高一化学必修第二册第五章化工生产中的重要非金属元素知识点总结教案

高一化学必修第二册第五章化工生产中的重要非金属元素知识点总结教案一、章节定位与教学目标第五章"化工生产中的重要非金属元素"是人教版必修第二册的开篇之作，承担着从无机物分类认知走向元素化合物系统学习的桥梁功能。本章以硫、氮、硅三种元素为主线，将物质性质、转化规律与化工生产实际紧密联结，是学生构建"价—类二维"元素观的关键一章。本章教学目标设定为三个层次。第一层次，掌握二氧化硫、硫酸、氨、硝酸、硅及其化合物的性质与用途，能书写核心反应的化学方程式和离子方程式。第二层次，能运用氧化还原反应规律分析物质间的转化路径，初步建立"单质—氧化物—酸—盐"的转化链条。第三层次，结合硫酸工业、合成氨工业、酸雨防治等情境，体会化学对工业生产和社会发展的价值，形成绿色化学与社会责任意识。教学重点放在二氧化硫的还原性与漂白性、浓硫酸的特性、氨的性质与制法、硝酸的强氧化性四个方面。教学难点在于用氧化还原视角统整元素化合物的转化关系，以及氮氧化物溶于水的计算问题。二、第一节硫及其化合物知识梳理（一）硫单质硫俗称硫磺，是一种黄色晶体，质脆，易研成粉末，不溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳。自然界中既有游离态的硫存在于火山口附近，也有化合态的硫存在于黄铁矿、黄铜矿、石膏等矿物中。硫的化学性质具有两面性。它既有氧化性又有还原性，但氧化性较弱，与变价金属反应只能生成低价金属硫化物。硫与铁在加热条件下反应生成硫化亚铁，方程式为Fe＋S$\xlongequal{\Delta}$FeS；与铜在加热条件下生成硫化亚铜，方程式为2Cu＋S$\xlongequal{\Delta}$Cu₂S，而不是硫化铜，这一点与氯气和铜反应生成氯化铜形成鲜明对比，是判断硫氧化性较弱的重要证据。硫在空气中燃烧发出微弱的淡蓝色火焰，在氧气中燃烧发出明亮的蓝紫色火焰，产物都是二氧化硫：S＋O₂$\xlongequal{\text{点燃}}$SO₂。硫还能与氢气在加热条件下化合生成硫化氢：H₂＋S$\xlongequal{\Delta}$H₂S。（二）二氧化硫的性质二氧化硫是无色、有刺激性气味的有毒气体，密度比空气大，易液化，易溶于水，通常情况下1体积水大约能溶解40体积的二氧化硫。从物质类别看，二氧化硫是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。它与水反应生成亚硫酸：SO₂＋H₂O$\rightleftharpoons$H₂SO₃，该反应是可逆反应，说明生成的亚硫酸不稳定；与碱溶液反应，少量二氧化硫通入氢氧化钠溶液生成亚硫酸钠：SO₂＋2NaOH＝Na₂SO₃＋H₂O，过量时生成亚硫酸氢钠：SO₂＋NaOH＝NaHSO₃；与碱性氧化物氧化钙反应生成亚硫酸钙：SO₂＋CaO＝CaSO₃，这正是燃煤烟气钙基固硫的化学基础。从化合价看，二氧化硫中硫元素为+4价，处于中间价态，既有氧化性又有还原性，以还原性为主。它能被氧气催化氧化：2SO₂＋O₂$\underset{\Delta}{\stackrel{\text{催化剂}}{\rightleftharpoons}}$2SO₃，这是接触法制硫酸的核心反应；能与氯水反应使其褪色：SO₂＋Cl₂＋2H₂O＝H₂SO₄＋2HCl；能被酸性高锰酸钾溶液氧化而使其褪色，离子方程式为5SO₂＋2MnO₄⁻＋2H₂O＝5SO₄²⁻＋2Mn²⁺＋4H⁺。