非金属及其化合物 讲义.docx

第四章、非金属及其化合物第一节、无机非金属材料的主角硅知识概要：一、二氧化硅和硅酸1.硅在自然界中的存在：（1）含量：在地壳中，硅的含量在所有元素中局第二位，仅次于氧。（2）存在形式：自然界中无游离态的硅。硅是一种亲氧元素，自然界中以SiO2和硅酸盐的形式存在。（3）硅原子结构特点：最外层4个电子。2.二氧化硅 硅石：天然二氧化硅（1） 存在： 石英：结晶二氧化硅水晶：无色透明的晶体 玛瑙：具有彩色环带状或层状 沙子：含有小粒的石英晶体（2）SiO2晶体结构：SiO2晶体是由Si和O按1：2的比例所组成的立体网状结构的晶体。SiO2的网状结构决定了SiO2是不溶于水的固体，熔沸点高，硬度大，且化学性质稳定。（这里充分体现了物质结构决定性质的思想）（3）化学性质：与氢氟酸反应 SiO2+4HF= SiF4+2H2O （氢氟酸可雕刻玻璃）补充：SiO2是酸性氧化物；SiO2很稳定，除氢氟酸外一般不与其他酸反应。 高温与碱性氧化物反应 SiO2+CaO=CaSiO3与强碱反应 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O (盛碱的试剂瓶用橡皮塞不能用玻璃塞) 高温与焦炭反应 SiO2+2C= Si+2CO（4）用途：信息高速公路的骨架石英光导纤维石英坩埚、石英玻璃、石英钟表等电子工业的重要部件、光学仪器工艺饰品3.硅酸（1）物理性质：硅酸是一种白色固体，在水中溶解度很小 （2）化学性质：硅酸是一种很弱的酸（比碳酸还弱）具有酸的通性，硅酸加热H2SiO3= SiO2+H2O（3）制法：硅酸一般由可溶性硅酸盐与其他酸反应制得。 如Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3（胶体） Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3（胶体） 它们都符合强酸制弱酸（4）硅胶的用途干燥剂由Na2SiO3制得H2SiO3。生成的H2SiO3逐渐聚合成胶体溶液。H2SiO3浓度较大时，形成透明的、胶冻状硅酸凝胶。硅酸凝胶干燥脱水后形成“硅胶”。硅胶是多孔状，吸附水分能力强，常用作干燥剂，也可作催化剂的载体。二、硅酸盐1.硅酸盐及其产品（1）概念：硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。（2）硅酸钠（Na2SiO3）：溶于水，其水溶液俗称水玻璃，可用作肥皂填料、防火剂及黏胶剂等。（3）硅酸盐的化学性质：硅酸盐有很强的热稳定性，即能耐高温。硅酸盐易跟酸发生反应 Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3（胶体）SiO3 2+CO2+H2O=CO3 2+H2SiO3（胶体）Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3（胶体）SiO3 2+2CO2+2H2O=2HCO3+H2SiO3（胶体）Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3（胶体）SiO3 2+2HCl=2Cl+H2SiO3（胶体）补充说明：盛Na2SiO3的试剂瓶应密封，否则吸收空气中CO2和H2O会变质； 盛Na2SiO3的试剂瓶不能用玻璃塞，因为本身是一种玻璃粘胶剂； SiO3 2与H+不能大量共存。（4）硅酸钠的耐热性： Na2SiO3能耐高温，不能燃烧。（5）硅酸盐的产品人类创造出的三大传统硅酸盐产品有陶瓷、玻璃、水泥。 三种常见的硅酸盐产品硅酸盐产品主要原料主要设备水泥黏土、石灰水水泥回转窑玻璃纯碱、石灰水、石英玻璃窑陶瓷黏土2.新型陶瓷品种主要性能主要用途高温结构陶瓷耐高温耐高温材料，洲际导弹的弹头，火箭发动机的尾管，汽车发动机，喷气发动机压电陶瓷实现机械能与电能的相互转化电波滤波器，通话器，声呐探伤器，点火器透明陶瓷（1）优异的光学性能（2）耐高温（3）绝缘性好制高亚纳灯的灯管，防弹“玻璃”超导陶瓷超导性超导材料三、硅单质1.存在形式：硅以晶体硅和无定形硅两种形式存在。2.晶体硅的结构：硅原子与硅原子互相连接成空间网状结构。与金刚石的结构相似。