自然界中的氮的循环以及氮循环中的重要物质-

第2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自然界中的元素1．了解氮的固定，掌握氮气的性质。2．掌握NO、NO2的重要性质及其与环境的关系。知识清单氮在自然界中的循环1．氮的存在，氮是地球上含量丰富的一种元素，以________的形式存在于大气中，以________的形式存在于动植物体里、土壤和水体中。2．氮在自然界中的循环单质化合物(1)在自然界中豆科植物根部的________，把空气中的氮气转变为________等含氮的化合物。动物遗体中的蛋白质被微生物分解成________、________和________，又回到土壤，被植物吸收利用。在放电条件下，空气中少量的________与化合生成NO，NO和O2迅速生成________并随水进入土壤和水体。根瘤菌硝酸盐铵离子硝酸根离子氨氮气氧气NO2(2)人们通过化学方法把空气中的氮气转化为________，再根据需要进一步转化成各种__________。(3)化石燃料燃烧、森林和农作物枝叶燃烧所产生的________通过大气进入陆地和海洋，进入氮循环。(2)氨含氮化合物如氮肥、硝酸等(3)氮氧化合物综合拓展关于氮气制取的方法分离空气法：空气中约含五分之四(体积分数)的氮气，因此工业上所需的氮气都是从空气中提取的。其方法通常有两种，一是分离液态空气法，即将液态空气减压分馏；二是将可燃物在限定容积的容器内燃烧除去氧气，从而获得氮气。实验室制法：在实验室要制取较纯的氮气，可以加热饱和氯化铵溶液与亚硝酸钠晶体(或饱和溶液)的混合物来制备氮气。由于该反应是放热反应，所以当加热到开始反应时就应停止加热，发生反应的化学方程式为：NaNO2＋NH4Cl===NH4NO2＋NaClNH4NO2=====加热N2↑＋2H2O特别提示：1.将空气液化后，升温时先挥发出的气体是沸点低的气体，故先得到氮气。2．实验室制备氮气时，可以发生氧化反应制得(如将氨气与氧化铜加热)，也可以发生还原反应制得(如用氨气还原氮的氧化物制取氮气)。尝试应用1．下图是氮元素在自然界中的循环示意图，又知1mol氮气与氧气化合生成2molNO气体时需吸收180.7kJ热量。试回答：(1)图中________过程称为氮的固定(填写序号)。(2)下列能将蛋白质转化为氨的生物是______(填写字母)。A．藻类B．分解者C．化能合成细菌(3)若在一次雷雨闪电中两块云间的电势差为109V，从一块云移到另一块云的电量约为30C，此次闪电放出的能量是______kJ。(4)若闪电时有千分之一的能量用于生成NO，能产生NO______mol。(5)此次雷雨生成物相当于给大地施加尿素[CO(NH2)2]肥料______kg。解析：本题以自然界中氮元素的循环为主线，综合考查了化学、生物、物理三个学科的知识。(1)将氮元素由游离态变为化合态的过程叫做氮的固定，显然只有过程①符合。(2)蛋白质转化为氨属于蛋白质的水解和分解，能完成这一过程的生物应为“分解者”。(3)两块云放电时，其放出的能量可用下式计算：E＝UIt＝UQ＝109×30＝3×1010(J)＝3×107(kJ)(4)由题意知，每吸收180.7kJ的能量，即可合成NO2mol，此次闪电放出能量的千分之一就是3×104kJ，它可以生成NO：3×104kJ÷180.74kJ×2mol＝332mol。(5)由氮守恒又可找出NO与尿素的关系式为2NO——CO(NH2)22mol60g即每产生2molNO相当于给大地施加尿素60g，则332molNO相当于施加尿素的量为：332mol/2mol×60g＝9960g＝9.96kg。答案：(1)①(2)B(3)3×107(4)332(5)9.96知识清单氮循环中的重要物质及其变化1．氮气(1)与氧气反应：化学方程式为：________________。(2)与氢气反应：化学方程式为：________________。(3)与金属镁反应：此反应的化学方程式为：_____________________。