化学自习室移动版

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、食品中添加适量SO₂可起到漂白、防腐、抗氧化作用。葡萄酒中一般都添加适量SO₂。

但如果使用不当，会对人体健康产生不利影响。

2、工业制硫酸：以硫磺或含硫矿物(如黄铁矿FeS₂)为原料来制备硫酸；金属冶炼时产生的含二氧化硫废气经回收后也可用于制备硫酸。

化学方程式：

(1)S＋O₂=点燃=SO₂

4FeS₂＋11O₂=点燃=2Fe₂O₃＋8SO₂

(2)2SO₂＋O₂⇌催化剂/Δ⇌2SO₃

(3)SO₃＋H₂O=H₂SO₄

用浓硫酸吸收SO₃而不用水吸收的原因是，水吸收放热易产生酸雾，反而降低吸收效率。

3、几种硫酸盐

(1)硫酸钙：自然界中的硫酸钙常以石膏(CaSO₄·2H₂O)的形式存在。石膏被加热到150°C时，会失去所含大部分结晶水而变成熟石膏(2CaSO₄·H₂O)。熟石膏与水混合成糊状物后会很快凝固，重新变成石膏。利用这种性质，石膏可被用来制作各种模型和医疗用的石膏绷带。

在工业上，石膏还被用来调节水泥的硬化速率。

(2)硫酸钡：自然界中的硫酸钡以重晶石(BaSO₄)的形式存在。

重晶石是生产其他钡盐的原料。起始反应为：BaSO₄＋4C=高温=BaS＋4CO↑，然后BaS通过水解制Ba(OH)₂，通过与酸反应得到BaCl₂、Ba(NO₃)₂等。

硫酸钡不溶于水和酸，且不容易被x射线透过，因此在医疗上可被用作消化系统x射线检查的内服药剂，俗称“钡餐”。

Ba(OH)₂、BaCl₂、Ba(NO₃)₂、BaCO₃等都有毒。

(3)硫酸铜：硫酸铜(CuSO₄)是白色的粉末，结合水后会变成蓝色晶体，俗称胆矾(CuSO₄·5H₂O)。

硫酸铜的这一性质可以用来检验酒精中是否含少量水。

胆矾可以和石灰乳混合制成一种常用的农药——波尔多液。

4、自然界中硫的存在及转化

硫元素广泛存在于自然界中，是植物生长不可缺少的元素，组成生命体的蛋白质中就含有硫。

(1)游离态的硫：存在于火山口附近或地壳的岩层中。

(2)硫化物：在岩层深处和海底的无氧环境下，硫元素与铁、铜等金属元素形成的化合物通常以硫化物的形式存在，如黄铁矿(FeS₂)、黄铜矿(CuFeS₂)等。

(3)硫酸盐：在地表附近，由于受氧气和水的长期作用，硫化物会转化为硫酸盐，如石膏(CaSO₄·2H₂O)、芒硝(Na₂SO₄·10H₂O)等。

(4)二氧化硫、三氧化硫、亚硫酸、硫酸：火山口附近的硫单质会被大气中亚硫酸和硫酸的氧气氧化成二氧化硫，二氧化硫可被进一步氧化生成三氧化硫，二氧化硫和三氧化硫遇水分别形成亚硫酸和硫酸。

5、化学实验设计

化学实验设计是指实验者在实施化学实验之前，根据一定的实验目的，运用化学知识与技能，按照一定的实验方法，对实验的原理、试剂、仪器与装置、步骤和方法等所进行的规划。

进行化学实验设计时，应遵循科学性、可行性、安全性和绿色化原则。

化学实验设计一般以实验设计方案的形式呈现，通常包括实验课题、实验目的、实验原理、实验仪器与试剂、实验步骤及注意事项、实验数据及处理、实验结论与讨论等。

6、浓硫酸与蔗糖的实验：将适量的蔗糖放入烧杯中，加入几滴水，搅拌均匀；然后再加入适量浓硫酸，迅速搅拌，观察到蔗糖逐渐变黑，体积膨胀，并产生有刺激性气味的气体。

第二节 氮及其化合物

1、氮的固定：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程。

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，从而实现自然固氮。

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是工业合成氨。

自然界中氮的循环：

2、1909年，德国化学家哈伯发现，在500~600°C、17.5MPa~20.0MPa和锇为催化剂的条件下，反应后氨的含量可超过6%，具备了工业化生产的可能性。

