高中化学必修一二无机

氢氧化铁胶体

胶体

分散质粒子直径 1~100 nm。

  • 常见胶体：牛奶、豆浆、血液、墨水、淀粉溶液等。
  • 胶体特点：介稳性。
  • 胶体按照分散剂的不同可分为气溶胶、液溶胶、固溶胶。

氢氧化铁胶体

  • 胶团结构：\(\ce{\{[Fe(OH)3]_m*nFeO+*}(n-x)\,\ce{Cl^-\}^x+*xCl-}\)。其中大括号内的是胶粒，带正电。
  • 制法：25 mL 沸水中滴加 5~6 滴 FeCl3 饱和溶液，加热煮沸至红褐色。方程式：\(\ce{FeCl3 + 3H2O\xlongequal\triangle Fe(OH)3(胶体) + 3HCl}\)。
  • 性质一：丁达尔效应。光束通过胶体时会产生光亮的通路，常用于鉴别胶体和溶液。
  • 性质二：渗析。胶体粒子可通过滤纸，但不能通过半透膜。常用于分离提纯胶体、血液透析、海水处理等。
  • 性质三：电泳。因 \(\ce{Fe(OH)3}\) 胶体粒子带正电，在电场中向阴极移动。用于静电除尘。
    • 胶体粒子带电规律：正电，金属氢氧化物、金属氧化物；负电，非金属氧化物、金属硫化物、土壤粒子；不带电，固体、蛋白质等。
  • 性质四：聚沉。指胶粒因电荷中和发生的聚集沉降现象。胶体聚沉方法：加电解质、加带相反电荷胶体、加热搅拌等。

离子反应

  • 电解质：在水溶液里或熔融状态下能导电的化合物。举例：纯 \(\ce{H2SO4}\) 不导电，但是电解质；\(\ce{NH3}\) 溶于水后生成的 \(\ce{NH3*H2O}\) 导电，是电解质；但 \(\ce{NH3}\) 不是电解质。
  • 强电解质：强酸、强碱、大多数盐；弱电解质：弱酸、弱碱、水、少部分盐（如醋酸铅）。
  • 电解质的电离：强电解质用 \(\xlongequal\quad\)，弱电解质用 \(\ce{<=>}\)。多元弱酸的电离须分步书写。
  • 常见不能大量共存离子：
    • 生成难电离：\(\ce{H+}\) 与 \(\ce{CH3COO-,CO3^2-,SO3^2-,HCO3-,HSO3-}\)；\(\ce{OH-}\) 与 \(\ce{NH4+,Cu^2+,Mg^2+,HCO3-,HSO3-}\)。
    • 生成难/微溶物：\(\ce{SO4^2-}\) 与 \(\ce{Ba^2+,Pb^2+,Ca^2+,Ag+}\)。
    • 生成易挥发：\(\ce{H+}\) 与 \(\ce{CO3^2-,HCO3-}\) 等。
    • 无色溶液：无 \(\ce{Fe^3+,Fe^2+,Cu^2+,MnO4-,Cr2O7-,CrO4^2-}\) 等有色离子。注：\(\ce{Cr2O7-}\) 为橙色，\(\ce{CrO4^2-}\) 为黄色。
  • 氧化性顺序：\(\ce{F2 > Cl2 > Br2 > Fe^3+ > I2 > S}\)。
  • 还原性顺序：\(\ce{S^2- > SO3^2- > I- > Fe^2+ > Br- > Cl-}\)。

常见氧化剂和还原剂

  • 强氧化剂：\(\ce{Cl2,O2,HNO3,H2O2,KMnO4(H+),Br2,H2SO4(浓)}\) 等；
  • 弱氧化剂：\(\ce{Fe^3+,Cu^2+,H+,S,I2}\) 等；
  • 强还原剂：\(\ce{C,H2,Al,CO,Zn}\) 等；
  • 弱还原剂：\(\ce{Fe,Cu,H2S,I-}\) 等。

钠 Na

钠单质

强还原性。

  • 和氧气在不同条件下反应：\(\ce{4Na + O2\xlongequal\quad2Na2O}\)，\(\ce{2Na + O2\xlongequal\triangle Na2O2}\)。后者现象为：钠受热后熔化，与氧气剧烈反应，发出黄色火焰，生成一种淡黄色固体。
  • 与其他非金属单质反应：\(\ce{2Na + S\xlongequal\triangle Na2S}\)，\(\ce{2Na + Cl2\xlongequal{点燃}2NaCl}\)，\(\ce{2Na + H2\xlongequal\triangle2NaH}\)，\(\ce{6Na + N2\xlongequal{点燃}2Na3N}\)。
  • 与水反应：\(\ce{2Na + 2H2O\xlongequal\quad 2NaOH + H2 ^}\)。

冶炼金属钠相关内容见《自然资源的开发利用》。

过氧化钠

过氧化钠具有强氧化性、强还原性、漂白性，但由于其和酸反应生成多种物质，不属于碱性氧化物。

  • 与水反应：\(\ce{2Na2O2 + 2H2O\xlongequal\quad4NaOH + O2 ^}\)。
  • 与二氧化碳反应：\(\ce{2Na2O2 + 2CO2\xlongequal\quad2Na2CO3 + O2}\)。（可用于制氧）
  • 与二氧化硫反应：\(\ce{Na2O2 + SO2\xlongequal\quad Na2SO4}\)。
  • 与酸反应：\(\ce{2Na2O2 + 4H+\xlongequal\quad4Na+ + 2H2O + O2 ^}\)。（非碱性氧化物）
  • 漂白性，使酸性 \(\ce{KMnO4}\) 褪色：\(\ce{5Na2O2 + 2MnO4- + 16H+\xlongequal\quad10Na+ + 2Mn^2+ + 8H2O + 5O2 ^}\)。

