第五章 化工生产中的重要非金属元素
第一节 硫及其化合物
一、硫和二氧化硫
(一)硫
1、硫元素的位置、结构与性质
(1)硫元素位于元素周期表的第___________周期、第___________族,硫原子的最外电子层有___________电子,在化学反应中容易得到2个电子,形成___________价硫的化合物。
(2)与氧元素相比,得电子能力相对___________,非金属性比氧的___________。故在富含O2的地表附近的含硫化合物中,硫常显___________价或___________价,而氧显___________价。
2、硫单质的物理性质
硫(俗称___________)是一种黄色晶体,质脆,易研成粉末。硫___________溶于水,微溶于___________,易溶于___________。
3、硫单质的化学性质
(1)氧化性表现为与金属、H2反应:
与Fe、Cu、H2反应的化学方程式分别为_____________________________、____________________、_____________________________,在这些反应,S均作___________剂。
(2)还原性表现为与O2反应,其化学方程式为___________,反应中S作___________剂。
___________
注意:(1)硫的氧化性___________,与变价金属反应,生成___________态的金属硫化物。
(2)硫与氧气反应,无论氧气是否过量,只生成SO2。
(二)二氧化硫
1、物理性质
二氧化硫是一种无色、有___________气味的有毒气体,密度比空气的___________,易溶于水。在通常情况下,1体积的___________可以溶解约___________体积的SO2。
2、化学性质
(1)具有酸性氧化物的性质
①与H2O反应的化学方程式为:___________________________________。
②与碱(如NaOH)反应的化学方程式为:___________________________________。
(2)还原性
SO2在一定条件下与O2反应的化学方程式为:,生成的SO3也是___________氧化物,与H2O反应的化学方程式为:___________________________________。
(3)氧化性
SO2与H2S反应的化学方程式为:___________________________。
(4)漂白性
①SO2通入品红溶液中,品红溶液___________色,加热时,溶液又变___________色。
②SO2的漂白原理:SO2与某些有色物质生成不稳定的无色物质。这些无色物质容易分解又使有色物质恢复原来的颜色。
③应用:SO2在工业上应用于漂白纸浆、毛、丝等;此外SO2可用于___________,还是一种食品___________。
3、可逆反应
(1)正反应:向___________方向进行的反应。
(2)逆反应:向___________方向进行的反应。
(3)可逆反应:在同一条件下,既能向___________方向进行,同时又能向___________方向进行的反应。
二、硫酸
1、工业制硫酸的原理示意图
(1)___________________________________或4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2;
(2)2SO2+O22SO3,
(3)___________________________________________。
2、硫酸的酸性
(1)电离方程式:H2SO4===2H++SO。
(2)写出稀硫酸与Zn、CuO、NaOH溶液、NaHCO3溶液反应的离子方程式分别为_____________________________、___________________________________、HCO+H+===CO2↑+H2O。
3、浓硫酸的特性
(1)吸水性:浓硫酸能吸收存在于周围环境中的水分,可用于作干燥剂。
(2)脱水性:浓硫酸能将蔗糖、纸张、棉布和木材等有机物中的氢元素和氧元素按水的组成比脱去。
(3)强氧化性
①与金属Cu反应的化学方程式为___________________________。反应中氧化剂是___________,还原剂是___________,还原产物为___________。
②与非金属的反应
浓硫酸与木炭反应的化学方程式为___________________________。反应中氧化剂为___________,还原剂为___________,还原产物为___________。
4、常见的硫酸盐
(1)石膏(化学式为___________),加热失水变为熟石膏(化学式为___________),应用于制作各种模型和医疗用的石膏绷带,工业上还用于调节___________________。
(2)硫酸钡又称“重晶石”或“钡餐”,用于生产其他钡盐的原料或消化系统___________检查的内服药剂。
