氮气与氮的氧化物

概览

$\ce{N2}$因分子中含有键能极大的$\ce{N≡N}$三键而化学性质稳定。氮的氧化物中高考重点是$\ce{NO}$与$\ce{NO2}$：$\ce{NO}$ 无色、难溶、极易被氧化；$\ce{NO2}$ 红棕色、易溶于水并发生自身氧化还原（$\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$）。本章还涉及氮的氧化物溶于水的相关计算。

核心概念

1. 氮气的结构与稳定性

• 电子式：$\ce{:N:::N:}$，分子中存在 $\ce{N≡N}$ 三键，键能极大（$946\ \mathrm{kJ/mol}$），破坏它需要很高的能量。
• 因此 $\ce{N2}$ 化学性质很稳定，常温下很难与其他物质反应。
• 但高温、放电、催化条件下仍能反应（如雷雨时 $\ce{N2 + O2 ->[放电] 2NO}$）。

2. 氮的常见氧化物

氧化物	氮的价态	颜色/状态	水溶性	备注
$\ce{N2O}$	+1	无色气体	可溶	笑气
$\ce{NO}$	+2	无色气体	难溶	有毒，易被氧化
$\ce{NO2}$	+4	红棕色气体	易溶	有毒，有刺激性气味
$\ce{N2O4}$	+4	无色	与$\ce{NO2}$共存	$\ce{NO2}$ 二聚
$\ce{N2O5}$	+5	无色	易溶	硝酸酐

无色 NO 与红棕色 NO2

$\ce{NO}$ 是无色气体，$\ce{NO2}$ 是红棕色气体。$\ce{NO}$ 在空气中立即被氧化：$\ce{2NO + O2 -> 2NO2}$（现象：无色变红棕色）。

化学性质

1. 氮气的化学性质（放电/高温下）

• 与氧气（放电或高温）：$\ce{N2 + O2 ->[放电或高温] 2NO}$（雷雨肥田的原理之一）
• 与氢气（工业合成氨）：$\ce{N2 + 3H2 <=>[高温高压][催化剂] 2NH3}$（可逆）
• 与活泼金属（如 $\ce{Mg}$）：$\ce{N2 + 3Mg ->[点燃] Mg3N2}$（氮化镁，遇水水解：$\ce{Mg3N2 + 6H2O -> 3Mg(OH)2 + 2NH3 ^}$）

2. 一氧化氮（$\ce{NO}$）

• 物理性质：无色、有毒气体，难溶于水，密度略大于空气。
• 化学性质：
  • 易被氧化（$\ce{NO}$ 的还原性）：$\ce{2NO + O2 -> 2NO2}$
  • 不能与水反应（所以 $\ce{NO}$ 是"不成盐氧化物"之一）。
  • 具有还原性，能使酸性 $\ce{KMnO4}$ 褪色。
• 收集方法：排水集气法（不能用排空气法，因与 $\ce{O2}$ 反应且密度接近空气）。

3. 二氧化氮（$\ce{NO2}$）

• 物理性质：红棕色、有刺激性气味的有毒气体，密度比空气大，易溶于水，易液化。
• 化学性质：
  • 与水反应（自身氧化还原/歧化）： $$\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$$
  • 与氧气同时通入水中（$\ce{NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}$ 的配平：$4\ce{NO2} + \ce{O2} + 2\ce{H2O} -> 4\ce{HNO3}$）。
  • 氧化性：能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝（$\ce{NO2}$将$\ce{I^-}$氧化为$\ce{I2}$）。
• 收集方法：向上排空气法（不能排水，因易溶于水且与水反应）。

氮的氧化物对环境的危害

• 光化学烟雾：$\ce{NOx}$（$\ce{NO}$、$\ce{NO2}$）在阳光作用下与碳氢化合物反应形成。
• 硝酸型酸雨：$\ce{NO2 + H2O -> HNO3 + NO}$，最终生成硝酸。
• 汽车尾气治理：$\ce{2NO + 2CO ->[催化剂] N2 + 2CO2}$（归中，$\ce{NO}$中$\ce{N}$ 降价、$\ce{CO}$中$\ce{C}$ 升价）。