碳酸钠和碳酸氢钠

物质 \(\ce{Na2CO3}\) \(\ce{NaHCO3}\)
稳定性 稳定 受热分解
\(\ce{2NaHCO3\xlongequal\triangle Na2CO3 + H2O + CO2 ^}\)
与 \(\ce{HCl}\) \(\ce{2H+ + CO3^2-\xlongequal\quad H2O + CO2 ^}\) \(\ce{H+ + HCO3^-\xlongequal\quad H2O + CO2 ^}\)
与 \(\ce{CO2}\) \(\ce{CO3^2- + H2O + CO2\xlongequal\quad2HCO3-}\)
碳酸氢钠溶解度小，向饱和碳酸钠通过量二氧化碳会生成碳酸氢钠沉淀：\(\ce{Na2CO3 + H2O + CO2\xlongequal\quad2NaHCO3 v}\)		 不反应
与 \(\ce{NaOH}\) 不反应 \(\ce{HCO3- + OH^-\xlongequal\quad H2O + CO3^2-}\)
与 \(\ce{Ca(OH)2}\) \(\ce{Ca^2+ + CO3^2-\xlongequal\quad CaCO3 v}\) \(\begin{cases}\ce{Ca^2+ + OH- + HCO3^-\xlongequal\quad CaCO3 v + H2O}\\\ce{Ca^2+ + 2OH- + 2HCO3^-\xlongequal\quad CaCO3 v + 2H2O + CO3^2-}\end{cases}\)
与 \(\ce{BaCl2}\) \(\ce{Ba^2+ + CO3^2-\xlongequal\quad BaCO3 v}\) 不反应

与 \(\ce{HCl}\) 反应时，产生气泡多、快是 \(\ce{NaHCO3}\)，消耗 \(\ce{HCl}\) 多是 \(\ce{Na2CO3}\)。

侯氏制碱法等内容，见《自然资源的开发利用》。

氯 Cl

氯气

强氧化性。

  • 与金属、非金属单质反应：
    • 与钠单质：黄色火焰，生成白烟，\(\ce{2Na + Cl2\xlongequal\triangle2NaCl}\)；
    • 与铁单质：棕褐色烟，溶水得棕黄色溶液，\(\ce{3Cl2 + 2Fe\xlongequal\triangle2FeCl3}\)；
    • 与铜单质：棕黄色烟，溶水得蓝绿色溶液，\(\ce{Cu + Cl2\xlongequal\triangle CuCl2}\)；
    • 与氢气：苍白色火焰，\(\ce{H2 + Cl2\xlongequal{点燃}2HCl}\)。
    • 与磷单质：\(\ce{2P + 3Cl2\xlongequal{点燃}2PCl3(l)}\)，\(\ce{2P + 5Cl2\xlongequal{点燃}2PCl5(s)}\)。前者是雾，后者是烟。且有可逆反应：\(\ce{PCl3 + Cl2<=>PCl5}\)。
  • 与水反应：\(\ce{Cl2 + H2O<=>HCl + HClO}\)。氯水中包含三分子、四离子，即 \(\ce{Cl2,HClO,HCl}\) 和 \(\ce{Cl-,ClO-,H+,OH-}\)。
  • 实验室制法：\(\ce{MnO2 + 4HCl(浓)\xlongequal\triangle MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\)。
  • 氯离子检验：硝酸酸化的硝酸银溶液。

次氯酸

不稳定性、强氧化性、漂白性、弱酸性。

  • 注意在氯水中，更多考虑的是 \(\ce{Cl2}\) 的强氧化性而不是 \(\ce{HClO}\)。
  • 次氯酸在光照下分解放出氧气：\(\ce{2HClO\xlongequal{光照}2HCl + O2 ^}\)。
  • 关于漂白性，次氯酸的漂白不可逆。
  • 关于弱酸性，有：\(\ce{H2CO3 > HClO > HCO3-}\)。

次氯酸盐

  • 氯气通入碱溶液可制备次氯酸盐：\(\ce{Cl2 + 2OH^-\xlongequal\quad Cl- + ClO- + H2O}\)。
    • 通入 \(\ce{NaOH}\) 制漂白液：\(\ce{Cl2 + 2NaOH\xlongequal\quad NaClO + NaCl + H2O}\)。
    • 通入冷的石灰乳制漂白粉：\(\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2\xlongequal\quad Ca(ClO)2 + CaCl2 + 2H2O}\)。若 \(\ce{Cl2}\) 与 \(\ce{Ca(OH)2}\) 反应充分使得 \(\ce{Ca(ClO)2}\) 成为主要成分，则漂白粉成精变为漂粉精。
  • 次氯酸盐漂白原理：与二氧化碳和水反应生成的次氯酸具有漂白性。
    • 次氯酸钠：\(\ce{NaClO + H2O + CO2\xlongequal\quad NaHCO3 + HClO}\)。
    • 次氯酸钙：\(\ce{Ca(ClO)2 + H2O + CO2\xlongequal\quad CaCO3 v + 2HClO}\)。
  • 次氯酸盐久置失效原理：第一步先分解产生次氯酸，第二步次氯酸见光分解失效。

