第5章 化工生产中的重要非金属元素（word版）-【精英1号】2024年高一化学学考名师解析与训练·知识梳理手册

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 1．硫和二氧化硫 (1)S单质与金属反应：只能将变价金属(如Fe、Cu)氧化成较低价态(如产物为FeS、Cu2S等)。 (2)SO2中硫元素处于中间价态，遇强氧化剂表现还原性，如与Fe3＋、O2、Cl2、Br2、I2、H2O2、酸性KMnO4反应；遇强还原剂则表现氧化性，如与H2S反应可生成S。 (3)SO2能与某些有机色素(如品红)化合生成不稳定的无色物质，受热后，不稳定的无色物质分解，颜色恢复。品红是检测SO2的重要试剂。注意：SO2不能漂白酸、碱指示剂，能使石蕊指示剂变红色。 2．硫酸 (1)稀硫酸中溶质主要以离子形式存在，浓硫酸中溶质主要以分子形式存在。 (2)稀硫酸具有酸的通性，浓硫酸具有吸水性、脱水性和强氧化性。吸水性和脱水性的区别：前者结合的是已有的水分子，后者是将有机物中的氢元素和氧元素按照原子个数比2∶1的比例脱去。 (3)浓硫酸与Cu等不活泼金属反应的产物是硫酸盐、SO2和水，硫酸表现强氧化性和酸性，当硫酸变稀后反应终止；浓硫酸与Fe、Al等金属加热条件下反应生成硫酸盐、SO2和H2O，当硫酸变稀后可继续反应产生H2。 (4)浓硫酸与非金属单质如C反应，表现强氧化性，生成CO2、SO2和H2O。检验产物的顺序是：用无水CuSO4检验水→品红检验SO2→酸性KMnO4溶液吸收SO2→品红判断SO2是否吸收完全→石灰水检验CO2。 3．检验SO (1)检验方法：样品溶液中先加入盐酸酸化，再滴加BaCl2溶液。HCl可排除Ag＋、CO等干扰。 (2)注意：检验SO不得使用HNO3、Ba(NO3)2，防止SO产生干扰。 4．不同价态含硫物质的转化 (1)转化思路。①价态不变：通过非氧化还原反应实现。②价态变化：通过氧化还原反应实现。 (2)价类二维转化关系。 1．硫及其化合物转化规律：从物质类别和价态两个视角分析转化的条件及产物。－2价硫仅具有还原性，S、SO2、SO等中间价态的含硫微粒兼具氧化性和还原性，但以还原性为主。 2．稀硫酸与浓硫酸在溶液中溶质的存在形式不同，性质不同。稀硫酸中主要是离子，具有酸的通性，还原产物为H2；浓硫酸中主要是溶质分子，氧化性由＋6价的硫元素体现，其还原产物一般是SO2。 3．SO2的漂白性：可与部分特定结构的色素分子化合成无色物质，如品红，但不能使指示剂褪色。 【强调】SO2使酸性高锰酸钾溶液、溴水等氧化性物质褪色，是其还原性所致，不是表现漂白性。 例1　硫及其化合物的“价—类二维图”体现了化学变化之美。下列有关说法正确的是(　　) A．硫在过量的氧气中燃烧直接生成Y B．将X通入BaCl2溶液中有白色沉淀生成 C．H2S与X反应的氧化产物和还原产物的物质的量之比为2∶1 D．N可由其相应单质直接化合生成 【答案】C 【解析】A.S在过量氧气中燃烧生成二氧化硫，即硫在过量的氧气中燃烧直接生成SO2，SO2催化氧化生成SO3，故A错误；B.盐酸的酸性大于亚硫酸的酸性，则X通入BaCl2溶液中，不发生反应，无明显现象，故B错误；C.发生反应2H2S＋SO2===3S↓＋2H2O，2molS失去的电子数与1molS得到的电子数相等，则氧化产物和还原产物的物质的量之比为2∶1，故C正确；D.由图中元素的化合价及物质类别可知，M为硫酸铜，与H2S反应生成N(CuS)，S具有弱氧化性，与Cu化合生成Cu2S，故D错误。 例2　某小组同学实验室里用如图所示装置研究不同价态硫元素之间的转化。 (1)A中发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________(用双线桥标出电子转移情况)。 (2)B中的现象是________________，体现SO2的________性质。 (3)C中的现象是________________，Na2S在反应中作________剂。 (4)D中氯水褪色，此反应中硫元素的化合价由______转化为______；甲同学认为可以补充一个实验进一步证明硫元素的价态转化，实验方案和现象为：取D中褪色后的溶液于试管中，__________________________________________________。 (5)E的作用是____________________，离子方程式为__________________。 【答案】(1) (2)品红褪色　漂白　(3)出现淡黄色沉淀　还原　(4)＋4　＋6　加入氯化钡溶液，生成白色沉淀 (5)吸收SO2尾气，防止污染环境　SO2＋2OH－===SO＋H2O 第二节　氮及其化合物 1．氮气与氮的固定 (1)氮的固定：游离态的氮气转化为氮的化合物，分为自然固氮和人工固氮。 (2)氮气稳定的原因：N≡N键很稳定，破坏时需要消耗较高的能量。 (3)氮气的化学性质：具有氧化性，与Mg、H2等反应；具有还原性，与O2等反应。 2．NO和NO2 (1)NO：具有较强的还原性，易被氧气氧化，可采用排水法收集。(2NO＋O2===2NO2) (2)NO2：具有较强氧化性，与水、碱可发生歧化反应。(3NO2＋H2O===2HNO3＋NO，2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O) 3．氨和铵盐 (1)氨气极易溶于水，水溶液呈碱性。 NH3＋H2ONH3·H2O，NH3·H2ONH＋OH－。 (2)氨气具有碱性：本质是氨分子中N原子有孤对电子，能与H＋结合。 浓氨水遇挥发性酸(如盐酸、硝酸)会有白烟生成，实质是挥发的酸与氨气化合生成盐，分散在空气中。(NH3＋HCl===NH4Cl) (3)氨气具有还原性：4NH3＋5O24NO＋6H2O。 (4)铵盐：①受热易分解，NH4ClNH3↑＋HCl↑。(不是所有铵盐分解都生成NH3) ②与碱反应：2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。 NH4NO3＋NaOHNaNO3＋NH3↑＋H2O 该反应可用于实验室制备氨气、铵根离子的检验。 4．硝酸 (1)不稳定性：4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O，浓硝酸显黄色就是因为溶解有NO2。 (2)强氧化性：与金属反应生成NO或NO2，一般无H2产生；变价金属会被氧化成最高价，硝酸在反应中表现酸性和强氧化性。 1．运用价类观念理解氮及其化合物的性质：从物质类别和价态两个视角分析转化的条件及产物。－3价氮仅具有还原性；N2、NO、NO2等中间价态的含氮微粒兼具氧化性和还原性，但NO以还原性为主，NO2以氧化性为主；硝酸无论浓、稀均具有氧化性。 2．浓、稀硝酸的氧化性由＋5价的氮元素体现，其还原产物比较复杂，随着硝酸浓度的减小，产物逐渐可生成NO2、NO、N2或NH。 3．有关金属与硝酸反应的定量分析：(1)电子得失守恒，即金属失去的电子总数等于生成氮氧化物获得的电子总数；(2)氮原子守恒，即消耗的硝酸物质的量等于硝酸盐中的NO和NOx物质的量之和。 4．铵盐分解的规律：铵盐受热都能分解，但氧化性酸形成的铵盐分解后不一定生成NH3。 5．依据价类二维图认识氮及其化合物之间转化的规律。 例1　氮是一种重要的非金属元素。下列关于氮及其化合物的说法正确的是(　　) A．N2性质稳定，可作金属焊接的保护气 B．硝酸能溶解所有金属 C．铵盐受热易分解，故NH4HCO3可用作氮肥 D．在稀硫酸中加入铜粉，铜粉不溶解，再加入Cu(NO3)2固体，铜粉仍不溶解 【答案】A 【解析】A.氮气的结构式为N≡N，性质稳定，故可以作金属焊接的保护气，故A正确；B.绝大部分金属都溶于硝酸，少数金属如金和铂不溶于硝酸，故B错误；C.NH4HCO3可用作氮肥，但作氮肥与铵盐受热易分解没有关系，故C错误；D.稀硫酸中加入硝酸铜，NO离子在酸性条件下表现强氧化性，可以溶解铜粉，故D错误。 例2　依据图1中氮元素及其化合物的转化关系，回答问题。 (1)实验室常用NH4Cl与Ca(OH)2反应制取氨气，该反应的化学方程式为____________________________。 (2)现要收集一瓶氨气，请将图2所示装置补充完整，在虚线框内画出连接图。 (3)下列试剂不能用于干燥NH3的是________。 A．浓硫酸 B．碱石灰 C．NaOH固体 (4)工业上以NH3、空气、水为原料生产硝酸分为三步： ①NH3→NO，化学方程式为________________________。 ②NO→NO2，实验现象是__________________________。 ③NO2＋H2O→HNO3，氧化剂与还原剂物质的量之比为________________。 (5)实验室只用一种物质可直接将NO转化为HNO3且绿色环保，则该物质的化学式为______________________。 (6)图1中，X的化学式为__________，从物质性质上看，X属于________氧化物．将X转化为HNO3属于____________(填“氧化还原”或“非氧化还原”)反应。 (7)若要将NH3→N2，从原理上看，下列试剂可行的是__________。(多选) A．O2 B．Na C．NH4Cl D．NO2 【答案】(1)2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2H2O＋2NH3↑　 (2)氨气极易溶于水，比空气轻，只能用向下排空气法收集，导气管位置短进长出　装置如图　 (3)A (4)①4NH3＋5O24NO＋6H2O　②无色气体变为红棕色气体　③1∶2　 (5)H2O2　(6)N2O5　酸性　非氧化还原　(7)AD 第三节　无机非金属材料 1．