(3)硫酸铜为白色粉末,CuSO4结合水后变为___________(化学式为___________),又称蓝矾。无水CuSO4可用于检验H2O的存在。胆矾和___________混合制成一种常用的农药—— ___________。
5、探究1:蔗糖的脱水实验
(1)蔗糖逐渐变黑。原因是浓硫酸具有___________:C12H22O11___________________。
(2)蔗糖体积膨胀,形成黑色疏松多孔的海绵状的炭,并放出有刺激性气味的气体。原因是___________________________________________________。
6、探究2:浓硫酸与Cu的反应
(1)a中铜丝变__________,有气体逸出;b中品红溶液逐渐变为________色;c中溶液变为_________色。
(2)NaOH溶液棉团的作用是吸收尾气___________,防止污染空气:SO2+2OH-===SO+H2O。
三、硫酸根离子的检验
1、SO的检验
(1)实验探究:
①稀硫酸或Na2SO4溶液现象为有___________沉淀生成,加盐酸后___________沉淀不溶解。
②Na2CO3溶液现象为有___________沉淀生成,加盐酸后___________沉淀溶解且放出气体。
(2)SO的检验一般思路:待测液无沉淀无气体生成___________沉淀生成。
2、粗盐中可溶性杂质的除去
杂质 加入的试剂 化学方程式
Na2SO4 ___________ ___________________________________________
MgCl2 ___________ ___________________________________________
CaCl2 Na2CO3溶液 ___________________________________________
四、不同价态含硫物质的转化
(一)自然界中硫的存在和转化
1、硫的存在
(1)在自然界中硫元素主要以___________形式存在,通常以 ___________的形式存在,如黄铁矿(___________ )、黄铜矿(___________)。在地表附近,硫化物转化为___________,如石膏(___________ )、芒硝(Na2SO4·10H2O)等。
(2)___________的硫存在于___________附近或___________的岩层中。
2、硫的转化
火山口附近的硫单质会被大气中的氧气氧化成___________,___________可被进一步氧化成___________。
(二)常见硫的价态及转化
1、硫元素常见的化合价有___________和___________,可以通过氧化还原反应实现不同价态含硫物质的相互转化。利用___________,可将硫元素从___________态转化到___________态;利用___________ ,可将硫元素从___________态转化到___________态。
2、硫的不同价态所对应的常见化合物
(1)含有-2价硫的物质有酸:___________,盐:Na2S、___________等。
(2)含有+4价硫的物质有氧化物:___________,酸:___________ ,盐:Na2SO3、NaHSO3等。
(3)含有+6价硫的物质有氧化物:___________,酸:___________ ,盐:Na2SO4、NaHSO4等。
3、不同价态硫元素之间的相互转化
不同价态硫元素之间的相互转化主要通过___________________实现。上述转化中,从左到右,硫元素化合价 ___________,需加入___________。从右到左,硫元素化合价降低,需加入___________。
4、相同价态硫元素之间的转化
以上两种转化关系均属于___________价态硫元素之间的转化,从左到右的转化,加入___________可以实现;从右到左的转化,加入___________可以实现。
第二节 氮及其化合物
一、氮气与氮的固定
1、氮元素的位置、结构与存在
(1)氮元素位于元素周期表的___________周期、第___________族。氮原子的最外电子层有___________电子,既不容易得到3个电子,也不容易失去5个电子。因此,氮原子一般通过___________________与其他原子相互结合构成物质。
(2)氮元素在自然界中主要以___________的形式存在于空气中,部分氮元素存在于动植物体内的___________中,还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的___________和___________中。
2、氮气的物理性质
N2是一种___________、___________的气体,ρ(N2)<ρ(空气),___________溶于水。
3、氮气的结构与化学性质