德国工程师博施在把哈伯合成氨的实验室方法转化为规模化的工业生产作出了重要贡献。

合成氨在很大程度上解决了地球上因粮食不足而导致的饥饿问题，是化学和技术对社会发展与进步的巨大贡献。

3、王水：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。

Au＋HNO₃＋4HCl=H[AuCl₄]＋NO↑＋2H₂O

3Pt＋4HNO₃＋18HCl=3H₂[PtCl₆]＋4NO↑＋8H₂O

4、氨很容易液化，液化时放热。液氨汽化时要吸收大量的热，使周围温度急剧降低。液氨可用作制冷剂。

5、工业制硝酸：原理是将氨经过一系列反应得到硝酸。

6、酸雨形成原理

正常雨水由于溶解了二氧化碳，其pH约为5.6，而酸雨的pH小于5.6。

氮氧化物和硫氧化物在空气中转化为硝酸和硫酸，随雨水降落。

7、硝酸一般盛放在棕色试剂瓶中。

铜丝与稀硝酸反应的现象：铜丝逐渐变细，有无色气泡产生，溶液变蓝，气体遇空气变为红棕色。

铜丝与浓硝酸反应的现象：铜丝逐渐变细，有红棕色气体产生，溶液变绿。

第三节 无机非金属材料

1、硅酸盐的结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。

2、传统无机非金属材料的制作

(1)陶瓷以黏土(主要成分是含水的铝硅酸盐)为原料高温烧结而成。

(2)玻璃的主要成分是Na₂SiO₃、CaSiO₃、SiO₂，它是以纯碱、石灰石、石英砂为原料，在玻璃窑中熔融，然后制成。

加铅元素后透光性好，折射率高。加硼酸盐后耐化学腐蚀，耐温度急剧变化。加一些金属氧化物或盐得到彩色玻璃。

(3)水泥用黏土、石灰石为主要原料在水泥回转窑中煅烧，加入适量石膏，磨成细粉制成。

水泥、沙子、碎石与水混合得到混凝土。

3、制备高纯硅

SiO₂＋2C=1800~2000℃=Si＋2CO↑

Si＋3HCl=300℃=SiHCl₃＋H₂

SiHCl₃＋H₂=1100℃=Si＋3HCl

4、碳化硅，俗称金刚砂。水晶、玛瑙的主要成分是SiO₂。

5、新型陶瓷：

高温结构陶瓷(碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成)。

压电陶瓷(钛酸盐和锆酸盐等)。

透明陶瓷(氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷)。

超导陶瓷。

6、碳纳米材料

富勒烯：由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C₆₀是富勒烯的代表物。

碳纳米管：石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、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，电阻率低、热导率高、强度高。石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。

四、课后题中的知识

1、氢氟酸是HF的水溶液。与SiO₂反应，能溶蚀玻璃。化学方程式为：SiO₂＋4HF=SiF₄↑＋2H₂O。

2、Na₂SiO₃的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可用作黏合剂和防火剂。

实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞。

3、氮化硅(Si₃N₄)熔点高，硬度大，电绝缘性好，化学性质稳定，是一种性能优异的无机非金属材料。

由石英、焦炭在高温的氮气流中制备。化学方程式为：

3SiO₂＋6C＋2N₂=高温=Si₃N₄＋6CO。

第六章 化学反应与能量

第一节 化学反应与能量变化

1、新能源有太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。

2、化石燃料在利用过程中面临的问题：一是其短期内不可再生，储量有限。

二是产品燃烧排放的粉尘、SO₂、NOx 、CO 等是大气污染物的主要来源。

3、节能要充分有效地利用能源。一个是提高燃料的燃烧效率；另一个是提高能源利用率。

4、普通锌锰电池的总反应：Zn＋2MnO₂＋2NH₄Cl=Mn₂O₃＋2NH₃＋ZnCl₂＋H₂O

铅酸蓄电池的总反应：Pb＋PbO₂＋2H₂SO₄=放电/充电=2PbSO₄＋2H₂O

5、电流表的指针偏转方向，偏向于正极。

第二节 化学反应的速率与限度

1、变量控制

科学研究中，对于多因素(多变量)的问题，常常采用只改变其中的某一个因素，控制其他因素不变的研究方法，使多因素的问题变成几个单因素的问题，分别加以研究，最后再将几个单因素问题的研究结果加以综合。这种变量控制的方法是科学探究中常用的方法。

