2025年上學(xué)期高一化學(xué)專題突破（非金屬及其化合物）一、硅及其化合物：無機(jī)非金屬材料的基石硅在地殼中的含量?jī)H次于氧，達(dá)26.3%，其單質(zhì)及化合物構(gòu)成了龐大的無機(jī)非金屬材料家族。晶體硅具有正四面體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高達(dá)1410℃，硬度大且導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于芯片制造和太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。工業(yè)上通過碳還原二氧化硅制備粗硅：SiO?+2C=高溫=Si+2CO↑，粗硅進(jìn)一步經(jīng)HCl氯化和氫氣還原可制得純度達(dá)99.9999%的高純硅。二氧化硅作為硅的最重要化合物，存在石英、水晶、瑪瑙等多種形態(tài)，其晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，具有高硬度（莫氏硬度7）和高熔點(diǎn)（1723℃）的特性。化學(xué)性質(zhì)方面，二氧化硅表現(xiàn)出酸性氧化物的通性，能與強(qiáng)堿反應(yīng)生成硅酸鹽：SiO?+2NaOH=Na?SiO?+H?O，因此實(shí)驗(yàn)室盛放NaOH溶液的試劑瓶需使用橡膠塞而非玻璃塞。值得注意的是，二氧化硅能與唯一的無機(jī)酸HF反應(yīng)：SiO?+4HF=SiF?↑+2H?O，該反應(yīng)被用于玻璃蝕刻和半導(dǎo)體工業(yè)的晶圓加工。硅酸（H?SiO?）是一種難溶于水的弱酸，酸性弱于碳酸，可通過可溶性硅酸鹽與酸反應(yīng)制備：Na?SiO?+2HCl=2NaCl+H?SiO?↓。硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水后形成的硅膠具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積可達(dá)800-1000m2/g，是優(yōu)良的干燥劑和催化劑載體。硅酸鹽材料是傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的主體，陶瓷以黏土為原料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，其主要成分為Al?O?·2SiO?·2H?O；普通玻璃由純堿、石灰石和石英砂在1550-1600℃高溫下熔融制得，主要成分為Na?O·CaO·6SiO?；水泥則以黏土和石灰石為原料，在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒后加入石膏調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，其主要礦物組成為硅酸三鈣（3CaO·SiO?）、硅酸二鈣（2CaO·SiO?）和鋁酸三鈣（3CaO·Al?O?）。新型無機(jī)非金屬材料中，碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，具有類似金剛石的四面體結(jié)構(gòu)，硬度高達(dá)莫氏9.2，耐高溫性能優(yōu)異，可用于制造砂輪和高溫結(jié)構(gòu)部件；氮化硅（Si?N?）陶瓷強(qiáng)度高、韌性好，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理想材料；而由二氧化硅制成的光導(dǎo)纖維，其光信號(hào)傳輸損耗僅為0.2dB/km，比傳統(tǒng)電纜通信容量大100倍以上，徹底改變了現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)的格局。二、氯及其化合物：富集在海水中的活潑元素氯元素在自然界中主要以NaCl形式存在于海水（約含2.7%NaCl）和巖鹽礦中，海水中氯的總量高達(dá)3.5×101?噸，是取之不盡的氯資源寶庫(kù)。氯氣（Cl?）是黃綠色有強(qiáng)烈刺激性氣味的有毒氣體，密度為3.214g/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），易液化得到液氯（沸點(diǎn)-34.6℃），可儲(chǔ)存于鋼瓶中運(yùn)輸和使用。