(1)N2的结构:N2的结构式为___________,氮氮键很难断裂,化学性质很稳定。
(2)化学性质
N2在___________等条件下,N2获得足够的能量,使___________断裂。写出N2与Mg、H2、O2反应的化学方程式。
①3Mg+N2Mg3N2; ②N2+3H22NH3; ③N2+O22NO。
4、氮的固定:将大气中___________的氮转化为___________的过程。
(1)自然固氮:大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为含氮的化合物,或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成氨。
(2)人工固氮:人类通过控制条件,将氮气___________或___________为氮的化合物,最重要的人工固氮途径就是___________。
二、一氧化氮和二氧化氮
1、物理性质
颜色 状态 气味 毒性 水溶性
NO ___________色 气态 ___________ ___________ ___________溶
NO2 ___________色 气态 ___________气味 ___________ ___________溶
2、化学性质
(1)NO在空气中易转化为___________色的NO2,反应方程式为:___________________________________。
(2)NO2与H2O反应生成HNO3和NO,反应方程式为:___________________________________________。
三、氨和铵盐
(一)氨
1、氨的物理性质
(1)氨是无色、有___________气味的气体,密度比空气的___________,很容易___________。
(2)氨极易溶于水:在常温常压下,1体积水大约可溶解___________体积氨。可利用___________实验证明NH3极易溶于水。
2、氨的化学性质
(1)NH3与水反应的化学方程式为:___________________________________________。
(2)NH3与酸反应生成铵盐
①浓氨水挥发出的NH3与浓盐酸挥发出的___________相遇形成___________,即NH4Cl晶体小颗粒,其反应的方程式为:___________________________________。
②氨通入稀硫酸中反应的离子方程式为NH3+H+===NH。
(3)氨的催化氧化
氨催化氧化制HNO3的系列反应方程式依次为:4NH3+5O24NO+6H2O,___________________________________________,___________________________________________。
(二)铵盐——铵根离子(NH)与酸根离子构成的化合物
1、不稳定性:NH4Cl、NH4HCO3受热分解的化学方程式分别为___________________________________、___________________________________________。
2、与碱的反应
(1)固体反应:NH4Cl与NaOH反应的化学方程式为:NH4Cl+NaOHNH3↑+NaCl+H2O。
(2)溶液中铵盐与强碱反应的离子方程式(加热):NH+OH-NH3↑+H2O。
(3)稀溶液中铵盐与强碱反应的离子方程式(不加热):NH+OH-===NH3·H2O。
3、铵盐与碱反应的两个应用
(1)检验NH:待测液中加________________并________,用湿润的________________放置于试管口,若试纸变________,说明溶液中含NH。
(2)实验室制备NH3
4、氨气的实验室制法
(1)原理:2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O。
(2)装置
①发生装置:固体+固体气体,与实验室利用___________和___________加热制取氧气的装置相同。
②净化装置:通常用___________干燥氨气,不能用五氧化二磷、___________和无水氯化钙干燥。
(3)收集方法:___________排空气法收集,试管口塞一团疏松的棉花团,目的是防止___________与空气形成对流,以收集到较纯净的氨气。
(4)验满方法
①方法一:用镊子夹住一片湿润的___________试纸放在试管口,若试纸变___________,说明已经收集满。
②方法二:用蘸取___________的玻璃棒靠近试管口,若有___________生成,说明已经收集满。
(5)尾气处理:多余的氨气要吸收掉(可在导管口放一团用水或___________浸润的棉花球)以避免污染空气。在吸收时要防止___________,常采用的装置如图所示:
5、实验室快速制氨气的方法