3.物理性质：晶体硅是灰黑色，有金属光泽、硬而脆的固体、熔点、沸点很高，硬度大。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。4.硅的用途：依据其半导体性质及丰富的来源，硅成为信息技术的关键材料|（半导体材料中硅占95%以上）。半导体晶体管和硅芯片的发展应用，促进了信息技术革命，硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料，如高纯硅可以制成光电池（将光能直接转换为电能），可以用作计算器、人造卫星、登月车、火星探测器、太阳能电动汽车等的动力设备，是极有发展景的新型能源材料。四、硅酸盐的表示方法硅酸盐由于组成比较复杂，通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为： 书写形式：（1）氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物较活泼金属氧化物（2）二氧化硅水（3）氧化物之间以“ ”隔开 化学计量数：（1）配置原则：各元素原子总个数比符合原来的组成 （2）若出现分数应化为整数例如：钠长石NaAlSi3O8不能写成1/2Na2O1/2Al2O33SiO2，应写成Na2OAl2O36SiO2。补充说明：（1）写成氧化物形式，是为了简化对硅酸盐组成的表示方法，实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的。（2）在改写时，各元素的化合价不能改变。（3）硅酸盐与酸反应时，只考虑酸与氧化物的反应。第二节 富集在海水中的元素氯知识概要：一、活泼的黄绿色气体氯气1.氯元素的存在及其原子结构（1）氯元素的存在自然界中氯以化合态形式存在，主要以NaCl的形式存在于海水和陆地的盐矿中，海洋是氯的巨大的资源宝库。（2）氯的原子结构氯位于第三周期第VIIA族，氯原子最外层七个电子易得到一个电子而形成氯离子（Cl），是活泼的非金属元素。2.氯气的发现和确认1774年，瑞典化学家舍勒在研究软锰矿（主要成分是MnO2）的过程中，将它与浓盐酸混合加热，产生了一种黄绿色的气体，有强烈的刺鼻气味，使人非常难受，但舍勒当时没有确认这种气体的真面目，以为它是一种氧化物。后来英国化学家戴维以大量实验事实为依据，确认它是一种新元素组成的单质后来被译为“氯气”。3.氯气的物理性质通常情况下，氯气是黄绿色有刺激性气味的气体，密度比空气大，有毒，易液化，能溶于水。4.氯气的化学性质（1）与金属单质反应 点燃与Na反应：2Na+Cl2=2NaCl 点燃 与Fe反应：2Fe+3Cl2=2FeCl3 点燃 与Cu反应：Cu+Cl2= CuCl2 补充：Cl2与变价金属反应时，生成高价金属氧化物。如Fe与Cl2生成FeCl3，而不是FeCl2.（2）与非金属单质反应 点燃 H2+Cl2=2HCl（3）与水反应 光照 Cl2+H2O=HCl+HClO(次氯酸) 2HClO=2HCl+O2补充说明：Cl2可使湿润的有色布条褪色，不能使干燥的有色布条褪色，说明Cl2没有漂白性，而是HClO其漂白作用，HClO是一种强氧化剂，能漂白、杀菌。Cl2可使湿润石蕊试纸先变红，后褪色，其原因是Cl2与水作用生成的酸使石蕊变红，HClO强氧化性使变色后的石蕊氧化褪色。光照氯水，黄绿色逐渐褪去，溶液PH逐渐减小（HClO能变成强酸HCl）。保存氯水时，应避免光照或受热，实验室通常将氯水置于棕色试剂瓶密封保存。（4）与碱反应 Cl2+NaOH=NaCl+NaClO+H2O Cl2+2Ca(OH)2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O 补充说明： 物质有效成分漂白液NaClO漂白粉Ca(ClO)2漂粉精Ca(ClO)2和CaCl2以上三种的漂白原理相同，在酸性条件下生产有漂白、消毒作用的次氯酸（HClO）Ca(ClO)2+CO2+H2O=CaCO3+2HClO （碳酸的酸性比次氯酸强）NaClO+ HCl=NaCl+HClO以上三种长期露置于空气中会发生反应： Ca(ClO)2+CO2+H2O=CaCO3+2HClO 2NaClO+CO2+H2O=Na2CO3+2HClO光照 2HClO=2HCl+O2因此，保存时应该密封存放于避光干燥处。