(1)N2＋O22NO(2)N2＋3H22NH3(3)3Mg＋N2Mg3N2催化剂高温、高压催化剂高温、高压=====点燃放电放电2．一氧化氮和二氧化氮无色红棕色剧毒剧毒不溶解溶于水并与水反应2NO＋O22NO2；3NO2＋H2O2HNO3＋NO3.氮的固定(1)概念：________________________叫氮的固定。(2)分类：主要分为__________________。(1)使空气中游离态的氮转化为含氮化合物的方法(2)自然固氮、人工固氮(或工业固氮)综合拓展氮的氧化物以及与氧气混合后溶于水的情况分析(1)NO2或NO2与N2(非O2)的混合气体溶于水时，可根据反应：3NO2＋H2O2HNO3＋NO，利用气体体积的变化差值进行计算。(2)NO2和O2的混合气体溶于水时，根据反应：4NO2＋O2＋2H2O4HNO3当V(NO2)∶V(O2)＝4∶1时，恰好反应，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。(3)NO和O2同时通入水中时，此时的反应为：4NO＋3O2＋2H2O4HNO3当V(NO)∶V(O2)＝4∶3时，恰好反应，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。特别提示：将方程式4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3与4NO＋3O2＋2H2O=4HNO3相加可以得到方程式NO2＋NO＋O2＋H2O=2HNO3，由此可知NO、NO2、O2等体积混合时恰好能被水完全吸收，但混合气体能被水完全吸收时三者不一定必须是等体积，其实只需要混合气体的O2分为两部分，一部分恰好与NO反应，另一部分恰好与NO2反应即可。尝试应用2．雷鸣电闪是人们司空见惯的自然现象，地球上每年平均发生31560余次闪电。(1)每当雷电交加之际，轰鸣闪电之时，空气中可能发生如下反应：①__________________________________。②__________________________________。③__________________________________。(2)由此说明闪电对人类生活有何益处：______________________________________。解析：氮是作物体内蛋白质、核酸和叶绿素的重要成分，氮肥能促使作物的茎叶生长茂盛，叶色浓绿。蚕豆、大豆等豆科植物和苜蓿等的根部有根瘤菌，能把空气中的氮气转变成氨作为养料吸收，是植物生长发育的基本条件之一，推动着自然界周而复始的氮循环，保持着生态平衡，使生命得以延续。当然，现代农业并不单纯仅仅靠等待大自然的恩赐。答案：(1)①N2＋O2=====放电2NO②2NO＋O2===2NO2③3NO2＋H2O===2HNO3＋NO(2)闪电时可把空气中的氮(N2)转化为氮肥(“固氮”反应)(48300余万吨)，落到地面上后可发生：2HNO3＋Ca(HCO3)2===Ca(NO3)2＋2H2O＋2CO2↑，形成硝酸盐以利于作物生长3．一定条件下，将等体积的NO和O2的混合气体置于试管中，并将试管倒立于水槽中，充分反应后剩余气体的体积为原总体积的()A．1/4B．3/4C．1/8D．3/8解析：NO和O2反应生成NO2，NO2溶于水又生成NO。2NO＋O2===2NO2①3NO2＋H2O===2HNO3＋NO②由方程式可知等体积气体混合时，O2过量，②中生成的NO会再被O2氧化，多次循环，将①②两方程式合并成4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3等体积混合，余O21/4体积，原混合气体2体积，余气为原气1/8。答案：C氮的固定下列属于固氮作用的化学反应是()A．N2和H2在一定条件下反应生成NH3B．NO与O2反应生成NO2C．NH3催化氧化生成NO和H2OD．