(1)加热浓氨水法:NH3·H2O不稳定,受___________易分解生成NH3:NH3·H2ONH3↑+H2O,故可直接加___________制备NH3。
(2)浓氨水加固体NaOH(或生石灰、碱石灰)法:固体NaOH溶于水放出大量的热,会促使氨水分解,而生石灰可与水反应生成Ca(OH)2,同时反应___________,也会促使___________分解,故可在常温下向固体NaOH或CaO中滴加___________来制备NH3。反应装置图分别为:
四、硝酸
1、物理性质
颜色 状态 气味 特性
___________色 ___________ 有___________气味 易___________
2、化学性质
(1)酸性:属于强酸,具有酸的通性,如CaCO3与HNO3反应的化学方程式为:___________________
________________________________________________________。
(2)不稳定性:见光或者受热易分解,化学方程式为4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O。所以硝酸一般保存在___________试剂瓶中,并放置在___________。
(3)强氧化性
① Cu与浓硝酸反应的化学方程式为___________________________________________________。
Cu与稀硝酸反应的化学方程式为___________________________________________________。
②与Fe、Al反应:常温下,浓硝酸或浓硫酸可使铁、铝表面形成一层致密的___________薄膜,所以可以用铁制容器或铝制容器来盛装___________或___________。当加热时,Fe、Al会与浓硝酸或浓硫酸发生反应。
③浓硝酸和浓盐酸的混合物(体积比为___________)叫做___________,能使一些不溶于硝酸的金属如金、铂等溶解。
3、用途
硝酸是重要的化工原料,可用于制造___________、___________、染料、___________等。
五、酸雨及防治
1、SO2、NOx 的主要来源
(1)SO2:主要来源于___________和某些含硫的___________的燃烧或冶炼。
(2)NOx:主要来源于机动车产生的___________。
2、SO2、NOx对人体的危害
SO2与NOx会引起___________疾病,危害人体健康,严重时会使人死亡。
3、酸雨
SO2、含氮氧化物及其在大气中发生反应后的___________溶于雨水后形成的。
4、酸雨防治
(1)工业废气排放到大气中之前,必须进行适当处理,防止___________污染大气。
(2)减少化石燃料的直接___________,如脱硫处理。
六、硝酸与金属反应的计算
1、电子守恒法:硝酸与___________反应属于氧化还原反应,氮原子得到的电子总数等于金属原子___________总数。
2、原子守恒法:硝酸与金属反应时,反应前硝酸中的NO一部分仍以NO的形式存在,一部分转化为___________产物,这两部分中N的___________之和与反应消耗的硝酸中N的___________相等。
3、电荷守恒法:HNO3___________时,反应后溶液中(不考虑OH-)根据电荷守恒有c(NO)=c(H+)+nc(Mn+)(Mn+代表金属离子)。
4、利用离子方程式计算:硝酸与硫酸混合液跟金属的反应,当金属足量时,不能用硝酸与金属反应的化学方程式计算,应用离子方程式计算,因为生成的硝酸盐中的NO与硫酸电离出的H+仍能继续与金属反应。如金属铜与混酸的反应方程式为________________________________________________________。
第三节 无机非金属元素
一、硅酸盐材料
1、硅酸盐的结构:在硅酸盐中,Si和O构成了___________,Si在中心,O在___________的4个顶角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互___________。
2、硅酸盐材料
产品 原料 主要设备 主要成分 用途
陶瓷 ___________(主要成分为含水的铝硅酸盐) —— 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃 (普通) ___________ 玻璃窑 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等
水泥 ___________、适量石膏 水泥 回转窑 ___________ 建筑和水利工程
注意:由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”,可知反应的化学方程式为SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑,SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑。
