高中高二化学非金属及其化合物综合测评讲义

第一章非金属元素概述及其单质第二章卤族元素及其化合物第三章氧族元素及其化合物第四章碳族元素及其化合物第五章氮族元素及其化合物第六章硅族元素及其化合物01第一章非金属元素概述及其单质非金属元素在自然界中的分布与重要性非金属元素在自然界中广泛分布，是构成地壳、大气和生命体的基本元素。氧元素占地壳质量的46.6%，是含量最多的非金属元素，主要存在于水、二氧化硅和碳酸盐中。硅元素占地壳质量的27.7%，是地壳中第二丰富的元素，以石英、硅酸盐等形式存在。卤素元素如氯、氟等虽然含量较少，但对人类生活至关重要。例如，氯气是强氧化剂，可用于消毒和漂白；氟化物则用于牙膏，预防龋齿。非金属元素的单质和化合物在工业、农业、医药等领域有着广泛的应用，如氮气用于制造化肥和充入食品包装以防腐；碳元素则构成所有有机物的骨架。非金属元素的性质多样，既有如金刚石、石墨这样的硬质材料，也有如氢气、氮气这样的气体，还有如硫、磷这样的固体。这些元素的存在形式和性质差异，决定了它们在不同领域的应用潜力。例如，碳的多种同素异形体——金刚石、石墨和富勒烯——具有截然不同的物理性质，分别适用于高硬度材料、导电材料和新型纳米材料。非金属元素的多样性为人类提供了丰富的物质基础，也是化学研究的重点领域。非金属元素的物理性质多样性碳的同素异形体金刚石和石墨是碳的两种常见同素异形体，具有不同的晶体结构和物理性质。硅的晶体结构硅为原子晶体，具有高熔点和硬度，是半导体工业的重要材料。硫的分子结构硫常见为S₈环状分子，具有蜡状光泽和刺激性气味。卤素的物理性质卤素单质从F₂到I₂，颜色逐渐加深，熔沸点逐渐升高。氮气的分子特性氮气为双原子分子，N≡N三键非常稳定，使其在常温下化学性质不活泼。氧气的同素异形体氧气和臭氧是氧的两种同素异形体，臭氧具有更强的氧化性。非金属元素化学性质的特殊性氧族元素的氧化性氧族元素从上到下氧化性逐渐减弱，F₂是最强的氧化剂，能氧化几乎所有的还原剂。卤素的氧化还原性卤素既有氧化性，也有还原性，F₂只能作氧化剂，I₂既能作氧化剂，也能作还原剂。氮族元素的多样性氮族元素中，N₂分子具有非常稳定的N≡N三键，化学性质不活泼。碳的还原性碳在高温下具有强还原性，能将金属氧化物还原为金属单质。硅的氧化性硅在常温下能被氧气氧化，生成二氧化硅，高温下能与多种非金属反应。硫的氧化还原性硫既能与氧气反应生成二氧化硫，也能与氢气反应生成硫化氢。非金属元素分类及应用拓展气态非金属包括H₂、N₂、O₂、F₂、Cl₂等，在工业和农业中有着重要应用。固态非金属包括C、Si、S、P、Se等，是构成地壳的主要元素。卤素元素包括F、Cl、Br、I，在化学工业和医药领域有着重要应用。碳元素的应用碳元素的同素异形体——金刚石、石墨和富勒烯，分别适用于高硬度材料、导电材料和新型纳米材料。硅元素的应用硅是半导体工业的重要材料，也是太阳能电池的主要成分。硫元素的应用硫可用于制造硫酸、橡胶和农药等。02第二章卤族元素及其化合物氯气发现史与工业制法启示氯气的发现始于1774年，瑞典化学家舍勒在研究软锰矿时，意外加热浓盐酸和二氧化锰混合物，首次制得了黄绿色的刺激性气体。这一发现标志着卤素化学研究的开端。氯气是一种强氧化剂，具有黄绿色，刺激性气味，能溶解于水，形成盐酸和次氯酸。氯气在工业上主要通过电解饱和食盐水（氯碱工业）制备，反应方程式为：2NaCl+2H₂O→2NaOH+Cl₂↑+H₂↑。