物质的量

省流版：

  • 公式：\(n=\dfrac N{N_{\rm A}}=\dfrac m{M}=\dfrac V{V_{\rm m}}(气体)\)。
  • 理想气体方程：\(pV=nRT\)。\(p\) 是压强，\(V\) 是体积，\(n\) 是物质的量，\(R\) 是常数，\(T\) 是温度。由此可推出一系列正比例等式。
  • 混合气体摩尔质量：\(\bar M=\dfrac{m_总}{n_总}=\dfrac{m_1+m_2+\cdots+m_k}{n_1+n_2+\cdots+n_k}=\dfrac{n_1M_1+n_2M_2+\cdots+n_kM_k}{n_1+n_2+\cdots+n_k}\)。

物质的量的单位——摩尔

表示含有一定数目粒子的集合体的物理量，符号为 \(n\)，单位为摩尔，符号 \(\rm mol\)。

规定 \(1~\text{mol}\) 粒子集合体所含的粒子数约为 \(6.02\times10^{23}\)，这个数值又称阿伏加德罗常数，符号 \(N_{\rm A}\)，通常用 \(6.02\times10^{23}~\rm{mol^{-1}}\)。

易得：\(n=\dfrac N{N_{\rm A}}\)。

单位物质的量的物质所具有的质量叫做摩尔质量，符号为 \(M\)，单位为 \(\rm g\cdot mol^{-1}\)。有：\(n=\dfrac mM\)。

气体摩尔体积

一定温度和压强下，\(1~\text{mol}\) 气体所具有的体积，称作气体摩尔体积。符号 \(V_{\rm m}\)，单位 \(\rm L\cdot mol^{-1}\)。有：\(n=\dfrac V{V_{\rm m}}\)。

气体摩尔体积的影响因素有：温度、压强。在标准状况（0℃ 和 101 kPa）下，气体摩尔体积约为 \(22.4~{\rm L\cdot mol^{-1}}\)。

物质的量浓度

表示单位体积的溶液里所含溶质 B 的物质的量，符号为 \(c_{\rm B}\)，单位 \(\rm mol\cdot L^{-1}\)。有：\(c_{\rm B}=\dfrac{n_{\rm B}}V\)。

可以推得溶质质量分数 \(\omega\) 和 \(c_{\rm B}\) 的关系：\(c_{\rm B}=\dfrac{\omega\rho}M\)。其中 \(\omega\) 是溶质质量分数，\(\rho\) 是溶液密度，\(M\) 是溶质摩尔质量。

推导过程：\(c_{\rm B}=\dfrac{n_{\rm B}}V=\dfrac{m_质\rho_液}{M_质m_液}=\dfrac{\omega\rho}M\)。

容量瓶

用于配制一定物质的量浓度的溶液的精确容器。

  • 结构特点：大肚——增加容量，细颈——提高精度，平底——易于放置，环形刻度线——矫正平视与否，瓶塞——摇匀、检漏。
  • 注意事项：使用前检漏，只能量取指定体积。
  • 配置步骤：
    • 计算：直接配制有 \(m=c_{\rm B}V_{\rm aq}M\)，通过浓溶液配制稀溶液有 \(c_浓V_浓=c_稀V_稀\)。
    • 量取：在托盘天平上操作即可，注意易潮解物质应使用小烧杯量取。
    • 溶解：加适量水溶解溶质。（量筒可有可无）
    • 转移：将烧杯中溶液转移至容量瓶，注意用玻璃棒引流。
    • 预摇匀：先促进溶解，注意此时不能上下颠倒。
    • 洗涤：需要将烧杯洗涤后将洗涤过后的水也转移至容量瓶。
    • 定容：加水至刻度线。这一步结束后须上下颠倒容量瓶。

铁 Fe

铁单质

物理性质：有银白色金属光泽，延展性，导热性，导电性（不如铜和铝），能被磁铁吸引。

还原性。

  • 与非强氧化性酸反应：\(\ce{Fe + 2H+\xlongequal\quad Fe^2+ + H2 ^}\)。
  • 与非金属单质反应：
    • 与氯气：参考上文。
    • 与溴单质：\(\ce{2Fe + 3Br2\xlongequal\triangle 2FeBr3}\)。
    • 与碘单质：\(\ce{Fe + I2\xlongequal\triangle FeI2}\)。（碘单质氧化性弱于三价铁，因此生成碘化亚铁）
    • 在氧气中燃烧：\(\ce{3Fe + 2O2\xlongequal{点燃}Fe3O4}\)。
    • 与硫单质：\(\ce{Fe + S\xlongequal\triangle FeS}\)。
  • 与盐溶液反应：
    • 能置换出不活泼金属，如 \(\ce{Cu}\)、\(\ce{Ag}\)。
    • 能与 \(\ce{Fe^3+}\) 发生归中反应：\(\ce{Fe + 2Fe^3+\xlongequal\quad 3Fe^2+}\)。
  • 红热的铁能与水蒸气反应：\(\ce{3Fe + 4H2O(g)\xlongequal{高温}Fe3O4 + 4H2}\)。

铁的氧化物

主要有 \(\ce{FeO,Fe2O3}\)（碱性氧化物）以及 \(\ce{Fe3O4}\)（特殊氧化物）。

\(\ce{FeO}\) 是黑色粉末，不稳定，受热被氧化成 \(\ce{Fe3O4}\)。\(\ce{Fe3O4}\) 是黑色晶体，具有磁性。\(\ce{Fe2O3}\) 是红棕色粉末，俗称铁红。