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在与结构
存在 原子结构示意图 周期表中位置
含量 存在形态
地壳中居第___________位 氧化物和硅酸盐 第_______周期、第________族
(2)单质硅的制备
(3)硅和二氧化硅的用途
2、新型陶瓷
(1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系,在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(2)碳化硅(SiC)俗称___________,碳原子和硅原子通过___________连接,具有类似金刚石的结构,硬度___________,可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还___________,可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3、碳纳米材料
碳纳米材料在______________________等领域有着广阔的应用前景。
结构特点 应用
富勒烯 由___________原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物___________开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳米管 由___________片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 用于生产___________、电池和 ___________等
石墨烯 只有___________碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等第五章 化工生产中的重要非金属元素
第一节 硫及其化合物
一、硫和二氧化硫
(一)硫
1、硫元素的位置、结构与性质
(1)硫元素位于元素周期表的第 三 周期、第 ⅥA 族,硫原子的最外电子层有 6个 电子,在化学反应中容易得到2个电子,形成 -2 价硫的化合物。
(2)与氧元素相比,得电子能力相对 较弱 ,非金属性比氧的 弱 。故在富含O2的地表附近的含硫化合物中,硫常显 +4 价或 +6 价,而氧显 -2 价。
2、硫单质的物理性质
硫(俗称 硫黄 )是一种黄色晶体,质脆,易研成粉末。硫 难 溶于水,微溶于 酒精 ,易溶于 二硫化碳 。
3、硫单质的化学性质
(1)氧化性表现为与金属、H2反应:
与Fe、Cu、H2反应的化学方程式分别为 S+FeFeS 、 S+2CuCu2S 、 S+H2H2S ,在这些反应,S均作 氧化 剂。
(2)还原性表现为与O2反应,其化学方程式为 S+O2SO2 ,反应中S作 还原 剂。
注意:(1)硫的氧化性 较弱 ,与变价金属反应,生成 低价 态的金属硫化物。
(2)硫与氧气反应,无论氧气是否过量,只生成SO2。
(二)二氧化硫
1、物理性质
二氧化硫是一种无色、有 刺激性 气味的有毒气体,密度比空气的 大 ,易溶于水。在通常情况下,1体积的 水 可以溶解约 40 体积的SO2。
2、化学性质
(1)具有酸性氧化物的性质
①与H2O反应的化学方程式为: SO2+H2OH2SO3 。
②与碱(如NaOH)反应的化学方程式为: SO2+2NaOH===Na2SO3+H2O 。
(2)还原性
SO2在一定条件下与O2反应的化学方程式为:,生成的SO3也是 酸性 氧化物,与H2O反应的化学方程式为: SO3+H2O===H2SO4 。
(3)氧化性
SO2与H2S反应的化学方程式为: SO2+2H2S===3S+2H2O 。
(4)漂白性
①SO2通入品红溶液中,品红溶液 褪 色,加热时,溶液又变 红 色。
②SO2的漂白原理:SO2与某些有色物质生成不稳定的无色物质。这些无色物质容易分解又使有色物质恢复原来的颜色。
③应用:SO2在工业上应用于漂白纸浆、毛、丝等;此外SO2可用于 杀菌消毒 ,还是一种食品 添加剂 。
3、可逆反应
(1)正反应:向 生成物 方向进行的反应。
(2)逆反应:向 反应物 方向进行的反应。
(3)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。
二、硫酸
1、工业制硫酸的原理示意图
(1) S+O2SO2 或4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2;
(2)2SO2+O22SO3,
(3) SO3+H2O===H2SO4 。
2、硫酸的酸性
(1)电离方程式:H2SO4===2H++SO。