氯氣的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，具有強(qiáng)氧化性，能與絕大多數(shù)金屬和非金屬直接化合。與金屬反應(yīng)時(shí)，氯氣能將變價(jià)金屬氧化至最高價(jià)態(tài)，如：2Fe+3Cl?=點(diǎn)燃=2FeCl?（棕褐色煙），Cu+Cl?=點(diǎn)燃=CuCl?（棕黃色煙）。與非金屬反應(yīng)方面，氫氣在氯氣中安靜燃燒產(chǎn)生蒼白色火焰，生成的HCl氣體遇水蒸氣形成白霧：H?+Cl?=點(diǎn)燃=2HCl。工業(yè)上利用該反應(yīng)在合成塔中生產(chǎn)鹽酸，通過控制氫氣與氯氣的體積比（1:1.05）和燃燒溫度（2000℃左右），可實(shí)現(xiàn)HCl的高效合成。氯氣與水的反應(yīng)具有重要意義：Cl?+H?O?HCl+HClO，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，25℃時(shí)平衡常數(shù)K=4.2×10??。氯水中存在Cl?、H?O、HClO、H?、Cl?、ClO?、OH?七種微粒，其中HClO具有強(qiáng)氧化性（E°=1.49V），能殺死水中的細(xì)菌和病毒，因此氯氣被廣泛用于自來水消毒（通常加入量為0.5-2mg/L）。HClO不穩(wěn)定，在光照條件下易分解：2HClO=光照=2HCl+O?↑，這也是氯水需避光保存的原因。漂白粉和漂白液是氯的重要含氧化合物應(yīng)用。將氯氣通入冷的石灰乳[Ca(OH)?]可制得漂白粉：2Cl?+2Ca(OH)?=CaCl?+Ca(ClO)?+2H?O，其有效成分為次氯酸鈣[Ca(ClO)?]，在酸性條件下能釋放出HClO：Ca(ClO)?+2HCl=CaCl?+2HClO。工業(yè)上采用氯氣與NaOH溶液反應(yīng)制備漂白液：Cl?+2NaOH=NaCl+NaClO+H?O，所得溶液中NaClO濃度約為10-15%，可直接用于織物漂白和污水處理。氯離子（Cl?）的檢驗(yàn)需在酸性條件下進(jìn)行，先用稀硝酸酸化排除CO?2?、SO?2?等離子干擾，再加入AgNO?溶液，若產(chǎn)生白色AgCl沉淀則證明存在Cl?：Ag?+Cl?=AgCl↓（Ksp=1.8×10?1?）。該反應(yīng)靈敏度極高，可檢測(cè)低至0.1ppm的Cl?濃度，在水質(zhì)分析和工業(yè)過程控制中具有重要應(yīng)用。三、硫及其化合物：價(jià)態(tài)多變的非金屬家族硫元素具有-2、0、+4、+6等多種價(jià)態(tài)，形成了豐富的化合物體系。硫單質(zhì)有斜方硫（α-S）和單斜硫（β-S）兩種同素異形體，其分子均由S?環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成，兩者在95.5℃時(shí)發(fā)生相變。硫單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為既有氧化性又有還原性，與金屬反應(yīng)時(shí)通常生成低價(jià)硫化物（如FeS、Cu?S），與非金屬反應(yīng)則表現(xiàn)還原性（如與O?反應(yīng)生成SO?）。二氧化硫（SO?）是一種無色有刺激性氣味的氣體，密度為2.857g/L，易溶于水（20℃時(shí)溶解度為11.2g/100mL），其水溶液稱為亞硫酸（H?SO?），為中強(qiáng)酸（Ka?=1.3×10?2，Ka?=6.3×10??）。SO?具有漂白性，能與品紅等有機(jī)色素結(jié)合生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)，但這種漂白作用是可逆的，加熱后會(huì)恢復(fù)原色。在氧化還原性質(zhì)方面，SO?既具有還原性（可被O?、Cl?、KMnO?等氧化），也具有弱氧化性（能氧化H?S）：2H?S+SO?=3S↓+2H?O。三氧化硫（SO?）在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為無色針狀晶體（熔點(diǎn)16.8℃，沸點(diǎn)44.8℃），工業(yè)上通過V?O?催化SO?氧化制備：2SO?+O??2SO?（ΔH=-196.6kJ/mol），該反應(yīng)在接觸法制備硫酸中至關(guān)重要，通常在450℃、1-10atm條件下進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%以上。SO?