  • 与酸反应：\(\begin{cases}\ce{FeO + 2H+\xlongequal\quad Fe^2+ + H2O}\\\ce{Fe2O3 + 6H+\xlongequal\quad 2Fe^3+ + 3H2O}\\\ce{Fe3O4 + 8H+\xlongequal\quad 2Fe^3+ + Fe^2+ + 4H2O}\end{cases}\)。
  • 二价铁同时具有氧化性和还原性：\(\ce{FeO + CO\xlongequal{高温}Fe + CO2}\)，\(\ce{6FeO + O2\xlongequal\triangle2Fe3O4}\)。
  • 三价铁具有氧化性：\(\ce{Fe2O3 + 3CO\xlongequal{高温}2Fe + 3CO2}\)，\(\ce{Fe3O4 + 4CO\xlongequal{高温}3Fe + 4CO2}\)。

铁的氢氧化物

主要有 \(\ce{Fe(OH)2}\) 和 \(\ce{Fe(OH)3}\)，前者易被氧化成后者。

  • 向二价铁离子溶液中滴加碱溶液：\(\begin{cases}\ce{Fe^2+ + 2OH^-\xlongequal\quad Fe(OH)2 v}\\\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O\xlongequal\quad 4Fe(OH)3}\end{cases}\)。
  • \(\ce{Fe(OH)3}\) 受热分解：\(\ce{2Fe(OH)3\xlongequal\triangle Fe2O3 + 3H2O}\)。\(\ce{Fe(OH)2}\) 隔绝空气加热分解：\(\ce{Fe(OH)2\xlongequal\triangle FeO + H2O}\)。

实验室制备 \(\ce{Fe(OH)2}\) 注意：胶头滴管伸入溶液深处，煮沸蒸馏水配制，煤油或苯液封。

铁盐和亚铁盐

\(\ce{Fe^3+}\)：棕黄色，具有氧化性。

  • 遇 \(\ce{SCN-}\) 变红：\(\ce{Fe^3+ + 3SCN-\xlongequal\quad Fe(SCN)3}\)，注意 \(\ce{Fe(SCN)3}\) 不是沉淀，而是配合物。
  • 遇铁单质被还原成 \(\ce{Fe^2+}\)：\(\ce{2Fe^3+ + Fe\xlongequal\quad 3Fe^2+}\)。

鉴别 \(\ce{Fe^3+}\) 方法：

  • 看溶液颜色；
  • 加 \(\ce{OH-}\) 生成红褐色沉淀；
  • 加 \(\ce{KSCN}\) 溶液变红；
  • 加亚铁氰化钾（\(\ce{K4[Fe(CN)6]}\)）生成蓝色沉淀：\(\ce{[Fe(CN)6]^4- + Fe^3+ + K+\xlongequal\quad KFe[Fe(CN6)] v}\)。

\(\ce{Fe^2+}\)：浅绿色，具有氧化性和还原性。

  • 具有还原性，遇氧化剂被氧化成 \(\ce{Fe^3+}\)：\(\ce{2Fe^2+ + Cl2\xlongequal\quad 2Fe^3+ + 2Cl-}\)。

鉴别 \(\ce{Fe^2+}\) 方法：

  • 看溶液颜色；
  • 加 \(\ce{OH-}\) 先变灰绿色，再变红褐色；
  • 先加 \(\ce{KSCN}\) 无现象，再加 \(\ce{Cl2,H2O2}\) 等氧化剂变红；
  • 加铁氰化钾（\(\ce{K3[Fe(CN)6]}\)）生成蓝色沉淀：\(\ce{[Fe(CN)6]^3- + Fe^2+ + K+\xlongequal\quad KFe[Fe(CN)6] v}\)。

综上，\(\ce{Fe^3+}\) 和 \(\ce{Fe^2+}\) 可以互相转化：\(\ce{Fe^3+<-->[还原剂][氧化剂]Fe^2+}\)。

铁合金

  • 生铁含碳量 \(2\%\sim4.3\%\)，钢含碳量 \(0.03\%\sim2\%\)。
  • 钢的种类：
    • 低碳钢，含碳量低于 \(0.25\%\)，韧性、焊接性好但强度低。
    • 中碳钢，含碳量 \(0.25\%\sim0.6\%\)，强度高、韧性和加工性好。
    • 高碳钢，含碳量高于 \(0.6\%\)，硬而脆。
  • 常用的不锈钢中含 \(\ce{Cr}~18\%\)、含 \(\ce{Ni}~8\%\)。

铝 Al

铝单质

物理性质：良好延展性，密度小，质软。

  • 抗氧化性：表面覆盖致密氧化铝薄膜，起到保护内部金属的作用。\(\ce{4Al + 3O2\xlongequal\quad 2Al2O3}\)。
  • 与（非强氧化性）酸反应：\(\ce{2Al + 6H+\xlongequal\quad 2Al^3+ + 3H2 ^}\)。
  • 置换不活泼金属：\(\ce{2Al + 3Cu^2+\xlongequal\quad 2Al^3+ + 3Cu}\)。
  • 与氯气反应：\(\ce{2Al + 3Cl2\xlongequal\triangle 2AlCl3}\)。注意氯化铝是共价化合物，熔融状态不导电。
  • 铝是两性金属，与强碱溶液反应：\(\ce{2Al + 2OH- + 6H2O\xlongequal\quad2[Al(OH)4]- + 3H2 ^}\)。

铝热反应、冶炼金属铝相关内容见《自然资源的开发利用》。

氧化铝

物理性质：熔点约 2000℃，所以铝熔化会出现熔融而不滴落的现象。

  • 与（非强氧化性）酸反应：\(\ce{Al2O3 + 6H+\xlongequal\quad 2Al^3+ + 3H2O}\)。
  • 氧化铝是两性氧化物，与强碱溶液反应：\(\ce{Al2O3 + 2OH- + 3H2O\xlongequal\quad 2[Al(OH)4]-}\)。

