2025年上学期高一化学专题突破（非金属及其化合物）

2025年上学期高一化学专题突破（非金属及其化合物）一、硅及其化合物：无机非金属材料的基石硅在地壳中的含量仅次于氧，达26.3%，其单质及化合物构成了庞大的无机非金属材料家族。晶体硅具有正四面体空间网状结构，熔点高达1410℃，硬度大且导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料，广泛应用于芯片制造和太阳能电池领域。工业上通过碳还原二氧化硅制备粗硅：SiO₂+2C=高温=Si+2CO↑，粗硅进一步经HCl氯化和氢气还原可制得纯度达99.9999%的高纯硅。二氧化硅作为硅的最重要化合物，存在石英、水晶、玛瑙等多种形态，其晶体结构与金刚石相似，具有高硬度（莫氏硬度7）和高熔点（1723℃）的特性。化学性质方面，二氧化硅表现出酸性氧化物的通性，能与强碱反应生成硅酸盐：SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O，因此实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶需使用橡胶塞而非玻璃塞。值得注意的是，二氧化硅能与唯一的无机酸HF反应：SiO₂+4HF=SiF₄↑+2H₂O，该反应被用于玻璃蚀刻和半导体工业的晶圆加工。硅酸（H₂SiO₃）是一种难溶于水的弱酸，酸性弱于碳酸，可通过可溶性硅酸盐与酸反应制备：Na₂SiO₃+2HCl=2NaCl+H₂SiO₃↓。硅酸凝胶经干燥脱水后形成的硅胶具有多孔结构，比表面积可达800-1000m²/g，是优良的干燥剂和催化剂载体。硅酸盐材料是传统无机非金属材料的主体，陶瓷以黏土为原料经高温烧结而成，其主要成分为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O；普通玻璃由纯碱、石灰石和石英砂在1550-1600℃高温下熔融制得，主要成分为Na₂O·CaO·6SiO₂；水泥则以黏土和石灰石为原料，在水泥回转窑中煅烧后加入石膏调节凝结时间，其主要矿物组成为硅酸三钙（3CaO·SiO₂）、硅酸二钙（2CaO·SiO₂）和铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）。新型无机非金属材料中，碳化硅（SiC）俗称金刚砂，具有类似金刚石的四面体结构，硬度高达莫氏9.2，耐高温性能优异，可用于制造砂轮和高温结构部件；氮化硅（Si₃N₄）陶瓷强度高、韧性好，是汽车发动机部件的理想材料；而由二氧化硅制成的光导纤维，其光信号传输损耗仅为0.2dB/km，比传统电缆通信容量大100倍以上，彻底改变了现代通信产业的格局。二、氯及其化合物：富集在海水中的活泼元素氯元素在自然界中主要以NaCl形式存在于海水（约含2.7%NaCl）和岩盐矿中，海水中氯的总量高达3.5×10¹⁶吨，是取之不尽的氯资源宝库。氯气（Cl₂）是黄绿色有强烈刺激性气味的有毒气体，密度为3.214g/L（标准状况），易液化得到液氯（沸点-34.6℃），可储存于钢瓶中运输和使用。氯气的化学性质极为活泼，具有强氧化性，能与绝大多数金属和非金属直接化合。与金属反应时，氯气能将变价金属氧化至最高价态，如：2Fe+3Cl₂=点燃=2FeCl₃（棕褐色烟），Cu+Cl₂=点燃=CuCl₂（棕黄色烟）。与非金属反应方面，氢气在氯气中安静燃烧产生苍白色火焰，生成的HCl气体遇水蒸气形成白雾：H₂+Cl₂=点燃=2HCl。工业上利用该反应在合成塔中生产盐酸，通过控制氢气与氯气的体积比（1:1.05）和燃烧温度（2000℃左右），可实现HCl的高效合成。氯气与水的反应具有重要意义：Cl₂+H₂O⇌HCl+HClO，该反应为可逆反应，25℃时平衡常数K=4.2×10⁻⁴。氯水中存在Cl₂、H₂O、HClO、H⁺、Cl⁻、ClO⁻、OH⁻七种微粒，其中HClO具有强氧化性（E°=1.49V），能杀死水中的细菌和病毒，因此氯气被广泛用于自来水消毒（通常加入量为0.5-2mg/L）。HClO不稳定，在光照条件下易分解：2HClO=光照=2HCl+O₂↑，这也是氯水需避光保存的原因。漂白粉和漂白液是氯的重要含氧化合物应用。将氯气通入冷的石灰乳[Ca(OH)₂]可制得漂白粉：2Cl₂+2Ca(OH)₂=CaCl₂+Ca(ClO)₂+2H₂O，其有效成分为次氯酸钙[Ca(ClO)₂]，在酸性条件下能释放出HClO：Ca(ClO)₂+2HCl=CaCl₂+2HClO。