师：各位同学大家好，江苏省名师空中课堂现在开始，今天我们一起来复习氮及其化合物。自然界中，氮元素主要以氮分子的形式存在于空气中，一部分存在于生命体的蛋白质中，还有部分以硝酸盐或铵盐的形式存在于海洋、土壤里。氮元素对自然界各种生命体而言，都是极其重要的。

　　今天，我们以汽车发动机的工作原理为情境，复习氮及其化合物的性质以及它们之间的相互转化规律。通过这节课，大家需要了解以下知识：汽车发动机工作时，一氧化氮是如何产生的？汽车尾气中的氮氧化物如何处理？氮氧化物能否转化为硝酸还原剂？氨气如何获得自然界中的氮元素？怎样实现循环？

　　如今汽车发展迅速，汽车发动机主要使用汽油、柴油等燃料。燃料含碳氢元素，与空气反应会生成二氧化碳和水，同时还会产生一氧化氮及少量一氧化碳等气体，并释放大量能量。美国环保局统计显示，现代人类活动产生的氮氧化物大量源于交通运输燃料燃烧排放，燃烧系统排出的氮氧化物 95%以上是一氧化氮，其余主要是二氧化氮。

　　那么，汽车发动机工作时的一氧化氮是如何产生的呢？燃料含碳氢元素，产生二氧化碳和水容易理解，氮元素形成的一氧化氮从何而来？这主要是因为空气中的氮气和氧气在放电或发动机内部高温条件下，会转化成一氧化氮。一氧化氮是无色气体，其重要性质是遇氧气会变成红棕色的二氧化氮，即一氧化氮很容易与氧气反应生成二氧化氮，至此我们清楚了汽车尾气排放氮氧化物的产生过程。

　　如果汽车尾气中的氮氧化物主要是一氧化氮，想将其转化为硝酸，会带来哪些危害呢？从正二价的氮元素到正五价的硝酸，价态升高，需加入氧化剂，这里的氧化剂就是氧气，所以一氧化氮和氧气、水在一定条件下会转化成硝酸。这种方法可行吗？转化成硝酸会有什么危害呢？提示一下，可从硝酸的性质角度考虑。汽车尾气装置常用铁和铝材料，大家思考这样处理氮氧化物尾气是否可行？有同学可能想到，硝酸具有酸性，会腐蚀装置的金属材料，没错，硝酸会与铁、铝等金属发生反应，这里主要指稀硝酸。虽然常温下铁、铝与浓硫酸会发生钝化反应，但装置中反应放热，温度远高于常温，铁、铝与硝酸会发生反应。

　　除了硝酸的强氧化性，还需考虑硝酸在高温条件下会发生分解，转化成二氧化氮。也就是说，辛苦将一氧化氮转化成硝酸后，硝酸可能又转化成氮氧化物，与金属反应也会转化成对应的氮氧化物。所以，将汽车尾气中的一氧化氮氧化转化成硝酸这条路行不通。

　　刚才是从氮元素化合价升高的方向进行转化，那可不可以往低处转化呢？往低处转化需加入还原剂，可行吗？回想前面提到，燃烧会产生二氧化碳、水、一氧化氮及少量一氧化碳等气体，尾气中能否用一氧化碳和一氧化氮进行反应呢？在汽车尾气处理中，一氧化碳和一氧化氮通过尾气净化装置，最终生成氮气和二氧化碳，该反应将一氧化氮转化为无毒的氮气，反应方程式可以写出来。

　　这表明通过加入还原剂将其转化成氮气是更好的选择。资料显示，柴油车为提高发动机工作效率，通常会吸入更多空气，那么尾气中的氮氧化物如何被还原呢？吸入更多空气意味着提供了更多氧化剂。化学家向一氧化氮中通入氨气，调整合适温度，找到合适催化剂，成功将一氧化氮高效转化成氮气。

　　氨气不仅能与一氧化氮反应，还能与二氧化氮反应，转化成氮气和水，这里氨气是还原剂。那么氨气如何获得呢？首先想到工业上合成氨气，这是重大发现，解决了世界人口因粮食短缺造成的饥饿问题。氮气和氢气在高温、高压、催化剂作用下转化成氨气，最早合成氨的是哈伯。哈伯在实验室合成氨实验中，寻找温度、压强和催化剂的过程中，发现合成氨气产量可达 6%以上，具备了大规模建厂生产的条件，现代合成氨工厂就是以哈伯的实验为原型。

　　有没有其他制取氨气的方法呢？容易想到实验室制取氨气，通常采用可行、可操作的方式，利用铵盐和碱的反应，如氯化铵和氢氧化钙在加热条件下发生复分解反应生成氨气。这是固体和固体加热的反应，实验装置中，试管口需朝下，生成的氨气不能用浓硫酸干燥，选用碱石灰作为干燥剂。收集氨气要考虑其物理性质，氨气密度小于空气且极易溶于水，所以采用向下排空气法。

　　复习元素化合物知识，尤其是装置实验题，要注意原料反应物的选择、装置的选择以及收集装置的选择。现实生活中，汽车尾气处理装置中的氨气怎么获得呢？是用合成氨工厂的氨气吗？显然不是，也不是实验室制取。来看一段视频，发动机排出的废气用红色标记，因为主要氮氧化物二氧化氮是红棕色气体。废气通过螺旋状装置，向里加入尿素。尿素在螺旋管中旋转，最终使更低浓度的氮氧化物排出。即通过向汽车尾气加入氨气，且安装有尿素计量喷射装置。温度达到 300 - 500 摄氏度时，在催化剂作用下，尿素立刻转化为氨气和二氧化碳。利用尿素产生的氨气与一氧化氮反应，生成氮气和水，这样汽车尾气排放的氮氧化物浓度就降低了。

　　氨气怎么得来的呢？是利用尿素和水，即尿素溶液，在加热条件下生成二氧化碳和氨气。使用尿素计量喷射装置要注意，车用尿素溶液在催化还原反应中需精细控制用量。为什么选用尿素而不直接用氨气处理尾气呢？因为氨气常温下是气态，容易液化，液化会吸收大量热，液氨可做制冷剂。但氨气液态时温度低、压力高，一旦泄漏会对人体造成冻伤、中毒等伤害。若将液氨用于尾气处理，车辆需配备专用储存容器，这会大幅提高车辆制造成本，目前还难以应用。理论与实际比较，实际生产中选择汽车尾气处理还原剂要考虑反应速率要快、反应程度要高、自身及产物要安全，成本也要考虑。