氯气广泛应用于消毒、漂白和制造盐酸等领域。然而，氯气也是一种危险的化学品，吸入高浓度氯气会导致中毒，甚至死亡。因此，氯气的生产、运输和使用都需要严格的安全措施。历史上，氯气曾被用作化学武器，造成大量人员伤亡。第一次世界大战期间，氯气被德军用于攻击，导致英军大量士兵中毒。这一事件促使国际社会开始关注化学武器的危害，并逐步制定相关禁令。现代工业中，氯气的生产和使用都受到严格的监管，以防止事故发生。氯气的发现和应用，不仅推动了化学科学的发展，也深刻影响了人类的生活和生产。非金属元素的物理性质多样性碳的同素异形体金刚石和石墨是碳的两种常见同素异形体，具有不同的晶体结构和物理性质。硅的晶体结构硅为原子晶体，具有高熔点和硬度，是半导体工业的重要材料。硫的分子结构硫常见为S₈环状分子，具有蜡状光泽和刺激性气味。卤素的物理性质卤素单质从F₂到I₂，颜色逐渐加深，熔沸点逐渐升高。氮气的分子特性氮气为双原子分子，N≡N三键非常稳定，使其在常温下化学性质不活泼。氧气的同素异形体氧气和臭氧是氧的两种同素异形体，臭氧具有更强的氧化性。非金属元素化学性质的特殊性氧族元素的氧化性氧族元素从上到下氧化性逐渐减弱，F₂是最强的氧化剂，能氧化几乎所有的还原剂。卤素的氧化还原性卤素既有氧化性，也有还原性，F₂只能作氧化剂，I₂既能作氧化剂，也能作还原剂。氮族元素的多样性氮族元素中，N₂分子具有非常稳定的N≡N三键，化学性质不活泼。碳的还原性碳在高温下具有强还原性，能将金属氧化物还原为金属单质。硅的氧化性硅在常温下能被氧气氧化，生成二氧化硅，高温下能与多种非金属反应。硫的氧化还原性硫既能与氧气反应生成二氧化硫，也能与氢气反应生成硫化氢。非金属元素分类及应用拓展气态非金属包括H₂、N₂、O₂、F₂、Cl₂等，在工业和农业中有着重要应用。固态非金属包括C、Si、S、P、Se等，是构成地壳的主要元素。卤素元素包括F、Cl、Br、I，在化学工业和医药领域有着重要应用。碳元素的应用碳元素的同素异形体——金刚石、石墨和富勒烯，分别适用于高硬度材料、导电材料和新型纳米材料。硅元素的应用硅是半导体工业的重要材料，也是太阳能电池的主要成分。硫元素的应用硫可用于制造硫酸、橡胶和农药等。03第三章氧族元素及其化合物臭氧层破坏与二氧化硫污染事件臭氧层破坏是全球性的环境问题，自1985年《蒙特利尔议定书》签订以来，科学家们一直在监测臭氧层的损耗情况。臭氧层位于平流层，能够吸收大部分紫外线，保护地球上的生命。然而，由于人类活动排放的氯氟烃(CFCs)等物质，臭氧层逐渐变薄，甚至在南极地区出现了臭氧空洞。2023年，全球臭氧浓度较工业化前下降了40%，这对人类健康和生态环境造成了严重影响。例如，紫外线辐射增加导致皮肤癌发病率上升，农作物减产，生态系统失衡。为了应对这一问题，国际社会采取了多种措施，如禁止使用CFCs，推广替代品等。二氧化硫污染是另一个严重的环境问题，主要来源于燃煤和工业排放。2023年，全球二氧化硫排放量达到364亿吨，其中中国是最大的排放国。二氧化硫在大气中与水蒸气反应生成硫酸，导致酸雨，对建筑物、农作物和人体健康造成危害。2022年，欧洲多国因二氧化硫排放超标触发红色预警，经济损失超过50亿欧元。为了减少二氧化硫排放，许多国家采取了安装脱硫设备、使用清洁能源等措施。臭氧层破坏和二氧化硫污染是两个重要的环境问题，需要全球共同努力来解决。