二氧化硫表现弱氧化性的典型反应是与硫化氢的反应：SO₂＋2H₂S＝3S↓＋2H₂O。二氧化硫的漂白性属于特殊性质，其原理是二氧化硫与某些有色有机物质结合生成不稳定的无色物质，加热或久置后又会恢复原色。品红溶液是检验二氧化硫漂白性的经典试剂。教学中必须强调二氧化硫漂白与氯水漂白的本质区别：前者是化合漂白，可逆；后者是次氯酸的氧化漂白，不可逆。同时提醒学生，二氧化硫不能漂白酸碱指示剂，把二氧化硫通入紫色石蕊溶液中，溶液只变红不褪色，这一现象常被命题人用来考查学生对漂白范围的理解。（三）硫酸稀硫酸是强酸，具备酸的通性，能使指示剂变色、与活泼金属反应放出氢气、与碱中和、与碱性氧化物反应、与某些盐反应，这些性质初中已经学过，教学中点到为止。浓硫酸的教学要突出三大特性。第一是吸水性，浓硫酸能吸收游离的水分子，常用作中性或酸性气体的干燥剂，可干燥氢气、氧气、二氧化碳、氯气等，但不能干燥氨气等碱性气体，也不能干燥硫化氢、碘化氢等还原性气体。第二是脱水性，浓硫酸能把有机物中的氢、氧原子按2∶1的比例脱去并生成水，如蔗糖遇浓硫酸炭化变黑，这就是著名的"黑面包"实验，体现的是脱水性而非吸水性。第三是强氧化性，浓硫酸中硫元素为+6价，加热时能与绝大多数金属反应。常温下铁、铝遇浓硫酸发生钝化，表面生成致密氧化膜，因此可用铁制或铝制容器贮运浓硫酸；加热条件下铜能与浓硫酸反应：Cu＋2H₂SO₄(浓)$\xlongequal{\Delta}$CuSO₄＋SO₂↑＋2H₂O。在该反应中，2分子硫酸里只有1分子作氧化剂被还原，另1分子体现酸性生成硫酸铜，这一细节是学生理解"浓硫酸既表现氧化性又表现酸性"的关键，也是选择题的高频陷阱。（四）硫酸根离子的检验检验硫酸根离子的规范操作是：先向待测液中加入足量稀盐酸酸化，无现象后再滴加氯化钡溶液，若产生白色沉淀则说明含有硫酸根。加盐酸酸化的目的是排除碳酸根、亚硫酸根、银离子等的干扰，不能用硝酸酸化，因为硝酸会把亚硫酸根氧化成硫酸根造成误判。生成的硫酸钡白色沉淀不溶于稀盐酸。（五）不同价态含硫物质的转化含硫物质的转化主线为：硫化氢（2价）→硫单质（0价）→二氧化硫（+4价）→三氧化硫或硫酸（+6价）。低价态的硫化氢、亚硫酸盐只表现还原性，易被氧化；中间价态的二氧化硫、亚硫酸盐既能被氧化又能被还原；最高价的浓硫酸只表现氧化性。教学中引导学生用一条"价态数轴"把所有含硫物质排列起来，再配上典型反应，转化关系便一目了然，这是本章落实"价—类二维"思想的最佳落点。三、第二节氮及其化合物知识梳理（一）氮气与氮的固定氮气在空气中约占体积分数的78%，分子内因氮氮三键键能很大，结构稳定，常温下化学性质不活泼。但在放电或高温条件下，氮气能与氧气直接化合生成一氧化氮：N₂＋O₂$\xlongequal{\text{放电或高温}}$2NO。将大气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程叫作氮的固定。氮的固定分三类：自然固氮，如雷电作用下氮气与氧气反应、豆科植物根瘤菌固氮；人工固氮，如工业合成氨；化学固氮，如镁、钙等活泼金属在氮气中燃烧生成氮化物。自然界中氮循环的起点往往就是雷电时一氧化氮的生成，谚语"雷雨发庄稼"正是这一过程的生动写照。（二）一氧化氮和二氧化氮一氧化氮是无色无味、不溶于水的有毒气体，极易被空气中的氧气氧化：2NO＋O₂＝2NO₂，因此实验室不能用排空气法收集一氧化氮，只能用排水法收集。