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第四章非金属及其化合物第一次世界大战期间，德军与英、法联军在比利时的伊普尔对峙。黎明时，英、法联军前线战壕的士兵突然看到一股阴森森的黄绿色气体沿着地面逐渐向他们袭来，很快数百名英、法联军战士窒息而死，数千名士兵双目失明，这就是1915年4月22日发生的令人发指的事件，也是世界战争史上的第一次化学战。从此，化学战作为最邪恶的战争被写入了人类战争的史册。这种杀伤力极强的黄绿色气体就是氯气。氯气具有哪些性质？为什么它会使人窒息且沿地面来袭？硅、氮、硫的性质如何？它们形成的化合物还有哪些性质？浓HNO3和浓H2SO4为什么可用铝制或铁制容器贮存和运输？这就是我们这一章的主要学习内容。1．本章主要讨论硅、氯、硫和氮等典型非金属元素及其化合物的性质，安排在第三章“金属及其化合物”之后，是常见无机物及其性质等知识的延续。这些内容既是同学们继续学习化学的基础，也是生活中经常接触、需要了解和应用的化学常识。2．从知识的内容上看，本章可分为四部分。第一部分介绍了硅及其化合物的性质、应用；第二部分介绍了氯气的性质、用途及制法；第三部分介绍了SO2、NO2、NO的性质及其对环境的影响；第四部分介绍了两种重要的强酸——硫酸和硝酸的性质及用途，其次，讨论了氨的性质、制法、用途及铵盐的性质。这四部分内容沿“结构——性质——应用”这一主线，层层深入，并充分发挥氧化还原反应和离子反应等基本理论的指导作用。第一节无机非金属材料的主角—硅1．了解并掌握硅及二氧化硅的性质，了解二者在生产、生活中的应用。(重点)2．掌握硅酸的性质，了解常见硅酸盐的制备、表示方法及其应用。(重点)3．学会运用观察、实验比较、分类等方法来研究物质的性质，体会物质的性质与其用途之间的关系。学习目标4．根据无机非金属材料在生产、生活中的应用来研究材料的性能及应用，认识到材料对生产、生活的影响。5．了解材料的开发应用与化学学科发展之间的关系。学习目标课前自主学习01自主学习·打基础一、硅元素的存在1．存在在地壳中硅的含量为26.3%，仅次于氧；主要以氧化物及硅酸盐的形式存在，因为硅是一种亲氧元素。2．原子结构硅原子的原子结构示意图________最外层有________个电子，反应中既不易失去电子也不易得到电子，能形成________价的化合物。二、二氧化硅1．存在SiO2的存在形态有结晶形和无定形两大类，水晶玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。2．结构SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为1:2的比例组成的立体网状结构的晶体。每个硅原子周围结合4个O原子，每个O周围结合2个Si原子。3．物理性质熔点高；硬度大；溶解性：不溶于水。4.化学性质5．用途(1)沙子是基本的建筑材料。(2)纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。(3)石英和玛瑙制作饰物和工艺品。(4)实验室中使用石英坩埚。三、硅酸1．硅酸的性质(1)弱酸性。向Na2SiO3溶液中通入CO2，反应的化学方程式为1)Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3(胶体)＋Na2CO3或Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3(胶体)＋2NaHCO3结论：H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。(2)不稳定性。H2SiO3受热易分解，反应方程式为_______________________________________________。2．硅酸的制备实验操作实验现象滴加酚酞溶液后溶液呈________色，滴加稀盐酸后溶液变为________色，有______________生成结论Na2SiO3溶液呈________性；滴加稀盐酸后反应的化学方程式为_______________________3.硅酸的存在及用途(1)浓度小时：形成硅酸溶胶。(2)浓度大时：形成硅酸凝胶(3)硅胶。硅酸凝胶经干燥脱水得到的硅酸干凝胶，称为“硅胶”，具有很强的吸水性，常用作干燥剂或催化剂的载体。二、1.结晶无定结晶2．立体网状423．高大不4．SiO2＋CaO=====高温CaSiO3SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2OSiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O5．(2)光导纤维(3)石英玛瑙三、1.(1)Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3(胶体)＋Na2CO3或Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3(胶体)＋2NaHCO3弱(2)H2SiO3=====△SiO2＋H2O2．红无白色胶状沉淀碱Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)3．(1)硅酸溶胶(2)硅酸凝胶(3)硅胶吸水性干燥剂催化剂课堂互动探究02课堂探究·提能力名称SiO2CO2固体组成直接由Si、O两种原子构成的立体网状晶体由CO2分子构成的晶体晶体结构晶体中有无单个分子无SiO2是化学式有CO2是分子式二氧化硅和二氧化碳性质的比较颜色、状态无色透明晶体或白色粉末无色气体熔点高(1723℃)低(－57℃)沸点高(2230℃)低(－18.5℃升华)硬度大小物理性质溶解性不溶于水能溶于水(1：1)类型酸性氧化物、硅酸(或原硅酸)的酸酐酸性氧化物、碳酸的酸酐与碱性氧化物的反应SiO2＋CaO=====高温CaSiO3CO2＋CaO=====△CaCO3化学性质与碱反应SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2OCO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O与盐反应SiO2＋Na2CO3=====高温Na2SiO3＋CO2↑Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO与水反应不反应CO2＋H2OH2CO3与氢氟酸反应SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O不反应化学性质与碳反应SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑CO2＋C=====高温2CO1．SiO2既能与氢氟酸反应，又能与NaOH溶液反应，能否说SiO2是两性氧化物？