氮的氧化物溶于水的计算

• $\ce{NO2}$ 溶于水：$\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$，$3$体积$\ce{NO2}$生成$1$体积$\ce{NO}$，气体减少 $2/3$。
• $\ce{NO2}$与$\ce{O2}$ 混合通入水中： $$\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}$$ 当 $V(\ce{NO2}):V(\ce{O2}) = 4:1$ 时，气体恰好完全溶解，无剩余。
• $\ce{NO}$与$\ce{O2}$ 混合通入水中： $$\ce{4NO + 3O2 + 2H2O -> 4HNO3}$$ 当 $V(\ce{NO}):V(\ce{O2}) = 4:3$ 时，气体恰好完全溶解。
• 若气体有剩余，剩余气体是 $\ce{NO}$（过量）或 $\ce{O2}$（过量），不可能剩余 $\ce{NO2}$（$\ce{NO2}$遇水生成$\ce{NO}$）。

氮的固定与自然界氮循环

• 氮的固定：将游离态氮（$\ce{N2}$）转化为氮的化合物的过程。
  • 自然固氮：雷雨天放电固氮（$\ce{N2 + O2 ->[放电] 2NO}$）；豆科植物根瘤菌固氮。
  • 人工固氮：工业合成氨 $\ce{N2 + 3H2 <=>[高温高压][催化剂] 2NH3}$。
• 氮循环：$\ce{N2 ->[固氮] 含氮化合物 ->[硝化] NO3^- ->[反硝化] N2}$，维持自然界氮的平衡。
• 大气污染与防治：
  • 汽车尾气中 $\ce{NOx}$ 的治理：$\ce{2NO + 2CO ->[催化剂] N2 + 2CO2}$。
  • 光化学烟雾、硝酸型酸雨都与 $\ce{NOx}$ 排放有关。
  • $\ce{NO2}$用$\ce{NaOH}$ 溶液吸收：$\ce{2NO2 + 2NaOH -> NaNO3 + NaNO2 + H2O}$（$\ce{NO}$、$\ce{NO2}$ 混合气可被碱液吸收：$\ce{NO + NO2 + 2NaOH -> 2NaNO2 + H2O}$）。

典型例题

例题 1

题目：将盛有 $\ce{NO2}$和$\ce{O2}$混合气体的试管倒立于水中，最终试管内剩余气体为$\ce{O2}$，且剩余气体体积为原混合气体的 $1/10$。求原混合气体中 $\ce{NO2}$与$\ce{O2}$ 的体积比。

分析：设原混合气体总体积为 $V$，则剩余 $\ce{O2}$体积为$V/10$，参加反应的混合气体体积为 $9V/10$。按 $\ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}$，参加反应的 $\ce{NO2}$占$4/5$，$\ce{O2}$占$1/5$： $V(\ce{NO2}) = \dfrac{9V}{10} \times \dfrac{4}{5} = \dfrac{36V}{50} = \dfrac{18V}{25}$；$V(\ce{O2}) = \dfrac{9V}{10} \times \dfrac{1}{5} + \dfrac{V}{10} = \dfrac{9V}{50} + \dfrac{5V}{50} = \dfrac{14V}{50} = \dfrac{7V}{25}$。 故 $V(\ce{NO2}):V(\ce{O2}) = \dfrac{18}{25} : \dfrac{7}{25} = 18:7$。