工业上采用氯气与NaOH溶液反应制备漂白液：Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClO+H₂O，所得溶液中NaClO浓度约为10-15%，可直接用于织物漂白和污水处理。氯离子（Cl⁻）的检验需在酸性条件下进行，先用稀硝酸酸化排除CO₃²⁻、SO₃²⁻等离子干扰，再加入AgNO₃溶液，若产生白色AgCl沉淀则证明存在Cl⁻：Ag⁺+Cl⁻=AgCl↓（Ksp=1.8×10⁻¹⁰）。该反应灵敏度极高，可检测低至0.1ppm的Cl⁻浓度，在水质分析和工业过程控制中具有重要应用。三、硫及其化合物：价态多变的非金属家族硫元素具有-2、0、+4、+6等多种价态，形成了丰富的化合物体系。硫单质有斜方硫（α-S）和单斜硫（β-S）两种同素异形体，其分子均由S₈环状结构组成，两者在95.5℃时发生相变。硫单质的化学性质表现为既有氧化性又有还原性，与金属反应时通常生成低价硫化物（如FeS、Cu₂S），与非金属反应则表现还原性（如与O₂反应生成SO₂）。二氧化硫（SO₂）是一种无色有刺激性气味的气体，密度为2.857g/L，易溶于水（20℃时溶解度为11.2g/100mL），其水溶液称为亚硫酸（H₂SO₃），为中强酸（Ka₁=1.3×10⁻²，Ka₂=6.3×10⁻⁸）。SO₂具有漂白性，能与品红等有机色素结合生成不稳定的无色物质，但这种漂白作用是可逆的，加热后会恢复原色。在氧化还原性质方面，SO₂既具有还原性（可被O₂、Cl₂、KMnO₄等氧化），也具有弱氧化性（能氧化H₂S）：2H₂S+SO₂=3S↓+2H₂O。三氧化硫（SO₃）在标准状况下为无色针状晶体（熔点16.8℃，沸点44.8℃），工业上通过V₂O₅催化SO₂氧化制备：2SO₂+O₂⇌2SO₃（ΔH=-196.6kJ/mol），该反应在接触法制备硫酸中至关重要，通常在450℃、1-10atm条件下进行，转化率可达98%以上。SO₃具有强氧化性和吸水性，与水剧烈反应生成硫酸并释放大量热：SO₃+H₂O=H₂SO₄（ΔH=-130.3kJ/mol），该反应常用于工业硫酸的浓缩。硫酸是硫的最高价含氧酸，纯硫酸为无色油状液体（密度1.84g/cm³），具有三大特性：吸水性（可吸收物质中的结晶水和游离水）、脱水性（能将有机物中的H、O按2:1比例脱去）和强氧化性。浓硫酸的氧化性体现在加热条件下能与多数金属（如Cu、Ag）和非金属（如C、S）反应：Cu+2H₂SO₄(浓)=△=CuSO₄+SO₂↑+2H₂O，C+2H₂SO₄(浓)=△=CO₂↑+2SO₂↑+2H₂O。常温下，浓硫酸能使Fe、Al等金属发生钝化，形成致密的氧化膜（厚度约5-10nm），阻止反应进一步进行，这一性质被用于浓硫酸的运输和储存。硫的化合物在环境化学中具有重要影响。二氧化硫是主要大气污染物之一，其主要来源为化石燃料燃烧（约占80%）和金属冶炼。SO₂在大气中可通过两种途径转化为硫酸：2SO₂+O₂+2H₂O=2H₂SO₄（催化氧化，催化剂为大气中的颗粒物），SO₂+H₂O₂=H₂SO₄（非催化氧化）。当降水pH值小于5.6时形成酸雨，会造成土壤酸化（使Ca²⁺、Mg²⁺淋溶）、水体酸化（影响水生生物）和建筑材料腐蚀（如大理石：CaCO₃+H₂SO₄=CaSO₄+CO₂↑+H₂O）。我国通过实施脱硫脱硝工程，已使SO₂排放量从2010年的2267万吨降至2024年的780万吨，酸雨发生率显著下降。四、氮及其化合物：生命元素的转化循环氮元素是组成蛋白质和核酸的基本元素，在自然界中以N₂（占空气体积的78.08%）、硝酸盐、铵盐等形式存在。氮气分子因存在N≡N三键（键能946kJ/mol）而性质稳定，工业上通过分离液态空气（沸点-195.8℃）制取氮气，实验室则常用加热NH₄Cl和NaNO₂的混合物制备：NH₄Cl+NaNO₂=△=NaCl+N₂↑+2H₂O。氮的固定是将N₂转化为含氮化合物的过程，主要包括自然固氮（如闪电固氮：N₂+O₂=放电=2NO，每年约1.0×10⁸吨）、生物固氮（如根瘤菌，每年约1.7×10⁸吨）和工业固氮（哈伯法，每年约1.5×10⁸吨）。氨气（NH₃）是氮的最重要氢化物，标准状况下为无色有刺激性气味的气体（密度0.771g/L），极易溶于水（20℃时溶解度700体积/体积），其水溶液称为氨水。氨分子具有极性（偶极矩1.47D）和碱性，能与酸反应生成铵盐：NH₃+HCl=NH₄Cl（产生白烟）。工业合成氨采用哈伯-博施法：N₂+3H₂⇌2NH₃（ΔH=-92.4kJ/mol），该反应在铁催化剂（主要成分为Fe₃O₄，添加K₂O、Al₂O₃为助催化剂）作用下，于400-500℃、15-30MPa条件下进行，单程转化率约15-20%，通过循环操作可使总转化率达97%以上。