5.氯气的用途：（1）制消毒剂、漂白剂。（2）有机合成，有机化工，如合成塑料、橡胶、人造纤维、农药、染料、药品等。（3）制盐酸二、Cl的检验检验方法：先在被检液中加稀HNO3酸化，再加AgNO3溶液，如产生白色沉淀，则可判断溶液中含有Cl。反应方程式：Ag+ + Cl =AgCl(不溶液稀HNO3)注意：用稀HNO3酸化，主要是排除CO3 2的干扰；不能用稀盐酸酸化，因为盐酸会引入Cl。稀HNO3不能排除SO4 2、SO3 2等离子的干扰，因此离子检验时要看具体情况设计实验方案。三、成盐元素卤素（1）概念：第VIIA族的元素氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)都能与Na、K、Ca、Mg等金属化合生成盐，所以统称为卤素。（2）原子结构： 结构相似性：结构与元素性质的递变性：从FI 核电荷数逐渐增多 电子层数逐渐增多 原子半径逐渐增大 得电子能力逐渐减弱 非金属性逐渐减弱（3）卤素单质的化学性质及递变规律： 氧化性：F2Cl2Br2I2与H2的反应：H2+X2=2HX 氟气与H2在冷暗处即可剧烈化合并发生爆炸； 氯气与H2混合强光照射或点燃时爆炸； 溴加热时缓慢与H2化合； 碘持续加热，与H2缓慢化合，同时又分解。与H2O的反应，依F2I2逐渐减弱： F2：2F2+2H2O=4HF+O2(剧烈) Cl2: Cl2+H2O=HCl+HClO Br2、I2与水的反应比较微弱： X2+H2O=HX+HXO(X=Br或I)与碱溶液反应： X2+2NaOH=NaX+NaXO+H2O (X=Cl、Br、I，反应能力逐渐减弱)卤素单质间的置换反应： Cl2+2Br= 2Cl+ Br2 Cl2+2I=2Cl+I2 Br2+2I=2Br+I2 氧化性：Cl2 Br2 I2 还原性：ClBrI（4）卤素单质的特性： 液溴易挥发，保存时应密闭保存，试剂瓶中的溴常加水液封，盛溴的试剂瓶不可选用橡胶塞。碘易升华，这是物理变化。可用于分离、提纯I2。溴和碘不易溶于水，易溶于酒精、汽油、四氯化碳等有机溶剂。四、氯水的成分与性质1.氯水的成分 Cl2+H2O=H+ + Cl +HClO HClO H+ + ClO 新制的氯水中，所含的分子有：Cl2、H2O、HClO； 离子有：H+ ClClO OH（少量） 氯水与液氯的区别氯水液氯物质类别混合物纯净物粒子种类Cl2、H2O、HClOH+ ClClO OH（少量）Cl2主要性质黄绿色溶液，具有酸性、漂白性黄绿色液体，具有氯气的性质存在条件常温常压下可存在，不宜久置，必须随用随配常温常压下变为气体保存方法用棕色瓶盛装，放阴凉处用特制耐压钢瓶盛装2.氯水化学性质的多样性Cl2的强氧化性；HClO的强氧化性、漂白性；H+的酸性；Cl的性质。所加试剂参与反应的微粒实验现象离子方程式或解释AgNO3溶液Cl白色沉淀Cl + Ag+ = AgClNa2CO3溶液H+有气泡产生2 H+ + CO3 2= H2O+CO2有色布条HClO布条颜色褪去发生氧化还原反应FeCl2溶液Cl2溶液变棕黄色2Fe2+ Cl2=2 Fe3+ +2 Cl石蕊溶液HClO H+先变红后褪色酸性和漂白性镁粉Cl2 H+氯水的颜色褪去并有气泡产生Mg + Cl2= Mg2+ + 2 ClMg + 2H+ = Mg2+ + H2五、氯气的实验室制法（1）反应原理： MnO2+4HCl(浓)=MnCl2+Cl2+2H2O（2）实验装置： 固+液气 （3）收集方法：向上排空气法（Cl2密度大于空气）排饱和食盐水法（Cl2在饱和NaCl溶液中溶解度很小，且用此法可除去实验过程中挥发产生的HCl气体）（4）尾气处理 Cl2有毒，污染空气，需用NaOH溶液吸收。 第三节 硫和氮的氧化物知识概要：一、二氧化硫和三氧化硫1.硫（1）硫的存在形式 游离态的硫存在于火山喷口附近或地壳的岩层里。化合态的硫主要以硫化物和硫酸盐的形式存在，如硫铁矿(FeS2)、黄铜矿(CuFeS2)、石膏(CaSO42H2O)和芒硝(Na2SO410H2O)等。硫是一种生命元素，存在于某些蛋白质中，这也是石油、天然气、煤等化石燃料中含硫的原因。