2、冰敷袋常见的三种成分：

(1)冰 (2)NH₄NO₃与水 (3)NH₄NO₃与Na₂CO₃·10H₂O

3、硫代硫酸钠与硫酸反应会生成不溶于水的硫：

Na₂S₂O₃＋H₂SO₄=Na₂SO₄＋SO₂↑＋S↓＋H₂O

第七章 有机化合物

第一节 认识有机化合物

天然气、沼气、煤层气、坑道气的主要成分是甲烷。

护肤品、医用软膏中的“凡士林”和蜡烛、蜡笔中的石蜡，其主要成分是含碳原子数较多的烷烃。

第二节 乙烯与有机高分子材料

1、乙烯的产量可以用来衡量一个国家石油化学工业的发展水平。

乙烯是一种植物生长调节剂，用于催熟果实。

2、苯的历史

(1)₁₉ 世纪初，英国科学家法拉第发现了苯，并称为“氢的重碳化合物”。

(2)法国化学家热拉尔等人又确定了苯的相对分子质量为78，分子式为C₆H₆。

(3)奥地利化学家洛施密特曾提出苯具有环状结构。

(4)德国化学家凯库勒认为，苯分子中6个碳原子形成闭合的环状结构，由碳原子以单、双键相互交替结合而成(凯库勒式)。

(5)实际上，苯分子具有平面正六边形结构，相邻碳原子之间的键完全相同，其键长介于碳碳单键和碳碳双键的键长之间。

3、常见塑料

(1)聚乙烯：PE，无毒，耐寒，易老化，制成薄膜，用于食品、药品的包装材料等。

(2)聚氯乙烯：PVC，有毒，热稳定性差，机械强度好。制成薄膜、管道等。

(3)聚苯乙烯：PS，无毒，耐热性差，制成泡沫塑料等。

(4)聚四氟乙烯：PTFE，耐低温、高温。制成化工、医药等儾和的耐腐蚀、耐高温、耐低温产品。

(5)聚丙烯：PP，无毒，易老化。制成薄膜、管道、包装材料等

(6)聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)：PMA，透光性好，耐磨性差。

(7)脲醛塑料(电玉)：UF，耐高温。制成电器开关、插座等。

4、纤维

(1)天然纤维：棉花、羊毛、蚕丝和麻等。

(2)再生纤维(用化学方法将农林产品中的纤维素、蛋白质等天然高分子加工成黏胶纤维、大豆蛋白纤维等再生纤维)。

(3)合成纤维(以石油、天然气和煤等为原料制成有机小分子单体，再经聚合反应生产合成纤维)的统称。化学纤维：

(4)常见的合成纤维：聚丙烯纤维(丙纶)、聚氯乙烯纤维(氯纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚对苯二甲酸乙二酯纤维(涤纶)、聚酰胺纤维(锦纶、芳纶)等。