铵盐是氨与酸反应的产物，均为易溶于水的晶体。铵盐的重要化学性质包括热分解和与碱反应：NH₄Cl=△=NH₃↑+HCl↑（冷却后重新结合），(NH₄)₂CO₃=△=2NH₃↑+CO₂↑+H₂O↑，NH₄⁺+OH⁻=△=NH₃↑+H₂O。其中与碱反应产生氨气的性质被用于铵盐的检验和氨气的实验室制备，实验室常用NH₄Cl与Ca(OH)₂反应：2NH₄Cl+Ca(OH)₂=△=CaCl₂+2NH₃↑+2H₂O，采用向下排空气法收集氨气，并通过湿润的红色石蕊试纸（变蓝）或蘸有浓盐酸的玻璃棒（产生白烟）进行检验。氮的氧化物种类繁多，包括NO、NO₂、N₂O、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅等，其中NO和NO₂是最重要的大气污染物。一氧化氮（NO）为无色气体，遇空气立即被氧化为NO₂：2NO+O₂=2NO₂（棕红色气体）。二氧化氮与水反应是工业制硝酸的基础：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，该反应中NO₂既作氧化剂又作还原剂，氧化产物与还原产物的物质的量之比为2:1。氮氧化物是光化学烟雾的主要成因，在紫外线照射下，NO₂分解产生O原子：NO₂=hv=NO+O，O与O₂结合形成O₃，O₃与碳氢化合物反应生成醛、酮等刺激性物质，对人体呼吸系统和眼睛有强烈刺激作用。硝酸（HNO₃）是三大强酸之一，工业上采用氨氧化法制备：4NH₃+5O₂=催化剂△=4NO+6H₂O（铂铑合金催化），2NO+O₂=2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO。硝酸具有强氧化性，其氧化性随浓度增大而增强，与金属反应时，浓硝酸通常被还原为NO₂，稀硝酸则被还原为NO：Cu+4HNO₃(浓)=Cu(NO₃)₂+2NO₂↑+2H₂O，3Cu+8HNO₃(稀)=3Cu(NO₃)₂+2NO↑+4H₂O。值得注意的是，常温下浓硝酸能使Fe、Al钝化，而金、铂等贵金属只能溶于王水（浓硝酸与浓盐酸体积比1:3）。硝酸盐在农业生产中用作氮肥，如硝酸铵（NH₄NO₃，含氮量35%）、硝酸钾（KNO₃，含氮量13.8%）等，但某些硝酸盐（如KNO₃、NH₄NO₃）具有强氧化性，受热或撞击易分解爆炸，需妥善储存和运输。亚硝酸盐（如NaNO₂）是重要的食品添加剂（用于肉类防腐和发色），但过量摄入会导致高铁血红蛋白血症，我国规定肉制品中亚硝酸盐残留量不得超过30mg/kg。五、非金属元素性质比较与综合应用非金属元素在周期表中位于右上角区域（H除外），其原子最外层电子数较多（≥4），倾向于获得电子形成阴离子。比较硅、氯、硫、氮四种元素的电负性（鲍林标度）：N(3.04)>Cl(3.16)>S(2.58)>Si(1.90)，电负性越大，元素的非金属性越强。第一电离能方面，N(1402kJ/mol)>Cl(1251kJ/mol)>S(1000kJ/mol)>Si(787kJ/mol)，反映出失去电子的难易程度。氢化物的稳定性是元素非金属性强弱的重要标志，四种元素氢化物的稳定性顺序为：HCl(键能431kJ/mol)>NH₃(391kJ/mol)>H₂S(339kJ/mol)>SiH₄(323kJ/mol)。氢化物的水溶液酸碱性差异显著：HCl、H₂S为酸性（HCl是强酸，H₂S为二元弱酸），NH₃为碱性，SiH₄不溶于水。氧化物的水化物酸性顺序为：HClO₄(Ka₁≈10⁷)>H₂SO₄(Ka₁=1.0×10³)>HNO₃(Ka=20.4)>H₂SiO₃(Ka₁=1.7×10⁻¹⁰)，符合"同一周期从左到右酸性增强，同一主族从上到下酸性减弱"的规律。在氧化还原反应中，非金属元素的价态变化呈现规律性：Cl主要表现-1、0、+1、+3、+5、+7价，S有-2、0、+4、+6价，N则有-3、0、+1、+2、+3、+4、+5价，Si通常为+4价（稳定价态）。典型的歧化反应如：Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClO+H₂O（Cl元素从0价变为-1和+1价），3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（N元素从+4价变为+5和+2价）。归中反应如：2H₂S+SO₂=3S↓+2H₂O（S元素从-2和+4价变为0价），6HCl+KClO₃=KCl+3Cl₂↑+3H₂O（Cl元素从-1和+5价变为0价）。非金属元素化合物在工业生产中具有广泛应用。半导体工业中，高纯度硅（99.9999999%）用于制造CPU芯片和太阳