氧族化合物氧化还原性递变氧的氧化还原性氧元素有多种价态，其中0价的O₂具有氧化性，-2价的O²⁻具有还原性。硫的氧化还原性硫元素也能表现出氧化性和还原性，例如SO₂既有氧化性，也有还原性。硒的氧化还原性硒的氧化还原性介于硫和碲之间，既能作氧化剂，也能作还原剂。碲的氧化还原性碲的氧化性较弱，主要表现为还原性。高价氧化物的氧化性氧族元素的高价氧化物，如SO₃、SeO₃、TeO₄，具有强氧化性。低价氧化物的还原性氧族元素的低价氧化物，如SO₂、SeO₂、TeO₂，具有还原性。二氧化硫的污染治理技术石灰石-石膏法将SO₂与石灰石反应生成石膏，是目前最常用的脱硫技术，脱硫效率可达95%以上。催化氧化法将SO₂催化氧化为SO₃，再与水反应生成硫酸，这种方法适用于大型燃煤电厂。吸收法使用氨水或碱性溶液吸收SO₂，这种方法适用于中小型工业锅炉。燃烧前脱硫在燃烧前对煤炭进行脱硫处理，可以有效减少SO₂排放。使用清洁能源推广使用太阳能、风能等清洁能源，可以减少对化石燃料的依赖，从而减少SO₂排放。烟气脱硫设备安装烟气脱硫设备，如湿法脱硫、干法脱硫等，可以有效去除烟气中的SO₂。过氧化氢的性质与应用拓展过氧化氢的结构过氧化氢分子式为H₂O₂，分子结构为折线形，O-O键能较高，使其具有强氧化性。过氧化氢的物理性质过氧化氢为无色透明液体，密度1.450g/cm³，沸点150℃。过氧化氢的化学性质过氧化氢既有氧化性，也有还原性，可以参与多种氧化还原反应。过氧化氢的分解反应过氧化氢在催化剂作用下会分解为水和氧气，反应方程式为2H₂O₂→2H₂O+O₂↑。过氧化氢的应用过氧化氢在工业上用于漂白、消毒、氧化反应等，在医疗上用于伤口消毒、牙齿美白等。过氧化氢的储存和运输过氧化氢具有腐蚀性，储存和运输时需要采取特殊措施。04第四章碳族元素及其化合物石墨烯发现与碳纳米管量产突破石墨烯的发现是21世纪材料科学的重大突破，2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·康斯坦丁诺夫和亚历山大·诺沃塞尔分别独立发现了石墨烯，并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料，具有极高的导电性、导热性和机械强度，被广泛应用于电子、能源、医疗等领域。碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆柱形分子，具有优异的力学性能和电学性能，在纳米技术领域有着重要应用。2023年，中国碳纳米管产量达到5万吨，其中用于锂电池负极材料的碳纳米管占比超过50%。碳纳米管的量产突破为新能源技术的发展提供了新的机遇。然而，碳纳米管的生产过程中也存在一些问题，如设备成本高、生产效率低等。为了解决这些问题，科学家们正在研究新的生产技术，如化学气相沉积法、机械剥离法等。石墨烯和碳纳米管的发现和应用，为材料科学和纳米技术的发展开辟了新的道路。碳族元素单质的多样性碳的同素异形体碳有金刚石、石墨、富勒烯等多种同素异形体，每种具有不同的物理性质和应用。硅的晶体结构硅为原子晶体，具有高熔点和硬度，是半导体工业的重要材料。锗的物理性质锗的物理性质介于硅和锡之间，具有半导体特性。锡的物理性质锡为金属，具有延展性和导电性，常用于制造焊料。铅的物理性质铅为重金属，具有延展性和柔软性，常用于制造蓄电池。碳族元素的应用碳族元素在工业、农业、医药等领域有着广泛的应用。