第三节 乙醇与乙酸

1、酒类：酒精度是指乙醇的体积分数，白酒一般在 25% ~ 68%，啤酒一般在 3% ~ 5%。

乙醇进入人体后，会在肝中通过酶的催化作用被氧化为乙醛和乙酸，最终被氧化为二氧化碳和水。过量饮酒会加重肝负担，血液中较高浓度的乙醇和乙醛也会对人体产生毒害作用。

2、食醋中含有3%－5%的乙酸。纯净的乙酸又叫冰醋酸。

3、乙醇和乙酸乙酯是易燃品。它们在储存时应置于密闭容器，存放在阴凉、通风处，并与氧化剂、易燃物等分开存放，注意远离火种和热源。

第四节 基本营养物质

1、营养物质主要包括糖类、蛋白质、油脂、维生素、无机盐和水。

2、蛋白质在一些化学试剂，如重金属的盐类、强酸、强碱、乙醇、甲醛等，以及一些物理因素，如加热、紫外线等的作用下会发生变性，溶解度下降，并失去生理活性。

在生物实验室里，常用甲醛溶液(俗称福尔马林)保存动物标本。

在农业上，可以用硫酸铜、生石灰和水制成波尔多液来防治农作物病害。

3、蛋白质在工业上的应用

蚕丝织成的丝绸可以制作服装。

从动物皮、骨中提取的明胶可用作食品增稠剂，生产医药用胶囊和摄影用感光材料。

驴皮制的阿胶还是还是一种中药材。

从牛奶和大豆中提取的酪素可用来制作食品和涂料。

绝大多数酶也是蛋白质，是生物体内重要的催化剂，在医药、食品、纺织等领域中有重要的应用价值。

4、饱和脂肪酸：硬脂酸(C₁₇H₃₅COOH)、软脂酸(C₁₅H₃₁COOH)。

不饱和脂肪酸：油酸(C₁₇H₃₃COOH)、亚油酸(C₁₇H₃₁COOH)。

5、常见的食用油中普遍含有油酸等不饱和脂肪酸的甘油酯，其分子中含有碳碳双键，在空气中放置久了会被氧化，产生过氧化物和醛类等。变质的油脂带有一种难闻的“哈喇”味，不能食用。

很多食品的包装中常有一小包含有铁粉等物质的脱氧剂，市售的食用油中也普遍加入叔丁基对苯二酚(TBHQ)等抗氧化剂，以确保食品安全。

氢化植物油：液态植物油在一定条件下与氢气发生加成反应，提高其饱和程度，生成固态的氢化植物油。氢化植物油性质稳定，不易变质，便于运输和储存，可用来生产人造奶油等。

6、四氯乙烯是一种衣物干洗剂，聚四氟乙烯是家用不粘锅内侧涂层的主要成分。氟利昂－12(CF₂Cl₂)用于空调制冷。

第八章 化学与可持续发展

第一节 自然资源的开发利用

1、自然资源是人类社会发展不可或缺的自然物质基础，包括土地与土壤资源、矿产资源、生物资源、水资源、能源资源、环境资源等，根据其能否再生可以分为可再生资源和不可再生资源。

2、可持续发展的目标是在满足人类需要的同时，强调人类的行为要受到自然界的制约，强调人类代际之间、人类与其他生物种群之间、不同国家和不同地区之间的公平。

它包括经济可持续发展、社会可持续发展、资源可持续发展、环境可持续发展等方面。

3、合理开发和利用金属资源主要途径有

提高金属矿物的利用率，开发环保高效的金属冶炼方法，防止金属的腐蚀，加强废旧金属的回收和再利用，使用其他材料代替金属材料等。

4、海水中含量最多的O、H两种元素，加上Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B、F等11种元素，其总含量超过 99%，其他元素为微量。

5、煤干馏的主要产品

6、天然气水合物是天然气与水在高压、低温条件下形成的类冰状结晶物质，主要成分是甲烷水合物，其组成可表示为 CH₄·nH₂O，甲烷分子处于由多个水分子形成的笼中。天然气水合物的外观像冰，具有可燃性，故又被称为“可燃冰”。

7、石油经过常压蒸馏后得到石油气，汽油、煤油、柴油等含碳原子少的轻质油。

经过减压蒸馏后得到润滑油、石蜡、燃料油、沥青等重油。

通过催化裂化过程将重油裂化为汽油等，再进一步裂解获得乙烯、丙烯、甲烷等重要的基本化工原料。

石油在加热和催化剂的作用下，通过结构的调整，使链状烃转化为环状烃，如苯或甲苯等。

8、SnO₂＋C=高温=Sn＋2CO↑

2PbS＋3O₂=高温=2PbO ＋2SO₂

UF₄＋Mg=高温=U＋MgF₂

9、铜绿(碱式碳酸铜)：Cu₂(OH)₂CO₃。孔雀石的主要成分为 CuCO₃·Cu(OH)₂。蓝铜矿的主要成分为2CuCO₃·Cu(OH)₂。

10、海带中提取碘

11、海水中提取镁

第二节 化学品的合理使用

1、化学品可以分为大宗化学品和精细化学品两大类。乙烯、硫酸、纯碱和化肥等属于大宗化学品，医药、农药、日用化学品、食品添加剂等属于精细化学品。

2、六六六和DDT

3、人类早期使用的农药有除虫菊、烟草等植物和波尔多液、石灰硫黄合剂等无机物。后来，人们研制出了有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯类农药等有机合成农药，使农药向着高效、低毒和低残留的方向发展。