氢氧化铝

两性氢氧化物。

  • 与酸反应：\(\ce{Al(OH)3 + 3H+\xlongequal\quad Al^3+ + 3H2O}\)。
  • 与碱反应：\(\ce{Al(OH)3 + OH^-\xlongequal\quad [Al(OH)4]-}\)。

硫 S

硫单质

物理性质：黄色晶体，质脆，易研成粉末。难溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳。

化学性质活泼。

  • 和金属单质反应：\(\ce{S + Fe\xlongequal\triangle FeS}\)，\(\ce{S + 2Cu\xlongequal\triangle Cu2S}\)（硫化亚铜）。
  • 和非金属单质反应：\(\ce{S + H2\xlongequal\triangle H2S}\)（硫化氢，无色、易燃、酸性，有臭鸡蛋气味），\(\ce{S + O2\xlongequal{点燃}SO2}\)。注意硫和氧气反应不生成三氧化硫。

硫在生活中的化学反应：

  • 银器变黑：\(\ce{2Ag + S\xlongequal\quad Ag2S}\)；
  • 洒落水银时用硫黄降低毒性：\(\ce{Hg + S\xlongequal\quad HgS}\)。
  • 清洗硫：\(\ce{3S + 6NaOH\xlongequal\triangle Na2SO3 + 2Na2S + 3H2O}\)。

二氧化硫

物理性质：无色、有刺激性气味、有毒，密度大于空气，易溶于水。

同时具有氧化性和还原性，还有漂白性，但漂白性较弱：二氧化硫漂白品红是可逆的，且不能使紫色石蕊溶液褪色。

注意 \(\ce{Cl2}\) 和 \(\ce{ClO-}\) 的漂白都是不可逆的。

  • 酸性氧化物的通性：

    • 与碱反应：\(\begin{cases}\ce{SO2 + 2NaOH\xlongequal\quad Na2SO3 + H2O}\\\ce{SO2 + NaOH\xlongequal\quad NaHSO3}\end{cases}\)。可用于吸收二氧化硫。

      少量时生成正盐，过量时生成酸式盐。

    • 与碱性氧化物反应：\(\begin{cases}\ce{SO2 + CaO\xlongequal\quad CaSO3}\\\ce{2CaSO3 + O2\xlongequal\quad 2CaSO4}\end{cases}\)。总反应为 \(\ce{2SO2 + 2CaO + O2\xlongequal\quad 2CaSO4}\)。常用于燃煤脱硫。

    • 与水反应：\(\ce{SO2 + H2O<=>H2SO3}\)。

  • 还原性：

    • 与氧气反应：\(\begin{cases}\ce{2SO2 + O2<=>[催化剂][\triangle]2SO3}\\\ce{SO3 + H2O\xlongequal\quad H2SO4}\end{cases}\)。
    • 与卤素反应：\(\ce{SO2 + X2 + 2H2O\xlongequal\quad 2HX + H2SO4\quad(X = Cl,Br,I)}\)。
    • 与过氧化氢反应：\(\ce{SO2 + H2O2\xlongequal\quad H2SO4}\)。
    • 与过氧化钠反应：\(\ce{SO2 + Na2O2\xlongequal\quad Na2SO4}\)。
    • 与酸性高锰酸钾反应：\(\ce{5SO2 + 2MnO4- + 2H2O\xlongequal\quad 2Mn^2+ + 5SO4^2- + 4H+}\)。现象为溶液褪色。
    • 与三价铁离子反应：\(\ce{SO2 + 2Fe^3+ + 2H2O\xlongequal\quad SO4^2- + 2Fe^2+ + 4H+}\)。

  • 氧化性：

    • 和硫化氢发生归中反应：\(\ce{SO2 + 2H2S\xlongequal\quad 3S + 2H2O}\)。是火山口天然硫的形成原理。

二氧化硫的用途有杀菌消毒、漂白、防腐、制备硫酸等。

硫酸

重要的化工原料。下文主要讨论浓硫酸，具有脱水性、吸水性、强氧化性。

  • 硫酸的制备：一般以硫黄或其他含硫矿物为原料制备硫酸。
    • 第一步，造气：加热或高温条件下硫黄或含硫矿物释放出二氧化硫。\(\begin{cases}\ce{S + O2\xlongequal\triangle SO2}\\\ce{4FeS2 + 11O2\xlongequal{高温}8SO2 + 2Fe2O3}\end{cases}\)。
    • 第二步，催化氧化：二氧化硫经催化剂在加热条件下转化为三氧化硫。\(\ce{2SO2 + O2<=>[V2O5][\triangle]2SO3}\)。
    • 第三步，吸收：\(\ce{SO3 + H2O\xlongequal\quad H2SO4}\)。注意一般不用水吸收，而用 98.3% 的浓硫酸吸收，原因是避免 \(\ce{SO3}\) 和 \(\ce{H2O}\) 反应放热产生大量酸雾，使 \(\ce{H2SO4}\) 汽化逸散，降低产率且污染环境。
  • 脱水性：能脱去有机物中的氢和氧，如 \(\ce{C12H22O11\xlongequal{\ce{浓H2SO4}}12C + 11H2O}\)。
  • 吸水性：
    • 吸水会放大量热。稀释浓硫酸时须酸入水并持续搅拌。
    • 可用作干燥剂，但不能干燥碱性气体（如 \(\ce{NH3}\)）或还原性气体（如 \(\ce{H2S,HI,HBr}\)）。
  • 强氧化性：能氧化大多数金属单质和非金属单质。
    • 和碳单质反应：\(\ce{C + 2H2SO4(浓)\xlongequal\triangle CO2 ^ + 2SO2 ^ + 2H2O}\)。
    • 和铜单质反应：\(\ce{Cu + 2H2SO4(浓)\xlongequal\triangle CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}\)。
  • 难挥发性：浓硫酸沸点很高（337℃，与分子间氢键作用有关），可用于制取低沸点酸。\(\begin{cases}\ce{H2SO4(浓) + NaCl\xlongequal\triangle HCl ^ + NaHSO4}\\\ce{H2SO4(浓) + NaNO3\xlongequal\triangle HNO3 ^ + NaHSO4}\end{cases}\)。
  • 铁、铝等金属遇浓硫酸会发生钝化现象，生成致密氧化膜，因此可以用于装浓硫酸。
  • 检验硫酸根离子：稀盐酸酸化的氯化钡溶液。不能用硝酸酸化，因为硝酸具有强氧化性，可能会把溶液中的 \(\ce{SO3^2-}\) 氧化成 \(\ce{SO4^2-}\)，影响检验。

