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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