(2)写出稀硫酸与Zn、CuO、NaOH溶液、NaHCO3溶液反应的离子方程式分别为 Zn+2H+===Zn2++H2↑ 、CuO+2H+===Cu2++H2O 、 H++OH-===H2O 、HCO+H+===CO2↑+H2O。
3、浓硫酸的特性
(1)吸水性:浓硫酸能吸收存在于周围环境中的水分,可用于作干燥剂。
(2)脱水性:浓硫酸能将蔗糖、纸张、棉布和木材等有机物中的氢元素和氧元素按水的组成比脱去。
(3)强氧化性
①与金属Cu反应的化学方程式为 2H2SO4(浓)+CuCuSO4+SO2↑+2H2O 。反应中氧化剂是 浓硫酸 ,还原剂是 Cu ,还原产物为 SO2 。
②与非金属的反应
浓硫酸与木炭反应的化学方程式为 C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O 。反应中氧化剂为 浓硫酸,还原剂为 C ,还原产物为 SO2 。
4、常见的硫酸盐
(1)石膏(化学式为 CaSO4·2H2O ),加热失水变为熟石膏(化学式为 2CaSO4·H2O ),应用于制作各种模型和医疗用的石膏绷带,工业上还用于调节 水泥的硬化速率 。
(2)硫酸钡又称“重晶石”或“钡餐”,用于生产其他钡盐的原料或消化系统 X射线 检查的内服药剂。
(3)硫酸铜为白色粉末,CuSO4结合水后变为 蓝色晶体胆矾 (化学式为 CuSO4·5H2O ),又称蓝矾。无水CuSO4可用于检验H2O的存在。胆矾和 石灰乳 混合制成一种常用的农药—— 波尔多液 。
5、探究1:蔗糖的脱水实验
(1)蔗糖逐渐变黑。原因是浓硫酸具有 脱水性 :C12H22O11 12C+11H2O 。
(2)蔗糖体积膨胀,形成黑色疏松多孔的海绵状的炭,并放出有刺激性气味的气体。原因是 浓硫酸具有强氧化性,把C氧化成CO2,并有SO2气体放出 。
6、探究2:浓硫酸与Cu的反应
(1)a中铜丝变 黑 ,有气体逸出;b中品红溶液逐渐变为 无 色;c中溶液变为 红 色。
(2)NaOH溶液棉团的作用是吸收尾气 SO2 ,防止污染空气:SO2+2OH-===SO+H2O。
三、硫酸根离子的检验
1、SO的检验
(1)实验探究:
①稀硫酸或Na2SO4溶液现象为有 白色 沉淀生成,加盐酸后 白色 沉淀不溶解。
②Na2CO3溶液现象为有 白色 沉淀生成,加盐酸后 白色 沉淀溶解且放出气体。
(2)SO的检验一般思路:待测液无沉淀无气体生成 白色 沉淀生成。
2、粗盐中可溶性杂质的除去
杂质 加入的试剂 化学方程式
Na2SO4 BaCl2溶液 Na2SO4+BaCl2===BaSO4↓+2NaCl
MgCl2 NaOH溶液 MgCl2+2NaOH===Mg(OH)2↓+2NaCl
CaCl2 Na2CO3溶液 CaCl2+Na2CO3===CaCO3↓+2NaCl
四、不同价态含硫物质的转化
(一)自然界中硫的存在和转化
1、硫的存在
(1)在自然界中硫元素主要以 化合态 形式存在,通常以 硫化物 的形式存在,如黄铁矿( FeS2 )、黄铜矿( CuFeS2 )。在地表附近,硫化物转化为 硫酸盐 ,如石膏( CaSO4·2H2O )、芒硝(Na2SO4·10H2O)等。
(2) 游离态 的硫存在于 火山口 附近或 地壳 的岩层中。
2、硫的转化
火山口附近的硫单质会被大气中的氧气氧化成 二氧化硫 , 二氧化硫 可被进一步氧化成 三氧化硫。
(二)常见硫的价态及转化
1、硫元素常见的化合价有 -2、0、+4 和 +6 ,可以通过氧化还原反应实现不同价态含硫物质的相互转化。利用 氧化剂 ,可将硫元素从 低价 态转化到 高价 态;利用 还原剂 ,可将硫元素从 高价 态转化到 低价 态。
2、硫的不同价态所对应的常见化合物
(1)含有-2价硫的物质有酸: H2S ,盐:Na2S、 NaHS 等。
(2)含有+4价硫的物质有氧化物: SO2 ,酸: H2SO3 ,盐:Na2SO3、NaHSO3等。
(3)含有+6价硫的物质有氧化物: SO3 ,酸: H2SO4 ,盐:Na2SO4、NaHSO4等。
3、不同价态硫元素之间的相互转化
不同价态硫元素之间的相互转化主要通过 氧化还原反应 实现。上述转化中,从左到右,硫元素化合价 升高 ,需加入 氧化剂 。从右到左,硫元素化合价降低,需加入 还原剂 。
4、相同价态硫元素之间的转化
以上两种转化关系均属于 相同 价态硫元素之间的转化,从左到右的转化,加入 碱 可以实现;从右到左的转化,加入 酸 可以实现。
第二节 氮及其化合物
一、氮气与氮的固定
1、氮元素的位置、结构与存在
(1)氮元素位于元素周期表的 第二 周期、第 ⅤA 族。氮原子的最外电子层有 5个 电子,既不容易得到3个电子,也不容易失去5个电子。因此,氮原子一般通过 共用电子对 与其他原子相互结合构成物质。
(2)氮元素在自然界中主要以 氮分子 的形式存在于空气中,部分氮元素存在于动植物体内的 蛋白质中,还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的 硝酸盐 和 铵盐 中。
2、氮气的物理性质