二氧化硅的污染治理技术二氧化硅的物理性质二氧化硅为白色粉末，不溶于水，具有酸性。二氧化硅的污染二氧化硅污染主要来源于工业排放和建筑粉尘。二氧化硅的治理方法可以采用除尘设备、湿法脱硫等技术治理二氧化硅污染。二氧化硅的应用二氧化硅在玻璃、陶瓷、橡胶等领域有着广泛的应用。二氧化硅的储存和运输二氧化硅具有吸湿性，储存和运输时需要采取防潮措施。二氧化硅的回收利用可以回收利用废弃的二氧化硅，减少环境污染。硅酸及其衍生物的性质硅酸的分类硅酸可以分为正硅酸、偏硅酸、聚硅酸等。硅酸的物理性质硅酸为无色透明液体，不溶于水，具有酸性。硅酸的化学性质硅酸可以参与多种化学反应，如脱水反应、缩聚反应等。硅酸的应用硅酸在玻璃、陶瓷、橡胶等领域有着广泛的应用。硅酸的储存和运输硅酸具有吸湿性，储存和运输时需要采取防潮措施。硅酸的回收利用可以回收利用废弃的硅酸，减少环境污染。05第五章氮族元素及其化合物Haber-Bosch工艺与粮食安全危机Haber-Bosch工艺是合成氨的重要工业方法，由德国化学家弗里茨·哈伯和卡米尔·博施发明，对现代农业的发展起到了关键作用。该工艺通过高温高压条件下，将氮气(N₂)与氢气(H₂)反应生成氨(NH₃)，反应方程式为N₂+3H₂→2NH₃。Haber-Bosch工艺的发明使得人类能够大规模生产氨，从而解决了氮肥短缺问题，对粮食生产起到了重要推动作用。然而，该工艺也存在一些环境问题，如高能耗、高排放等。为了减少环境影响，科学家们正在研究新的合成氨技术，如电解水制氨、光催化制氨等。氮肥对粮食生产至关重要，氮素是植物生长必需的营养元素，氮肥的施用可以提高农作物的产量，从而保障粮食安全。然而，过量施用氮肥也会对环境造成污染，如水体富营养化等。因此，合理施用氮肥，推广使用缓释肥、有机肥等，是减少氮肥污染的重要措施。氮气分子特殊稳定性氮气分子结构氮气分子为双原子分子，N≡N三键非常稳定，使其在常温下化学性质不活泼。氮气分子轨道理论氮气分子具有三个σ键和一对π键，分子轨道理论可以解释其稳定性。氮气分子反应性氮气分子在常温下不与大多数物质反应，但在高温高压条件下可以与氧气、氢气等反应。氮气分子应用氮气分子在工业、农业、医药等领域有着广泛的应用。氮气分子储存和运输氮气分子化学性质不活泼，储存和运输时不需要特殊措施。氮气分子回收利用可以回收利用废弃的氮气，减少环境污染。硝酸工业制法与尾气处理硝酸工业制法硝酸工业制法主要采用奥斯特瓦尔德法，将氨气(NH₃)催化氧化为NO，再与空气中的氧气反应生成NO₂，最后将NO₂溶解于水生成硝酸。尾气处理硝酸工业尾气中含有NOx，需要采用SCR脱硝技术进行处理。硝酸的应用硝酸在农业、化工等领域有着广泛的应用。硝酸储存和运输硝酸具有强氧化性，储存和运输时需要采取防腐蚀措施。硝酸回收利用可以回收利用废弃的硝酸，减少环境污染。铵盐的性质与应用铵盐分类铵盐可以分为氯化铵、硫酸铵、硝酸铵等。铵盐性质铵盐具有易溶于水，在水中呈酸性。铵盐应用铵盐在农业上用于制造氮肥，在化工上用于制造有机合成原料。铵盐安全铵盐与碱混合加热会产生易燃易爆气体，需要注意安全。铵盐回收利用可以回收利用废弃的铵盐，减少环境污染。06第六章硅族元素及其化合物芯片制造与石英砂质量标准芯片制造是现代电子工业的重要环节，对计算机、手机等电子产品的性能起着决定性作用。芯片制造的核心材料是硅(Si)，石英砂是制造硅晶体的主要原料。2023