由NH3制NH4HCO3和(NH4)2SO4解析：将空气中游离态的氮转化为化合态的氮的过程叫氮的固定。固定氮的方式有自然固氮和人工固氮，如工业合成氨是人工固氮，雷雨天气产生NO气体就属于自然固氮，另外豆科植物的根瘤菌也将空气中的氮气转化为植物体内的蛋白质，也属于自然固氮。答案：A名师点睛：此类题目要紧紧抓住题目的要求去做，同时要求同学们对概念有正确的理解，如本题中只要牢牢抓住“氮由游离态生成化合态就是氮的固定”，则很容易得到正确答案。变式训练1．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NOC．合成氨D．豆科植物将N2转化为NH3解析：固氮是将游离态的氮转化为化合态的氮，A中没有生成化合态氮，B、D是自然固氮，合成氨和仿生固氮是人工固氮。答案：CNO2、NO与水或氧气的反应将装有50mLNO2、NO混合气体的量筒倒立于水槽中，反应后气体体积缩小为30mL，则原混合气体中NO2和NO的体积比是()A．5∶3B．3∶5C．3∶2D．2∶3解析：判断此题可根据化学方程式，运用差量法进行计算，由所得结果来确定正确的选项。设混合气体中NO2的体积为x差量法：3NO2＋H2O===2HNO3＋NOΔV3mL1mL3mL－1mL＝2mLx50mL－30mL＝20mL3mLx＝2mL20mLx＝30mL则原混合气体中NO为50mL－30mL＝20mL所以：V(NO2)∶V(NO)＝30∶20＝3∶2。答案：C名师点睛：差量法是根据化学反应中反应物和生成物的相差量跟反应物的消耗量或生成物的增加量之间的比例关系为解题思路而建立起来的解题方法。关键是找准变化量，把题中的已知差量与化学方程式中的化学计量数对应差量列出比例关系，进行计算，是一种简捷的解题方法。变式训练2．如下图所示，室温下向盛有3.0mLNO的试管中缓缓通入1.5mLO2(所有气体体积均在标准状下测定)。试回答下列问题：(1)写出观察到的现象(可不写满，也可补充)：①____________________________________；②____________________________________；③____________________________________。(2)最终试管中剩余的气体是________，体积为________。解析：(1)通入的O2与NO发生反应生成NO2：①2NO＋O22NO2，所以看到有红棕色气体生成，生成的NO2溶于水：②3NO2＋H2O2HNO3＋NO，①②两反应的总方程式为：③4NO＋3O2＋2H2O4HNO3，气体被消耗，所以又会看到试管内液面上升。V(NO)∶V(O2)≠4∶3，故最后有气体剩余，不论剩余NO还是O2，都为无色气体，这是看到的第三个现象。（2）设1.5mLO2全部参加反应，由(1)中③知：V反应(NO)＝V反应(O2)×4/3＝1.5mL×4/3＝2.0mL，而NO的总体积是3.0mL，故剩余NO气体1.0mL答案：(1)①试管内气体变为红棕色②试管内液面升高③最后试管内剩余一种无色气体(2)NO1.0mL综合计算欲用V升某烧碱溶液将由nmolNO与mmolNO2组成的混合气体全部吸收，则NaOH溶液的物质的量浓度至少为多少？已知NO2和NaOH溶液反应为：3NO2＋2NaOH===2NaNO3＋NO＋H2O,NO、NO2可一起与NaOH溶液作用：NO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2O，解析：设有xmolNO2转化为NO,剩余的NO2与总NO(原来的，加上由NO2转化的)的比例恰好满足1∶1。3NO2＋2NaOH===2NaNO3＋NO＋H2Ox23x13xO2＋NO＋2NaOH===2NaNO2＋H2答案：m＋nVmol·L－1变式训练3．把CO2和NO组成的混合气体80mL，缓缓通过足量的Na2O2，气体的体积缩小到原混合气体的1/2，则CO2与NO的体积比不可能为()A．1∶1B．2∶3C．3∶2D．5∶2B