（2）硫的性质 硫，俗称硫磺，它是一种黄色晶体，不溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳。在空 点燃气中燃烧生成二氧化硫，反应的化学方程式为S+O2=SO2。（硫在空气中安静地燃烧，发出淡蓝色火焰，同时有刺激性气味的气体产生。硫在空气中燃烧只生成SO2，不生成SO3）。2.二氧化硫（1）物理性质：色、味、态：在通常情况下，二氧化硫是无色、有刺激性气味的有毒气体。熔、沸点：熔点76，沸点10，容易液化。密度：在标准状况下密度为2.86g/L，比空气的密度大。溶解性：易溶于水，在常温、常压下，1体积水大约能溶解40体积二氧化硫。（2）化学性质：SO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性： A与水反应：SO2+H2OH2SO3（能使紫色石蕊变红） B与碱性氧化物反应：SO2+CaO=CaSO3C与碱反应：SO2(少量)+2NaOH=Na2SO3+H2O SO2(过量)+NaOH=NaHSO3D与盐反应：SO2(少量)+2NaHCO3=Na2SO3+H2O+CO2 SO2(过量)+ NaHCO3=NaHSO3+CO2氧化性、还原性： SO2中硫元素为+4价，处于硫元素的中间价态，所以SO2既有氧化性，又有还原性，以还原性为主。 A常温下与H2S气体反应：SO2+2H2S=3S+2H2O B SO2能使卤素单质的水溶液褪色。SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX(X=Cl、Br、I、F除外) C SO2能使紫色的酸性KMnO4褪色 D 能被Fe3+氧化 催化剂 E SO2能被氧化氧化成SO3： 2SO2+O2 2SO3 漂白性： SO2的漂白作用是由于它能与某些有色物质生成不稳定的无色物质，这种无色物质容易分解而使有色物质恢复原来的颜色。补充说明：SO2的漂白机理与氯水不同，其原理是SO2与某些有色物质生成不稳定的无色物质，加热后，无色物质分解为原来的物质和SO2。SO2能漂白品红、鲜花等有机色素，不能漂白酸碱指示剂，如酚酞、石蕊等。SO2能使溴水、高锰酸钾褪色，是因为SO2的还原性而不是漂白性。SO2和CO2都是酸性氧化物，都能使澄清的石灰水变浑浊。不能用澄清的石灰水鉴别SO2和CO2，可用品红溶液来鉴别。（3）可逆反应可逆反应：在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的反应，叫做可逆反应。3.三氧化硫通常情况下，SO3是无色固体，易溶于水，SO3属于酸性氧化物。（1）与水反应：SO3+H2O=H2SO4（2）与碱性氧化物反应：SO3+CaO=CaSO4（3）与碱反应：SO3+Ca(OH)2= CaSO4+H2O（4）与BaCl2反应：SO3+H2O=H2SO4 H2SO4+ BaCl2= BaSO4+2HClSO2通入BaCl2溶液不会产生沉淀，SO3通入BaCl2会产生沉淀。二、二氧化氮和一氧化氮1.氮气： 氮气是一种无色无味的气体，占空气体积的4/5左右。在一定条件下，N2和O2反 放电或高温应的化学方程式为N2+O2=2NO。2.一氧化氮（1）NO是一种无色，不溶于水的有毒气体，是大气污染物。（2）NO在人体的血管系统内具有传送信号的功能。NO能让人体内某部位的信号传送到另一个部位，应用于开发治疗心血管疾病的药物。（3）NO与O2的反应：2NO+O2=2NO23.二氧化氮（1）二氧化氮是一种红棕色、有刺激性气味的有毒气体，其密度比空气大，易液化，易溶于水。（2）二氧化氮溶于水时与水反应生成硝酸和一氧化氮，该反应的化学方程式为3NO2+H2O=2HNO3+NO，工业上利用这一原理制取硝酸。三、二氧化硫和二氧化氮对大气的污染（1）SO2、NO2污染物的形成 煤、石油和某些金属矿物中含硫或硫的化合物。燃烧和冶炼时产生SO2。高温燃烧时空气中的氮气与O2发生一系列的反应、汽车尾气、硝酸工业都会产生NO2。（2）SO2、NO2的主要危害 直接危害人体健康，引起呼吸道疾病，严重时会使人死亡。 形成酸雨（PH5.6），破坏农作物、桥梁、工业设备、运输工具及腐蚀电信电缆。（3）酸雨的形成 SO2、NO2与水作用形成酸雨。 