＝0.1mol 则合金中银的质量分数为：（0.1mol×‎108g/mol）/‎30.0g ＝36%‎ 6‎ 点评：本题是硝酸的性质、氧化还原反应、混合物的计算等多方面综合题，解决此类问题，既要准确掌握相关基础知识，还要准确分析化学过程，灵活选择解题方法。属要求较高的题目。‎ 6‎