具有強(qiáng)氧化性和吸水性，與水劇烈反應(yīng)生成硫酸并釋放大量熱：SO?+H?O=H?SO?（ΔH=-130.3kJ/mol），該反應(yīng)常用于工業(yè)硫酸的濃縮。硫酸是硫的最高價(jià)含氧酸，純硫酸為無色油狀液體（密度1.84g/cm3），具有三大特性：吸水性（可吸收物質(zhì)中的結(jié)晶水和游離水）、脫水性（能將有機(jī)物中的H、O按2:1比例脫去）和強(qiáng)氧化性。濃硫酸的氧化性體現(xiàn)在加熱條件下能與多數(shù)金屬（如Cu、Ag）和非金屬（如C、S）反應(yīng)：Cu+2H?SO?(濃)=△=CuSO?+SO?↑+2H?O，C+2H?SO?(濃)=△=CO?↑+2SO?↑+2H?O。常溫下，濃硫酸能使Fe、Al等金屬發(fā)生鈍化，形成致密的氧化膜（厚度約5-10nm），阻止反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，這一性質(zhì)被用于濃硫酸的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。硫的化合物在環(huán)境化學(xué)中具有重要影響。二氧化硫是主要大氣污染物之一，其主要來源為化石燃料燃燒（約占80%）和金屬冶煉。SO?在大氣中可通過兩種途徑轉(zhuǎn)化為硫酸：2SO?+O?+2H?O=2H?SO?（催化氧化，催化劑為大氣中的顆粒物），SO?+H?O?=H?SO?（非催化氧化）。當(dāng)降水pH值小于5.6時(shí)形成酸雨，會(huì)造成土壤酸化（使Ca2?、Mg2?淋溶）、水體酸化（影響水生生物）和建筑材料腐蝕（如大理石：CaCO?+H?SO?=CaSO?+CO?↑+H?O）。我國(guó)通過實(shí)施脫硫脫硝工程，已使SO?排放量從2010年的2267萬噸降至2024年的780萬噸，酸雨發(fā)生率顯著下降。四、氮及其化合物：生命元素的轉(zhuǎn)化循環(huán)氮元素是組成蛋白質(zhì)和核酸的基本元素，在自然界中以N?（占空氣體積的78.08%）、硝酸鹽、銨鹽等形式存在。氮?dú)夥肿右虼嬖贜≡N三鍵（鍵能946kJ/mol）而性質(zhì)穩(wěn)定，工業(yè)上通過分離液態(tài)空氣（沸點(diǎn)-195.8℃）制取氮?dú)?，?shí)驗(yàn)室則常用加熱NH?Cl和NaNO?的混合物制備：NH?Cl+NaNO?=△=NaCl+N?↑+2H?O。氮的固定是將N?轉(zhuǎn)化為含氮化合物的過程，主要包括自然固氮（如閃電固氮：N?+O?=放電=2NO，每年約1.0×10?噸）、生物固氮（如根瘤菌，每年約1.7×10?噸）和工業(yè)固氮（哈伯法，每年約1.5×10?噸）。氨氣（NH?）是氮的最重要?dú)浠铮瑯?biāo)準(zhǔn)狀況下為無色有刺激性氣味的氣體（密度0.771g/L），極易溶于水（20℃時(shí)溶解度700體積/體積），其水溶液稱為氨水。氨分子具有極性（偶極矩1.47D）和堿性，能與酸反應(yīng)生成銨鹽：NH?+HCl=NH?Cl（產(chǎn)生白煙）。工業(yè)合成氨采用哈伯-博施法：N?+3H??2NH?（ΔH=-92.4kJ/mol），該反應(yīng)在鐵催化劑（主要成分為Fe?O?，添加K?O、Al?O?為助催化劑）作用下，于400-500℃、15-30MPa條件下進(jìn)行，單程轉(zhuǎn)化率約15-20%，通過循環(huán)操作可使總轉(zhuǎn)化率達(dá)97%以上。銨鹽是氨與酸反應(yīng)的產(chǎn)物，均為易溶于水的晶體。銨鹽的重要化學(xué)性質(zhì)包括熱分解和與堿反應(yīng)：NH?Cl=△=NH?↑+HCl↑（冷卻后重新結(jié)合），(NH?)?CO?=△=2NH?↑+CO?↑+H?O↑，NH??+OH?=△=NH?↑+H?O。其中與堿反應(yīng)產(chǎn)生氨氣的性質(zhì)被用于銨鹽的檢驗(yàn)和氨氣的實(shí)驗(yàn)室制備，實(shí)驗(yàn)室常用NH?Cl與Ca(OH)?反應(yīng)：2NH?Cl+Ca(OH)?=△=CaCl?+2NH?↑+2H?O，采用向下排空氣法收集氨氣，并通過濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙（變藍(lán)）或蘸有濃鹽酸的玻璃棒（產(chǎn)生白煙）進(jìn)行檢驗(yàn)。氮的氧化物種類繁多，包括NO、NO?、N?O、N?O?、N?O?、N?O?等，其中NO和NO?是最重要的大氣污染物。一氧化氮（NO）為無色氣體，遇空氣立即被氧化為NO?