硅酸盐材料 (1)硅酸盐的基本结构单元是硅原子与氧原子通过共价键结合形成的SiO()，结构稳定，耐高温，抗腐蚀，硬度高。 (2)传统硅酸盐材料：玻璃、水泥、陶瓷。烧制过程涉及复杂的物理变化和化学变化。 陶瓷 普通玻璃 普通水泥 原料 黏土 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料：石灰石、黏土 辅助原料：适量的石膏 设备 — 玻璃窑 水泥回转窑 主要 成分 成分复杂 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙 (2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 特点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在一定温度范围内软化，可加工成制品 具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后凝固变硬 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程 　　 2.新型无机非金属材料 (1)单晶硅：①化学性质稳定，常温下仅与HF、强碱等物质反应。 ②制备方法：石英砂粗硅SiHCl3Si。 【强调】焦炭还原制粗硅，是因为反应有气体生成，驱动反应进行。该反应不能用来衡量碳和硅的金属性强弱关系。 ③用作半导体和光伏电池材料。 (2)二氧化硅：①酸性氧化物，可与强碱、HF反应；②可用于制作光导纤维。 (3)新型陶瓷：具有耐高温、高硬度等特殊性能，如金刚砂(SiC)。 (4)碳纳米材料：富勒烯、石墨烯、碳纳米管等。 1．从物质结构视角认识材料的性能：原子晶体形成的材料，因原子间通过共价键结合成空间立体网状结构，因此具有硬度大，熔、沸点高等特点。 2．认识含硅物质性质的特殊性。 (1)Si、SiO2不与常见的酸反应，但可以与HF反应，是因为产物SiF4是气体，驱动反应的进行。 (2)SiO2不与水反应，制备硅酸需先将其转化为硅酸盐，再与酸反应。 SiO2＋2OH－===SiO＋H2O　　SiO＋2H＋===H2SiO3↓ 例1　下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是(　　) ①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素 ②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品 ③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维 ④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料 A．①② B．②③ C．①④ D．③④ 【答案】C 【解析】①几乎所有的岩石和矿物都含有硅酸盐或者二氧化硅，则硅是构成一些岩石和矿物的基本元素，故①正确；②水泥、玻璃是硅酸盐产品，水晶的主要成分是二氧化硅，故②错误；③光导纤维的主要成分是二氧化硅，故③错误；④陶瓷的主要原料是黏土，则陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料，故④正确。 例2　硅是无机非金属材料的“主角”，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。 (1)下列物质不属于硅酸盐的是________。 A．陶瓷 B．玻璃 C．水泥 D．生石灰 (2)SiO2是玻璃的成分之一，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为________________________，工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。 (3)用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作__________，Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________。 A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚 C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚 【答案】(1)D　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O 氢氟酸　(3)阻燃剂　D ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 学科网（北京）股份有限公司 $$