解答：$V(\ce{NO2}):V(\ce{O2}) = 18:7$。

点评：本题考查 $\ce{NO2}$、$\ce{O2}$ 混合气倒立于水的计算。关键是先判断剩余气体，再按"恰好反应"比例分配参加反应的气体。

例题 2

题目：下列说法正确的是（　） A. $\ce{NO}$和$\ce{NO2}$ 均可用排空气法收集 B. $\ce{NO2}$溶于水生成硝酸，所以$\ce{NO2}$ 是硝酸的酸酐 C. 常温下 $\ce{N2}$的化学性质很稳定，是因为$\ce{N≡N}$ 键能大 D. $\ce{NO}$与$\ce{O2}$ 混合后颜色不变

分析：A 错误：$\ce{NO}$易与$\ce{O2}$ 反应，不能用排空气法收集（用排水法）；$\ce{NO2}$ 可用向上排空气法。B 错误：$\ce{NO2}$溶于水生成硝酸和$\ce{NO}$，不是酸酐；硝酸的酸酐是 $\ce{N2O5}$。C 正确：$\ce{N≡N}$ 键能大，$\ce{N2}$ 稳定。D 错误：$\ce{2NO + O2 -> 2NO2}$，无色变为红棕色。

解答：选 C。

点评：注意"酸酐"定义——酸酐是酸脱水后的氧化物，$\ce{HNO3}$的酸酐是$\ce{N2O5}$，而不是 $\ce{NO2}$。$\ce{NO2}$ 与水的歧化反应是高频考点。

例题 3

题目：将充满 $\ce{NO}$和$\ce{NO2}$的混合气体（体积比为$1:1$）的试管倒置于水槽中，一段时间后试管内液面上升。求最终剩余气体的体积占原混合气体体积的几分之几（假设气体都在标准状况下）。

分析：$\ce{NO2}$溶于水发生$\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$，$\ce{NO}$不溶于水也不与水反应。设$\ce{NO}$、$\ce{NO2}$各为$1$体积（共$2$ 体积）。$1$体积$\ce{NO2}$反应生成$\dfrac{1}{3}$体积$\ce{NO}$，则剩余 $\ce{NO}$体积为$1 + \dfrac{1}{3} = \dfrac{4}{3}$ 体积。

解答：剩余气体体积为原混合气体体积的 $\dfrac{\dfrac{4}{3}}{2} = \dfrac{2}{3}$。

点评：这是"氮氧化物溶于水"的基础计算。核心是把握 $\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$ 中"$\ce{NO2}$有$\dfrac{1}{3}$转化为$\ce{NO}$"，并结合 $\ce{NO}$ 不溶于水的性质。此类题还可扩展为"$\ce{NO2}$、$\ce{NO}$、$\ce{O2}$ 混合气溶于水最终无剩余"的组合计算。

易错提醒

WARNING

• $\ce{NO}$ 是不成盐氧化物（不与水、碱反应），$\ce{NO2}$ 与碱反应生成硝酸盐与亚硝酸盐（不是简单的酸性氧化物）。
• $\ce{HNO3}$的酸酐是$\ce{N2O5}$，不是 $\ce{NO2}$。
• $\ce{NO2}$ 溶于水：$\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$，氮的化合价既有升高（$\ce{+4 -> +5}$）又有降低（$\ce{+4 -> +2}$），是歧化反应。
• $\ce{NO}$ 不能用排空气法收集；$\ce{NO2}$ 不能用排水法收集。
• "雷雨发庄稼"依靠的是 $\ce{N2 + O2 ->[放电] 2NO}$，再经系列反应生成硝酸盐。
• 混合气溶于水的计算中，剩余气体只可能是 $\ce{NO}$或$\ce{O2}$，不可能剩余 $\ce{NO2}$。

与其他知识关联

• $\ce{NO2}$ 溶于水生成硝酸 → 硝酸
• $\ce{NO}$ 是氨催化氧化的产物 → 氨与铵盐
• 氮的氧化物是大气污染物，与酸雨、光化学烟雾相关 → 必修二"化学与可持续发展"
• 合成氨（$\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$）涉及化学平衡 → 化学平衡
• 本章总览 → 00-氮及其化合物总览

---

返回 00-氮及其化合物总览