：2NO+O?=2NO?（棕紅色氣體）。二氧化氮與水反應(yīng)是工業(yè)制硝酸的基礎(chǔ)：3NO?+H?O=2HNO?+NO，該反應(yīng)中NO?既作氧化劑又作還原劑，氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為2:1。氮氧化物是光化學(xué)煙霧的主要成因，在紫外線照射下，NO?分解產(chǎn)生O原子：NO?=hv=NO+O，O與O?結(jié)合形成O?，O?與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成醛、酮等刺激性物質(zhì)，對(duì)人體呼吸系統(tǒng)和眼睛有強(qiáng)烈刺激作用。硝酸（HNO?）是三大強(qiáng)酸之一，工業(yè)上采用氨氧化法制備：4NH?+5O?=催化劑△=4NO+6H?O（鉑銠合金催化），2NO+O?=2NO?，3NO?+H?O=2HNO?+NO。硝酸具有強(qiáng)氧化性，其氧化性隨濃度增大而增強(qiáng)，與金屬反應(yīng)時(shí)，濃硝酸通常被還原為NO?，稀硝酸則被還原為NO：Cu+4HNO?(濃)=Cu(NO?)?+2NO?↑+2H?O，3Cu+8HNO?(稀)=3Cu(NO?)?+2NO↑+4H?O。值得注意的是，常溫下濃硝酸能使Fe、Al鈍化，而金、鉑等貴金屬只能溶于王水（濃硝酸與濃鹽酸體積比1:3）。硝酸鹽在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用作氮肥，如硝酸銨（NH?NO?，含氮量35%）、硝酸鉀（KNO?，含氮量13.8%）等，但某些硝酸鹽（如KNO?、NH?NO?）具有強(qiáng)氧化性，受熱或撞擊易分解爆炸，需妥善儲(chǔ)存和運(yùn)輸。亞硝酸鹽（如NaNO?）是重要的食品添加劑（用于肉類防腐和發(fā)色），但過量攝入會(huì)導(dǎo)致高鐵血紅蛋白血癥，我國(guó)規(guī)定肉制品中亞硝酸鹽殘留量不得超過30mg/kg。五、非金屬元素性質(zhì)比較與綜合應(yīng)用非金屬元素在周期表中位于右上角區(qū)域（H除外），其原子最外層電子數(shù)較多（≥4），傾向于獲得電子形成陰離子。比較硅、氯、硫、氮四種元素的電負(fù)性（鮑林標(biāo)度）：N(3.04)>Cl(3.16)>S(2.58)>Si(1.90)，電負(fù)性越大，元素的非金屬性越強(qiáng)。第一電離能方面，N(1402kJ/mol)>Cl(1251kJ/mol)>S(1000kJ/mol)>Si(787kJ/mol)，反映出失去電子的難易程度。氫化物的穩(wěn)定性是元素非金屬性強(qiáng)弱的重要標(biāo)志，四種元素氫化物的穩(wěn)定性順序?yàn)椋篐Cl(鍵能431kJ/mol)>NH?(391kJ/mol)>H?S(339kJ/mol)>SiH?(323kJ/mol)。氫化物的水溶液酸堿性差異顯著：HCl、H?S為酸性（HCl是強(qiáng)酸，H?S為二元弱酸），NH?為堿性，SiH?不溶于水。氧化物的水化物酸性順序?yàn)椋篐ClO?(Ka?≈10?)>H?SO?(Ka?=1.0×103)>HNO?(Ka=20.4)>H?SiO?(Ka?=1.7×10?1?)，符合"同一周期從左到右酸性增強(qiáng)，同一主族從上到下酸性減弱"的規(guī)律。在氧化還原反應(yīng)中，非金屬元素的價(jià)態(tài)變化呈現(xiàn)規(guī)律性：Cl主要表現(xiàn)-1、0、+1、+3、+5、+7價(jià)，S有-2、0、+4、+6價(jià)，N則有-3、0、+1、+2、+3、+4、+5價(jià)，Si通常為+4價(jià)（穩(wěn)定價(jià)態(tài)）。典型的歧化反應(yīng)如：Cl?+2NaOH=NaCl+NaClO+H?O（Cl元素從0價(jià)變?yōu)?1和+1價(jià)），3NO?+H?O=2HNO?+NO（N元素從+4價(jià)變?yōu)?5和+2價(jià)）。歸中反應(yīng)如：2H?S+SO?=3S↓+2H?O（S元素從-2和+4價(jià)變?yōu)?價(jià)），6HCl+KClO?=KCl+3Cl?↑+3H?O（Cl元素從-1和+5價(jià)變?yōu)?價(jià)）。非金屬元素化合物在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體工業(yè)中，高純度硅（99.9999999%）用于制造CPU芯片和太陽(yáng)