氮 N

氮气

物理性质：无色无味气体，不可燃不助燃，密度略小于空气，不溶于水。

用途：保护气，液氮当制冷剂。

  • 氮气的制备：\(\ce{NaNO2(aq) + NH4Cl(aq)\xlongequal\triangle N2 ^ + NaCl + 2H2O}\)。

    实际分两步反应：\(\begin{cases}\ce{NaNO2 + NH4Cl\xlongequal\quad NaCl + NH4NO2}\\\ce{NH4NO2\xlongequal\triangle N2 ^ + 2H2O}\end{cases}\)

  • 化学性质：由稳定的氮氮三键（\(\ce{N#N}\)）构成，常温下化学性质稳定。但在高温、放电等条件下能与其他物质发生化合反应。和非金属单质如 \(\ce{N2 + O2\xlongequal{放电或高温}2NO}\)，\(\ce{N2 + 3H2<=>[高温、高压][催化剂]2NH3}\)，和金属单质如 \(\ce{N2 + 6Li\xlongequal\quad 2Li3N}\)（\(\ce{Li}\) 变暗），\(\ce{N2 + 3Mg\xlongequal{点燃}Mg3N2}\)。

    离子型氮化物（如氮化镁）可以和水反应：\(\ce{Mg3N2 + 6H2O\xlongequal\quad 2NH3 ^ + 3Mg(OH)2 v}\)。

  • 氮的固定：指把氮气转化为氮的化合物的过程。

    • 自然固氮：豆科植物根瘤菌能把氮气转化为氨气。
    • 高能固氮：\(\ce{N2 + O2\xlongequal{放电或高温}2NO}\)。
    • 人工固氮：\(\ce{N2->[H2]NH3}\)。

氮的氧化物

拓展：

  • 一氧化二氮（\(\ce{N2O}\)）：俗称笑气，不可燃，有微弱甜味，吸入成瘾，是毒品。
  • 三氧化二氮（\(\ce{N2O3}\)）：非常不稳定。\(\begin{cases}\ce{N2O3\xlongequal\quad NO + NO2}\\\ce{N2O3 + H2O\xlongequal{\rm-10℃}HNO2}\\\end{cases}\)。

主要有一氧化氮（\(\ce{NO}\)）和二氧化氮（\(\ce{NO2}\)）。

一氧化氮是无色无味的有毒气体，不溶于水。

  • 具有还原性，常温下极易与氧气反应：\(\ce{2NO + O2\xlongequal\quad 2NO2}\)。可用于检验一氧化氮。
  • 与氨气在催化剂加热条件下反应生成氮气：\(\ce{6NO + 4NH3\xlongequal[\triangle]{催化剂}{5\,N_2} + 6H2O}\)。
  • 实验室通过硝酸或硝酸盐和还原剂反应制备一氧化氮：\(\ce{3Cu + 8HNO3(稀)\xlongequal\quad 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\)，\(\ce{6KI + 2KNO3 + 4H2SO4\xlongequal\quad 2NO ^ + 3I2 + 4K2SO4 + 4H2O}\)。

二氧化氮是红棕色、有刺激性气味的有毒气体，易液化，易溶于水。

  • 与水反应制硝酸：\(\ce{3NO2 + H2O\xlongequal\quad 2HNO3 + NO}\)。精细实现（将氮气和氧气 4:1 通入）可使得氮元素全部进入硝酸中：\(\ce{4NO2 + O2 + 2H2O\xlongequal\quad 4HNO3}\)。
  • 与氢氧化钠溶液反应：\(\ce{2NO2 + 2NaOH\xlongequal\quad NaNO3 + NaNO2 + H2O}\)。
  • 具有氧化性，能使湿润淀粉碘化钾溶液变蓝。
  • 聚合会生成四氧化二氮：\(\ce{2NO2<=>N2O4}\)。
  • 实验室通过硝酸或硝酸盐和还原剂反应制备二氧化氮：\(\ce{Cu + 4HNO3(浓)\xlongequal\quad Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}\)。

