氮的固定（解析版）.doc

学而优·教有方

第07讲氮的固定

【学习目标】

通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到：

1.能依据氮分子的微观结构预测其性质；

2.认识人工固氮的化学原理和社会价值；

3.体会化学科学在解决人类社会问题中所发挥的重要作用。

【课前引入】

观察下面空气的组成成分，说一说空气的主要组成成分是什么？

思考：空气的组成稳定，其总体积中约78%是氮气，约21%是氧气。氮气可能具有怎样的性质？

【基础知识】

【氮分子的结构】

在自然界中，绝大部分氮元素以游离态的氮气分子形式存在于空气中。实验证明，在通常情况下，氮气与大多数物质很难发生化学反应，说明氮气的化学性质很不活泼。一般认为，氮气分子是由两个氮原子通过共用三对电子结合而成的，氮气分子中存在氮氮三键。氮气分子的电子式和结构式分别为：

总结：

总结：破坏氮气分子中氮原子之间的共价键需要很大的能量，所以氮气分子很稳定。但在高温或放电等特殊条件下，氮气分子获得了足够多的能量，也能与一些金属或非金属单质发生反应，生成含氮化合物。

【知识拓展1】

1.氮

1.氮——重要的非金属元素

(1)氮元素位于元素周期表的第二周期、第ⅤA族，氮元素的非金属性比氧元素弱，比碳元素强，硝酸的酸性比磷酸强。

(2)氮元素原子最外层有5个电子，氮原子很难得失电子形成离子键，一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。

(3)氮元素在自然界中的存在

①游离态：主要以氮分子的形式存在于空气中。

②化合态：部分存在于动植物体内的蛋白质中；部分存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中。

2.氮气

(1)氮分子内两个氮原子间以共价三键(N≡N)结合，断开该化学键需要较多的能量，所以氮气的化学性质很稳定，通常情况下很难与其他物质发生化学反应。

(2)写出氮气与下列物质反应的化学方程式：

①金属镁：N2＋3Mgeq\o(=====,\s\up7(点燃))Mg3N2，氮气表现氧化性；

②氢气：N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高温、高压),\s\do5(催化剂))2NH3，氮气表现氧化性；

③氧气：N2＋O2eq\o(=======,\s\up7(放电或高温))2NO，氮气表现还原性。

【自然固氮】

氮、磷、钾是植物生长的必需元素。充足的氮能使植物枝叶茂盛，叶片增大，光合作用增强，促进氨基酸和蛋白质的形成，从而使农作物的产量和产品质量得以提高。

将空气中游离态的氮转化成含氮化合物叫做氮的固定，简称固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮两种方式。植物通过自然固氮可以从空气中获得化合态的氮，但这不能满足许多植物生长的需要。

自然固氮的途径主要有两种：

自然固氮的途径主要有两种：一种是生物固氮，即自然界中的一些微生物种群（如豆科植物的根瘤菌）将空气中的氮气通过生物化学过程转化为含氮化合物，约占自然固氮的90％；另一种是高能固氮，即通过闪电、火山爆发等途径产生含氮化合物，约占自然固氮的10％。

例如：

豆科植物的根部常附有小根瘤、其中含有固氮菌，能把空气中的游离氮转化为化合物形态的氨（或铵态氮肥）作为自身的养分。

科学家正致力于探索豆科植物

科学家正致力于探索豆科植物“轻而易举”实现固氮的机理，建立了多种化学模型模拟生物固氮，争取实现在温和条件下固定空气中的氮为人类所用，以解决人工化肥效率不高，以及对土壤和环境带来一定副作用等问题。

【知识拓展2】

固氮酶：

固氮酶：

经过几十年的研究，科学家发现根瘤菌中存在固氮酶。固氮酶的分子很大，结构也很复杂，它是由二氮酶和二氮还原酶两种蛋白质组成的。这两种蛋白质对氧非常敏感，一旦遇氧就很快导致固氮酶的失活。在空气中暴露30s，二氮还原酶的活性就会丧失一半；在空气中暴露10min，二氮酶的活性也会丧失一半。固氮酶如此怕氧气，所以整个研究过程必须在严格无氧气的条件下进行，这无疑给研究增加了难度。所以，时至今日，化学模拟生物固氮仍在探索之中。

自然界中并不是所有种类的植物都可以像豆科植物那样能利用根瘤自行固氮。在人类合成氮肥之前，大部分植物对化合态氮元素的需求，除动物粪便等有机肥在微生物作用下进入土壤中的成分外，主要依赖于闪电条件下大气中氮元素的转化。

总结：

总结：

在放电条件下，空气中的氮气与氧气发生反应，生成一氧化氮。一氧化氮在空气中很不稳定，易被空气中的氧气进一步氧化生成二氧化氮，二氧化氮与水反应生成硝酸。

【知识拓展3】

NO和NO

NO和NO的性质：

在常温下，NO为无色、无味的气体，微溶于水；NO为红棕色、有刺激性气味的气体。二氧化氮与水反应生成硝酸和一氧化氮。大气中NO和NO，达到一定浓度时都会对人体造成伤害，能引发上呼吸道及肺部疾病。人体中极少量的NO有助于促进血管扩张，防止血管栓塞。一氧化氮在调节心脑血管、神经和免