N2是一种 无色 、 无味 的气体,ρ(N2)<ρ(空气), 难 溶于水。
3、氮气的结构与化学性质
(1)N2的结构:N2的结构式为 N≡N ,氮氮键很难断裂,化学性质很稳定。
(2)化学性质
N2在 高温、放电 等条件下,N2获得足够的能量,使 N≡N 断裂。写出N2与Mg、H2、O2反应的化学方程式。
①3Mg+N2Mg3N2; ②N2+3H22NH3; ③N2+O22NO。
4、氮的固定:将大气中 游离态 的氮转化为 氮的化合物 的过程。
(1)自然固氮:大自然通过闪电释放的能量将空气中的氮气转化为含氮的化合物,或者通过豆科植物的根瘤菌将氮气转化成氨。
(2)人工固氮:人类通过控制条件,将氮气 氧化 或 还原 为氮的化合物,最重要的人工固氮途径就是 工业合成氨 。
二、一氧化氮和二氧化氮
1、物理性质
颜色 状态 气味 毒性 水溶性
NO 无 色 气态 无味 有毒 不 溶
NO2 红棕 色 气态 有刺激性 气味 有毒 易 溶
2、化学性质
(1)NO在空气中易转化为 红棕 色的NO2,反应方程式为: 2NO+O2===2NO2 。
(2)NO2与H2O反应生成HNO3和NO,反应方程式为: 3NO2+H2O===2HNO3+NO 。
三、氨和铵盐
(一)氨
1、氨的物理性质
(1)氨是无色、有 刺激性 气味的气体,密度比空气的 小 ,很容易 液化 。
(2)氨极易溶于水:在常温常压下,1体积水大约可溶解 700 体积氨。可利用 喷泉 实验证明NH3极易溶于水。
2、氨的化学性质
(1)NH3与水反应的化学方程式为: NH3+H2ONH3·H2O 。
(2)NH3与酸反应生成铵盐
①浓氨水挥发出的NH3与浓盐酸挥发出的 HCl 相遇形成 白烟 ,即NH4Cl晶体小颗粒,其反应的方程式为: NH3+HCl===NH4Cl 。
②氨通入稀硫酸中反应的离子方程式为NH3+H+===NH。
(3)氨的催化氧化
氨催化氧化制HNO3的系列反应方程式依次为:4NH3+5O24NO+6H2O, 2NO+O2===2NO2 ,3NO2+H2O===2HNO3+NO 。
(二)铵盐——铵根离子(NH)与酸根离子构成的化合物
1、不稳定性:NH4Cl、NH4HCO3受热分解的化学方程式分别为 NH4ClNH3↑+HCl↑ 、NH4HCO3NH3↑+H2O+CO2↑ 。
2、与碱的反应
(1)固体反应:NH4Cl与NaOH反应的化学方程式为:NH4Cl+NaOHNH3↑+NaCl+H2O。
(2)溶液中铵盐与强碱反应的离子方程式(加热):NH+OH-NH3↑+H2O。
(3)稀溶液中铵盐与强碱反应的离子方程式(不加热):NH+OH-===NH3·H2O。
3、铵盐与碱反应的两个应用
(1)检验NH:待测液中加NaOH溶液并加热,用湿润的红色石蕊试纸放置于试管口,若试纸变蓝,说明溶液中含NH。
(2)实验室制备NH3
4、氨气的实验室制法
(1)原理:2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3↑+2H2O。
(2)装置
①发生装置:固体+固体气体,与实验室利用 氯酸钾 和 二氧化锰 加热制取氧气的装置相同。
②净化装置:通常用 碱石灰 干燥氨气,不能用五氧化二磷、 浓硫酸 和无水氯化钙干燥。
(3)收集方法: 向下 排空气法收集,试管口塞一团疏松的棉花团,目的是防止 氨气 与空气形成对流,以收集到较纯净的氨气。
(4)验满方法
①方法一:用镊子夹住一片湿润的 红色石蕊 试纸放在试管口,若试纸变 蓝 ,说明已经收集满。
②方法二:用蘸取 浓盐酸 的玻璃棒靠近试管口,若有 白烟 生成,说明已经收集满。
(5)尾气处理:多余的氨气要吸收掉(可在导管口放一团用水或 稀硫酸 浸润的棉花球)以避免污染空气。在吸收时要防止 倒吸 ,常采用的装置如图所示:
5、实验室快速制氨气的方法
(1)加热浓氨水法:NH3·H2O不稳定,受 热 易分解生成NH3:NH3·H2ONH3↑+H2O,故可直接加 热浓氨水 制备NH3。
(2)浓氨水加固体NaOH(或生石灰、碱石灰)法:固体NaOH溶于水放出大量的热,会促使氨水分解,而生石灰可与水反应生成Ca(OH)2,同时反应 放热 ,也会促使 氨水 分解,故可在常温下向固体NaOH或CaO中滴加 浓氨水 来制备NH3。反应装置图分别为:
四、硝酸
1、物理性质
颜色 状态 气味 特性
无 色 液态 有 刺激性 气味 易 挥发
2、化学性质
(1)酸性:属于强酸,具有酸的通性,如CaCO3与HNO3反应的化学方程式为: CaCO3+2HNO3(稀)===Ca(NO3)2+CO2↑+H2O 。
(2)不稳定性:见光或者受热易分解,化学方程式为4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O。所以硝酸一般保存在 棕色 试剂瓶中,并放置在 阴凉处 。
(3)强氧化性
① Cu与浓硝酸反应的化学方程式为 Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 。