二氧化氮是红棕色、有刺激性气味的有毒气体，密度比空气大，易溶于水并与水反应：3NO₂＋H₂O＝2HNO₃＋NO。该反应是氮的氧化物溶于水计算的基本反应，同时也是工业制硝酸吸收工序的核心反应。二氧化氮能自身化合生成四氧化二氮：2NO₂$\rightleftharpoons$N₂O₄，存在平衡，温度升高颜色加深。一氧化氮和二氧化氮经汽车尾气、燃煤烟气排放，是形成光化学烟雾和硝酸型酸雨的元凶之一，尾气处理常用催化转化法：2NO＋2CO$\xlongequal{\text{催化剂}}$N₂＋2CO₂。（三）氨氨是无色、有强烈刺激性气味的气体，密度比空气小，极易溶于水，常温常压下1体积水约溶解700体积的氨，实验室用喷泉实验证明其极易溶于水且水溶液呈碱性。氨易液化，液氨气化时吸收大量热，常作制冷剂。氨溶于水发生反应：NH₃＋H₂O$\rightleftharpoons$NH₃·H₂O$\rightleftharpoons$NH₄⁺＋OH⁻，使溶液显弱碱性，所以氨是中学阶段唯一的碱性气体，能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。氨能与酸反应生成铵盐，如与氯化氢相遇产生白烟：NH₃＋HCl＝NH₄Cl，这一现象常用于检验氨气或氯化氢。氨中氮元素为3价，只有还原性，氨在催化剂和加热条件下能被氧气氧化：4NH₃＋5O₂$\xlongequal[\Delta]{\text{催化剂}}$4NO＋6H₂O，此反应是工业制硝酸的基础反应。实验室制取氨气采用固体氯化铵与氢氧化钙混合加热：2NH₄Cl＋Ca(OH)₂$\xlongequal{\Delta}$CaCl₂＋2NH₃↑＋2H₂O，用向下排空气法收集，用碱石灰干燥，不能用浓硫酸干燥，也不能用无水氯化钙干燥，因为氨气会与氯化钙结合生成氨合物。检验试管是否集满氨气，可用湿润的红色石蕊试纸贴近试管口，试纸变蓝即满。（四）铵盐与铵根离子的检验铵盐都易溶于水，受热易分解，如氯化铵受热分解：NH₄Cl$\xlongequal{\Delta}$NH₃↑＋HCl↑，冷却后又重新化合，这一现象与升华形似而本质不同，属于化学变化。铵盐与碱共热放出氨气，此为铵根离子的检验方法：NH₄⁺＋OH⁻$\xlongequal{\Delta}$NH₃↑＋H₂O，用湿润的红色石蕊试纸检验放出的气体。（五）硝酸硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体，浓硝酸见光或受热易分解：4HNO₃$\xlongequal{\text{光照或}\Delta}$4NO₂↑＋O₂↑＋2H₂O，分解产生的二氧化氮溶于硝酸使其呈黄色，故浓硝酸应盛放在棕色试剂瓶中置于阴凉处。硝酸具有强氧化性，且浓、稀硝酸还原产物不同。浓硝酸与铜反应：Cu＋4HNO₃(浓)＝Cu(NO₃)₂＋2NO₂↑＋2H₂O；稀硝酸与铜反应：3Cu＋8HNO₃(稀)＝3Cu(NO₃)₂＋2NO↑＋4H₂O。两个反应中硝酸均既表现氧化性又表现酸性。常温下铁、铝遇浓硝酸发生钝化。硝酸还能氧化碳、硫等非金属单质，如浓硝酸与碳共热：C＋4HNO₃(浓)$\xlongequal{\Delta}$CO₂↑＋4NO₂↑＋2H₂O。由于硝酸的强氧化性，金属与硝酸反应一般不放出氢气，这一点与盐酸、稀硫酸截然不同。（六）酸雨及其防治酸雨通常指pH小于5.6的降水，其形成主要有两条路径。