答：尽管SiO2能与氢氟酸反应得到盐“SiF4”和H2O，但是SiO2不能和其他酸反应，只能和NaOH、KOH等强碱反应生成盐和水，所以SiO2只是酸性氧化物而不是两性氧化物。2．既然SiO2能和NaOH溶液反应，为什么还可以用玻璃瓶盛放NaOH溶液？答：因为NaOH与SiO2反应非常缓慢，且玻璃瓶内壁光滑，更不易发生反应。但需注意的是不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH溶液，因为磨口增大了SiO2与NaOH溶液的接触面积，促进了反应的进行，会导致瓶塞与瓶体黏结在一起，使试剂瓶难以开启。3．二氧化硅不溶于水，不与水反应，为什么还称二氧化硅是硅酸的酸酐？答：酸酐的定义是某酸脱去一分子的水，所剩下的部分称为该酸的酸酐，所以酸酐不一定都能与水反应生成相应的酸。【例1】下列叙述正确的是()A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似B．因为CaCO3＋SiO2=====高温CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物【思路分析】此题要从物质的性质入手分析，特别注意CO2与SiO2性质的异同点。【标准答案】CCO2的熔、沸点低，SiO2的熔、沸点高，硬度大，两者都是酸性氧化物，但其物理性质差异很大，A错；高温下SiO2与CaCO3反应是因为产物CO2为气体，不能说明H2CO3的酸性比H2SiO3的弱，B错；SiO2只能与HF反应，不能与其他酸反应，不能说明SiO2是两性氧化物，D错。下列关于二氧化硅的说法中错误的是()A．同二氧化碳一样，二氧化硅分子是由一个硅原子和两个氧原子构成的B．通常状况下，二氧化碳为气体，二氧化硅为固体C．SiO2同CO2一样也能与CaO反应生成盐D．SiO2仅用来表示二氧化硅的组成，其基本结构单元为正四面体解析：二氧化硅是由原子直接构成的，不存在二氧化硅分子。故正确答案为A。答案：A一、碳酸与硅酸的比较1．二氧化碳的对应水化物是碳酸(H2CO3)，CO2是碳酸的酸酐。碳酸是酸性比次氯酸、氢硫酸和硅酸酸性略强的二元弱酸，其电离方程式为：H2CO3H＋＋HCO－3(很弱)HCO－3H＋＋CO2－3(更弱)硅酸的制备和性质2．碳酸的热稳定性极弱，只能在极稀溶液中存在，且有：CO2＋H2OH2CO3，故通常用CO2的水溶液代替碳酸。CO2＋H2O＋Ca(ClO)2===CaCO3↓＋2HClOCaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑3．H2CO3和H2SiO3的比较H2CO3H2SiO3酸性均为弱酸，且酸性：H2CO3＞H2SiO3水溶性能溶于水难溶于水稳定性常温下易分解生成CO2和H2O受热易分解，化学方程式为H2SiO3SiO2＋H2O转化关系Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓二、硅酸的制备1．硅酸是常见酸中唯一不溶于水的酸，硅酸的酸酐是SiO2，但SiO2不溶于水，不能用SiO2与H2O反应直接制H2SiO3。硅酸的制法只能用相应的可溶性硅酸盐跟其他酸反应来制取硅酸，反应的化学方程式为：Na2SiO3＋2HCl＋H2O===2NaCl＋H4SiO4↓(原硅酸)H4SiO4===H2O＋H2SiO3(硅酸)习惯上省去生成原硅酸这一中间过程，可直接写为：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。生成的H2SiO3逐渐聚合而形成胶体溶液——硅酸溶液，硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称为“硅胶”。硅胶多孔，吸附水分能力强，常用作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。2.由氧化物制备相应酸或氢氧化物的规律1．SiO2不与水反应，实验室里是根据什么化学原理来制备H2SiO3的？答：根据“强酸制弱酸”的原理，用可溶性硅酸盐与其他酸反应制取。例如：Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3(胶体)＋2NaClNa2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3(胶体)＋Na2CO3或Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3(胶体)＋2NaHCO3。根据此原理，可设计比较酸性强弱的实验来证明酸性：盐酸碳酸硅酸。2．初中化学中提到，制造玻璃时发生如下反应：Na2CO3＋SiO2=====高温Na2SiO3＋CO2↑。该反应能否说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？为什么？答：SiO2与Na2CO3反应，是在高温下，且生成的产物是CO2气体，可以脱离反应体系，并不能说明H2SiO3酸性强于H2CO3。【例2】为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。请据此回答：(1)圆底烧瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。(2)装置B所盛的试剂是________，其作用是________。(3)装置C所盛试剂是________，C中反应的离子方程式是________。(4)由此可得出的结论是：酸性________________________。【思路分析】目的：判断酸性强弱→酸性：HClH2CO3H2SiO3↓原理：“强酸制弱酸”→HCl制取H2CO3、H2CO3制取H2SiO3↓措施：排除HCl的干扰→B中应盛放饱和NaHCO3溶液【解析】根据“强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐”分析可知，分液漏斗中盛装盐酸，A中盛放Na2CO3溶液，根据Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑，可以知道酸性HCl强于H2CO3，然后将生成的CO2通入Na2SiO3溶液中，反应为Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，由此判断酸性H2CO3H2SiO3，但需注意的是A中反应会有HCl气体逸出，故通入Na2SiO3溶液前需将HCl吸收，但不能吸收CO2，故可选用饱和NaHCO3溶液。【标准答案】(1)盐酸(2)饱和NaHCO3溶液吸收HCl气体(3)Na2SiO3溶液SiO2－3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO2－3(4)HClH2