氨和铵盐

氨气无色、有刺激性气味，极易溶于水（1:700），密度小于空气，易液化。

  • 弱碱性：
    • 氨气溶于水生成的一水合氨（\(\ce{NH4*H2O}\)）具有弱碱性：\(\ce{NH3 + H2O<=>NH3*H2O<=>NH4+ + OH-}\)。
    • 氨气能和酸反应生成铵盐：\(\ce{NH3 + H+\xlongequal\quad NH4+}\)。
    • 干燥氨气需用碱性干燥剂（碱石灰、氢氧化钾、氧化钙等）。不能用氯化钙，因为会和氨气反应。
  • 还原性：
    • 与氧气反应，反应条件不同产物不同：\(\begin{cases}\ce{4NH3 + 3O2\xlongequal{点燃}2N2 + 6H2O}\\\ce{4NH3 + 5O2\xlongequal[\triangle]{催化剂}{4\,NO} + 6H2O}\end{cases}\)。由前者可得，氨气是绿色能源。
    • 与氯气反应：\(\ce{2NH3 + 3Cl2\xlongequal{点燃}N2 + 6HCl}\)，然后氯化氢和氨气反应产生氯化铵白烟，可用于检验氯气管道泄漏。
    • 与氧化铜反应：\(\ce{2NH3 + 3CuO\xlongequal\triangle 3Cu + N2 + 3H2O}\)。
    • 与一氧化氮、二氧化氮反应生成氮气：\(\begin{cases}\ce{4NH3 + 6NO\xlongequal[\triangle]{催化剂}{5\,N_2} + 6H2O}\\\ce{8NH3 + 6NO2\xlongequal[\triangle]{催化剂}{7\,N_2} + 12H2O}\end{cases}\)。

铵盐指铵根（\(\ce{NH4+}\)）和酸根形成的盐，大多溶于水，白（无）色晶体。

  • 热不稳定性：受热分解释放出氨气。如 \(\ce{NH4Cl\xlongequal\triangle NH3 ^ + HCl ^}\)。由上文，可得氨气和氯化氢热分解、冷化合。
  • 与碱反应：生成氨气。\(\ce{NH4+ + OH^-\xlongequal\triangle NH3 ^ + H2O}\)。
    • 检验铵盐：加熟石灰混合研磨/加热，或通氢氧化钠溶液微热。
    • 实验室制氨气：熟石灰和铵盐混合加热。\(\ce{Ca(OH)2 + 2NH4Cl\xlongequal\triangle CaCl2 + NH3 ^ + H2O}\)。注意试管口朝下并塞棉花，目的是为了减少氨气与空气对流，使氨气更纯。

酸雨指 pH 值小于 5.6 的雨。防治酸雨的措施：燃煤脱硫，开发新能源，治理汽车尾气等。

硝酸

物理性质：无色、易挥发、有刺激性气味的液体。

  • 不稳定性：浓硝酸见光或受热分解，须保存在棕色试剂瓶中，并存放在阴凉处。\(\ce{4HNO3\xlongequal[或光照]\triangle4NO2 ^ + O2 ^ + 2H2O}\)。
  • 强氧化性：能氧化大多数金属，常见的与铜反应：\(\begin{cases}\ce{3Cu + 8HNO3(稀)\xlongequal\quad 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\\\ce{Cu + 4HNO3(浓)\xlongequal\quad Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}\end{cases}\)。铁和铝遇浓硝酸会钝化，因此可以盛装浓硝酸。
  • 王水：浓硝酸和浓盐酸体积 1:3 的混合物，可以使一些不溶于硝酸的金属如金、铂溶解。

无机非金属材料

分为传统的陶瓷、玻璃、水泥等硅酸盐材料和新型的硅材料。

传统无机非金属材料

主要指硅酸盐材料，由硅、氧和金属元素组成。具有硬度大、熔点高、性质稳定等特点。

陶瓷以黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）为主要原料，经高温烧结而成。

玻璃的主要成分为 \(\ce{Na2SiO3,CaSiO3,SiO2}\)，以纯碱、石灰石和石英砂（主要成分为 \(\ce{SiO2}\)）为主要原料经复杂的物理和化学变化制得。

  • 制玻璃时的反应：\(\begin{cases}\ce{Na2CO3 + SiO2\xlongequal{高温}Na2SiO3 + CO2 ^}\\\ce{CaCO3 + SiO2\xlongequal{高温}CaSiO3 + CO2 ^}\end{cases}\)。
  • 硅酸钠溶液须隔绝空气：\(\ce{Na2SiO3 + H2O + CO2\xlongequal\quad H2SiO3 v + Na2CO3}\)。

水泥的主要成分为硅酸三钙（\(\ce{3CaO*SiO2}\)）、硅酸二钙（\(\ce{2CaO*SiO2}\)）、铝酸三钙（\(\ce{3CaO*Al2O3}\)），以黏土、石灰石为主要原料制得。

硅和二氧化硅

二氧化硅的物理性质：硬度大、熔点高、难溶于水。

  • 具有酸性氧化物通性：
    • 与碱反应：\(\ce{SiO2 + 2OH^-\xlongequal\quad 2SiO3^2- + H2O}\)。
    • 与碱性氧化物反应：\(\ce{SiO2 + CaO\xlongequal{高温}CaSiO3}\)。
  • 具有氧化性：\(\ce{SiO2 + 2C\xlongequal{高温}Si + 2CO ^}\)，用于工业制粗硅。
  • 特性：与氢氟酸反应。\(\ce{SiO2 + 4HF\xlongequal\quad SiF4 + 2H2O}\)。氢氟酸腐蚀玻璃，须保存在塑料瓶中。
  • 二氧化硅常温下不与其他酸反应。