硫酸型酸雨的形成过程为：SO₂$\xrightarrow{\text{粉尘催化}}$SO₃$\xrightarrow{H_2O}$H₂SO₄，或SO₂$\xrightarrow{H_2O}$H₂SO₃$\xrightarrow{O_2}$H₂SO₄；硝酸型酸雨的形成过程为：N₂$\rightarrow$NO$\rightarrow$NO₂$\rightarrow$HNO₃。酸雨能酸化土壤和水体、腐蚀建筑物与雕像、危害森林和农作物。防治措施包括燃煤脱硫、开发新能源、汽车尾气催化净化等，教学中应把酸雨问题作为串起硫、氮两节知识的真实情境，让学生用所学方程式解释环境问题的成因与治理。四、第三节无机非金属材料知识梳理（一）硅酸盐材料传统无机非金属材料以硅酸盐为主要成分，包括陶瓷、玻璃、水泥三大类。陶瓷以黏土为原料经高温烧结而成；普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料在玻璃窑中高温烧制，主要反应为Na₂CO₃＋SiO₂$\xlongequal{\text{高温}}$Na₂SiO₃＋CO₂↑和CaCO₃＋SiO₂$\xlongequal{\text{高温}}$CaSiO₃＋CO₂↑，玻璃是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅的混合物，没有固定熔点；水泥以石灰石和黏土为原料在水泥回转窑中烧制，再加入适量石膏调节硬化速度。这三大产品的共同点是都以硅酸盐为主要成分、都需要高温烧制、都属于混合物。（二）硅硅位于元素周期表第三周期第ⅣA族，是良好的半导体材料，高纯硅广泛用于制造芯片和硅太阳能电池。单质硅化学性质不活泼，但能与氟气、氢氟酸、强碱溶液反应，与氢氧化钠溶液反应的方程式为Si＋2NaOH＋H₂O＝Na₂SiO₃＋2H₂↑。工业制取高纯硅的路线为：SiO₂＋2C$\xlongequal{\text{高温}}$Si(粗)＋2CO↑，粗硅再与氯气反应生成四氯化硅：Si＋2Cl₂$\xlongequal{\text{加热}}$SiCl₄，最后用氢气还原提纯：SiCl₄＋2H₂$\xlongequal{\text{高温}}$Si＋4HCl。（三）二氧化硅二氧化硅广泛存在于石英、水晶、玛瑙、沙子中，是由硅原子和氧原子按1∶2构成的共价晶体，熔点高、硬度大、不溶于水。二氧化硅虽是酸性氧化物，却不与水反应，硅酸只能通过硅酸盐与酸反应间接制得：Na₂SiO₃＋2HCl＝2NaCl＋H₂SiO₃↓。二氧化硅的特殊性质是能被氢氟酸腐蚀：SiO₂＋4HF＝SiF₄↑＋2H₂O，因此氢氟酸不能用玻璃试剂瓶盛放，此反应可用于在玻璃上刻蚀图案。二氧化硅还是制造光导纤维的主要原料。（四）新型无机非金属材料以碳化硅、氮化硅为代表的新型无机非金属材料具有耐高温、结构强度高、光学特性好等特殊性能。碳化硅俗称金刚砂，硬度仅次于金刚石，用作砂纸砂轮的磨料和耐高温结构材料；氮化硅陶瓷用于制造轴承、汽轮机叶片等。石墨烯、富勒烯等碳纳米材料也属于新型无机非金属材料研究的前沿。教学中引导学生对比传统材料与新型材料的成分、性能与用途，体会材料科学对现代信息技术、航空航天和新能源产业的支撑作用。五、全章教学实施建议本章知识量大、方程式多，若按知识点逐一讲授，学生容易陷入死记硬背。建议采用"价—类二维图"统整教学：每学一种元素，就让学生绘制该元素物质的转化网络图，横向按物质类别排布，纵向按化合价排列，再把每个转化箭头配上化学方程式，三个单元学完形成三幅转化