SO2+H2O H2SO32H2SO3+O2=2H2SO43NO2+H2O=2HNO3+NO补充说明：SO2形成的酸雨含H2SO3，H2SO3易被氧化成H2SO4，所以亚硫酸放置一段时间后PH会变小，即酸性增强。（4）防治酸雨的措施 调整能源结构，发展清洁能源，优化能源质量，提高能源利用率，减少燃煤产生的二氧化硫和氮氧化物等。加强环境管理，强化环保执法，严格控制二氧化硫的排放量。研究、开发适合我国国情的二氧化硫治理技术和设备。四、常见漂白剂及其漂白原理 漂白按原理不同可分为三大类：（1）氧化型：漂白剂本身是强氧化剂，通过氧化作用，破坏有色物质，这种漂白是不可逆的。这类漂白剂常见的有：HclO、Na2O2、H2O2、HNO3等。（2）加合型：漂白剂与有色物质发生加成反应，生成无色物质，但受热时，漂白剂与原有色物质又分开，恢复成原来的有色物质，这种漂白是“可逆”的。例：SO2漂白品红溶液。（3）吸附型：有些固体物质疏松、多孔、表面积大，可以吸附一些有色物质，这是一种物理过程。例：活性炭、胶体等。第四节 氨 硝酸 硫酸知识概要：一、氨1.合成氨的原料及固氮 高温、高压（1）工业合成氨的原理N2+3H22NH3 催化剂（2）氮的固定：把游离态的氮转化为氮的化合物的方法叫氮的固定。氮被固定后，植物才可能得到足够的氮肥，因此氮的固定有极为重要的生态意义。氮的固定有自然固氮和人工固氮两种形式。2.氨气的物理性质及喷泉实验（1）氨的物理性质：氨是无色有刺激性气味的气体，密度比空气小，极易溶于水，常温常压下，1体积水能溶解约700体积的氨气。（2）喷泉实验 现象：烧杯中的溶液由玻璃管进入烧瓶，形成喷泉，烧瓶内液体呈红色。 结论：氨极易溶于水，水溶液呈碱性。 喷泉实验成功的三个关键因素： 装置气密性要好； 烧瓶必须干燥；氨气必须充满 产生喷泉实验的物理原理是：烧瓶内外产生压强差。当烧瓶内压强明显小于外界压强时就会产生喷泉实验。3.氨气的化学性质：（1）与水的反应：NH3+H2ONH3H2O NH3H2O很不稳定，受热易分解：NH3H2O= NH3+H2O 补充说明：氨水有弱碱性，能使酚酞溶液变红或使湿润的红色石蕊试纸变蓝。 氨水显碱性的化学原理：NH3+H2ONH3H2ONH4+ + OH 或NH3+H2O=NH4+ + OH（2）与HCl的反应： 氨与氯化氢反应的实验探究 实验步骤：用两根玻璃棒分别在浓氨水和浓盐酸里蘸一下，然后使这两根玻璃棒接近（不要接触），观察发生的现象。实验现象：可以看到，当两根玻璃棒接近时，产生大量白烟。实验结论：这种白烟是氨水挥发出的NH3与盐酸挥发出的HCl化合生成微小的NH4Cl晶体。补充说明： （1）氨不仅能跟盐酸反应，也能跟硫酸、硝酸、醋酸、碳酸等多种酸反应，反应实质都是NH3与H+的反应。 因为氨易跟酸反应生成盐，所以不能用浓硫酸作氨气的干燥剂。同理，氨气与氯化氢气体不能共存。 （2）在中学化学中，NH3是唯一能与酸反应生成盐的气体。 （3）气态氢化物与最高价氧化物所对应的水化物发生化合反应，这是氮元素有别于其他元素的特征。 NH3H2O+HNO3=NH4NO3+H2O4.氨的用途（1）工业上用于制化肥，如(NH4)2SO4、NH4HCO3、NH4NO3等。（2）有机合成的重要化工原料。（3）做制冷剂。5.铵盐铵盐都易溶于水，有下列性质：（1）受热不稳定性： NH4Cl=NH3+HCl NH4HCO3= NH3+H2O+CO2（2）与碱反应： NH4NO3+NaOH=NaNO3+H2O+ NH3【注：】NH3的检验方法：（1）常用湿润的红色石蕊试纸检验； （2）也可用蘸有浓盐酸的玻璃棒检验。6.氨的实验室制法（1）反应原理 2 NH4Cl+Ca(OH)2=CaCl2+2 NH3+2H2O（2）发生装置 与制取氧气的发生装置相同（固+固气）（3）收集方法：向下排空气法（4）验满方法：用湿润的石蕊试纸检验，试纸变蓝。用蘸有浓盐酸的玻璃棒检验，产生白烟。（5）尾气处理：通过一个倒扣于水面的漏斗吸收。补充说明： （1）制取NH3不能用NH4HCO3或NH4NO3，因为会产生杂质气体。 （2）消石灰不能用KOH或NaOH代替，因为KOH和NaOH易吸水，易结块，不利于产生NH3。 （3）干燥氨气不能用P2O5、浓H2SO4和无水CaCl2，通常用碱石灰干燥氨气。7.自然界中氮的循环氮的