硅是介于金属和非金属之间的半导体材料。具有灰黑色金属光泽，硬度大、熔点高、不溶于水。在自然界中无游离态，只有化合态二氧化硅。

  • 高纯硅的制备：
    • 第一步，利用二氧化硅与焦炭在高温下反应制备粗硅；
    • 第二步，\(\begin{cases}\ce{Si + 3HCl(g)\xlongequal\triangle SiHCl3 + H2}\\\ce{SiHCl3 + H2\xlongequal{高温}Si + 3HCl}\end{cases}\) 或 \(\begin{cases}\ce{Si + 2Cl2\xlongequal\triangle SiCl4}\\\ce{SiCl4 + 2H2\xlongequal{高温}Si + 4HCl}\end{cases}\)。
  • 与氢氟酸反应：\(\ce{Si + 4HF\xlongequal\quad SiF4 + H2 ^}\)。
  • 与氢氧化钠反应：\(\ce{Si + 2NaOH + H2O\xlongequal\quad Na2SiO3 + 2H2 ^}\)。
  • 与氟气反应：\(\ce{Si + 2F2\xlongequal\quad SiF4}\)。
  • 与氧气反应：\(\ce{Si + O2\xlongequal{高温}SiO2}\)。

硅酸为玻璃状无色透明的无定形颗粒，是一种弱酸，酸性甚至弱于碳酸。

  • 硅酸的制备：\(\begin{cases}\ce{Na2SiO3 + H2O + CO2\xlongequal\quad H2SiO3 v + Na2CO3}\\\ce{Na2SiO3 + 2HCl\xlongequal\quad H2SiO3 v + 2NaCl}\end{cases}\)。
  • 与碱反应：\(\ce{H2SiO3 + 2NaOH\xlongequal\quad Na2SiO3 + 2H2O}\)。
  • 硅酸受热分解生成硅胶：\(\ce{H2SiO3\xlongequal\triangle H2O + SiO2}\)。

硅酸钠可用作黏合剂、防水剂，水溶液又称水玻璃。

自然资源的开发利用

金属矿物的开发利用

金、铂等极少数很不活泼金属能够以游离态存在于自然界，直接物理方法收集。

汞、银等不活泼金属用热分解法冶炼，即加热金属化合物使其分解。

  • 汞：\(\ce{2HgO\xlongequal\triangle 2Hg + O2 ^}\)。
  • 银：\(\ce{2Ag2O\xlongequal\triangle 4Ag + O2 ^}\)。

从锌到铜的大多数金属都采取热还原法冶炼，即用还原剂还原金属化合物。还原剂主要包括 \(\ce{H2,C,CO}\) 等。

  • 碳还原氧化铜：\(\ce{C + 2CuO\xlongequal{高温}2Cu + CO2 ^}\)。

  • 一氧化碳还原氧化铁：\(\ce{Fe2O3 + 3CO\xlongequal{高温}2Fe + 3CO2}\)。

  • 活泼金属单质也可作还原剂，如铝热反应：\(\ce{Fe2O3 + 2Al\xlongequal{高温}2Fe + Al2O3}\)。常用于焊接铁轨。

    铝热反应现象：镁条剧烈燃烧，放出大量热，发出耀眼的光，纸漏斗内剧烈反应，纸漏斗被烧穿，有熔融物落入沙中。

很活泼的金属如钠、镁、铝等须用电解法冶炼。

  • 钠：\(\ce{2NaCl(熔融)\xlongequal{电解}2Na + Cl2 ^}\)。

  • 镁：\(\ce{MgCl2(熔融)\xlongequal{电解}Mg + Cl2 ^}\)。

  • 铝：\(\ce{2Al2O3(熔融)\xlongequal[冰晶石]{电解}{4\,Al} + 3O2 ^}\)。

    不能电解氯化铝，因为它是共价化合物。

海水资源的开发利用

  • 海水淡化三种方法：蒸馏法、电渗析法、离子交换法（阴阳离子交换树脂）。
  • 氯碱工业：可以理解为基于氯化钠的工业体系。
    • 电解氯化钠溶液：\(\ce{2NaCl + 2H2O\xlongequal{电解}H2 ^ + Cl2 ^ + 2NaOH}\)。其中 \(\ce{H2}\) 是清洁燃料、合成氨原料，\(\ce{Cl2,NaOH}\) 可作漂白液。
    • 侯氏制碱法：\(\begin{cases}\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O\xlongequal\quad NaHCO3 v + NH4Cl}\\\ce{2NaHCO3\xlongequal\triangle Na2CO3 + H2O + CO2 ^}\end{cases}\)。
  • 海水提溴、海水提镁、海带提碘等工艺，主要原理是利用氧化还原反应提取出其化合物，再通过一定手段提纯，最后通过化合物得到单质。

化石能源的开发利用

天然气以烃为主体，主要是 \(\ce{CH4}\)，用于燃料、合成氨、制甲醇。

煤由有机物和少量无机物组成。开发利用煤主要有干馏、气化和液化等。

  • 干馏：隔绝空气加强热，会得到出炉煤气、煤焦油和焦炭，包含多种有机物。注意是化学变化。
  • 气化：主要指水煤气的合成过程。\(\ce{C + H2O(g)\xlongequal{高温}CO + H2}\)。
  • 液化：分为直接液化、间接液化。直接液化指煤与氢气直接生成液体燃料。间接液化指先转化为水煤气，再在催化剂的作用下合成甲醇等。

石油由多种碳氢化合物组成，组成元素有碳、氢、硫、氮、氧等。石油的加工主要有分馏、裂化、裂解等。

  • 分馏：利用原油中各物质沸点不同可得到不同物质，有重油（\(\ce{C20}\) 及以上）、汽油、柴油、煤油等轻油（\(\ce{C4\sim C18}\)）和石油气（\(\ce{C4}\) 及以下）等。
  • 裂化：加催化剂、加热加压可将重油裂化为轻油（烷烃和烯烃）。
  • 裂解：深度裂化。
posted @ 2026-01-11 22:31  D3509  阅读(22)  评论(0)    收藏  举报