Cu与稀硝酸反应的化学方程式为 3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O 。
②与Fe、Al反应:常温下,浓硝酸或浓硫酸可使铁、铝表面形成一层致密的 氧化物 薄膜,所以可以用铁制容器或铝制容器来盛装 浓硝酸 或 浓硫酸 。当加热时,Fe、Al会与浓硝酸或浓硫酸发生反应。
③浓硝酸和浓盐酸的混合物(体积比为 1∶3 )叫做 王水 ,能使一些不溶于硝酸的金属如金、铂等溶解。
3、用途
硝酸是重要的化工原料,可用于制造 化肥 、 炸药 、染料、 农药 等。
五、酸雨及防治
1、SO2、NOx 的主要来源
(1)SO2:主要来源于 煤、石油 和某些含硫的 金属矿物 的燃烧或冶炼。
(2)NOx:主要来源于机动车产生的 尾气 。
2、SO2、NOx对人体的危害
SO2与NOx会引起 呼吸道 疾病,危害人体健康,严重时会使人死亡。
3、酸雨
SO2、含氮氧化物及其在大气中发生反应后的 生成物 溶于雨水后形成的。
4、酸雨防治
(1)工业废气排放到大气中之前,必须进行适当处理,防止 有害物质 污染大气。
(2)减少化石燃料的直接 燃烧 ,如脱硫处理。
六、硝酸与金属反应的计算
1、电子守恒法:硝酸与 金属 反应属于氧化还原反应,氮原子得到的电子总数等于金属原子 失去的电子 总数。
2、原子守恒法:硝酸与金属反应时,反应前硝酸中的NO一部分仍以NO的形式存在,一部分转化为 还原 产物,这两部分中N的 物质的量 之和与反应消耗的硝酸中N的 物质的量 相等。
3、电荷守恒法:HNO3 过量 时,反应后溶液中(不考虑OH-)根据电荷守恒有c(NO)=c(H+)+nc(Mn+)(Mn+代表金属离子)。
4、利用离子方程式计算:硝酸与硫酸混合液跟金属的反应,当金属足量时,不能用硝酸与金属反应的化学方程式计算,应用离子方程式计算,因为生成的硝酸盐中的NO与硫酸电离出的H+仍能继续与金属反应。如金属铜与混酸的反应方程式为 3Cu+8H++2NO===3Cu2++2NO↑+4H2O 。
第三节 无机非金属元素
一、硅酸盐材料
1、硅酸盐的结构:在硅酸盐中,Si和O构成了 硅氧四面体 ,Si在中心,O在 四面体 的4个顶角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互 连接 。
2、硅酸盐材料
产品 原料 主要设备 主要成分 用途
陶瓷 黏土 (主要成分为含水的铝硅酸盐) —— 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃 (普通) 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等
水泥 石灰石、黏土、适量石膏 水泥 回转窑 硅酸盐 建筑和水利工程
注意:由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”,可知反应的化学方程式为SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑,SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑。
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在与结构
存在 原子结构示意图 周期表中位置
含量 存在形态
地壳中居第 二 位 氧化物和硅酸盐 第 三 周期、第 ⅣA 族
(2)单质硅的制备
(3)硅和二氧化硅的用途
2、新型陶瓷
(1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系,在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(2)碳化硅(SiC)俗称 金刚砂 ,碳原子和硅原子通过 共价键 连接,具有类似金刚石的结构,硬度 很大 ,可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还 耐高温 ,可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3、碳纳米材料
碳纳米材料在 能源、信息、医药 等领域有着广阔的应用前景。
结构特点 应用
富勒烯 由 碳 原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物 C60 开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳米管 由 石墨 片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 用于生产 复合材料 、电池和 传感器 等
石墨烯 只有 一个 碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等