4、处方药需要凭医生处方才能从药房或药店获得，并要在医生的指导下使用。

非处方药则不需要凭医生处方，消费者可自行购买和使用，其包装上有“OTC”标识。

5、合理用药必须在医生、药师指导下，遵循安全、有效、经济和适当等原则，主要考虑药物和机体两个方面。药物方面要考虑剂量、剂型、给药途径和时间等因素。机体方面要考虑患者年龄、性别、症状、心理和遗传等因素。

6、水杨酸和乙酰水杨酸

7、青蒿素类药物：抗疟疾。

8、食品添加剂

(1)着色剂、增味剂

天然色素常见的有红曲红、β－ 胡萝卜素、姜黄、叶绿素铜钠盐、焦糖色等。

合成色素常见的有苋菜红、柠檬黄、靛蓝等。

味精是一种常用的增味剂，其主要成分为谷氨酸钠：

NaOOCCH₂CH₂CH(NH₂)COOH。

(2) 膨松剂、凝固剂

膨松剂有碳酸氢铵、碳酸氢钠等。

制作豆腐用的氯化镁、硫酸钙、葡萄糖酸 －δ－ 内酯。

(3)防腐剂、抗氧化剂

苯甲酸及其钠盐(用于果汁、酱油、醋、酱、腌菜)、山梨酸及其钾盐(用于糕点、熟肉、半成水产品)是防腐剂。

亚硝酸钠(用于腊肉、香肠)是一种防腐剂和护色剂。

抗坏血酸(即维生素 C，用于果汁或水果)、丁基羟基茴香醚(用于油脂)是抗氧化剂。

(4)营养强化剂

食盐中加碘酸钾，在奶粉中添加维生素、碳酸钙、硫酸亚铁、硫酸锌等。

9、食品添加剂使用时应符合以下基本要求：

① 不应对人体产生任何健康危害；

② 不应掩盖食品腐败变质；

③ 不应掩盖食品本身或加工过程中的质量缺陷，或以掺杂、掺假、伪造为目的而使用食品添加剂；

④ 不应降低食品本身的营养价值；

⑤ 在达到预期效果的前提下尽可能降低在食品中的使用量。

在下列情况下可使用食品添加剂：

① 保持或提高食品本身的营养价值；

② 作为某些特殊膳食用食品的必要配料或成分；

③ 提高食品的质量和稳定性，改进其感官特性；

④ 便于食品的生产、加工、包装、运输或者储藏。

10、豆腐的传统制作过程

①泡豆、②磨豆、③过滤、④煮浆、⑤点卤、⑥成形。

第三节 环境保护与绿色化学

1、环境问题，主要是指由于人类不合理地开发和利用自然资源而造成的生态环境破坏，以及工农业生产和人类生活所造成的环境污染。

2、污水的三级处理：

(1)一级处理通常采用物理方法，即用格栅间、沉淀池等除去污水中不溶解的污染物。经过一级处理后的水一般达不到排放标准，所以通常将一级处理作为预处理。

(2)二级处理采用生物方法(又称微生物法)及某些化学方法，除去水中的可降解有机物等污染物。经过二级处理后的水一般可达到国家规定的排放标准。

(3)三级处理主要采用化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法和反渗透法等，对污水进行深度处理和净化。经过三级处理后的水可用于绿化和景观用水等。

3、甲基丙烯酸甲酯是合成有机玻璃的单体。

旧的合成方法是：

(CH₃)₂C=O＋HCN→(CH₃)₂C(OH)CN

(CH₃)₂C(OH)CN＋CH₃OH＋H₂SO₄→CH₂=C(CH₃)COOCH₃＋NH₄HSO₄

新的合成方法是：

CH₃C≡CH＋CO＋CH₃OH→CH₂=c(CH₃)COOCH₃

4、腈纶是由丙烯腈(CH₂=CCN)聚合而成。

丙烯主要来自石油的裂解，例如：C₁₀H₂₂→2C₃H₆＋C₄H₁₀。

丙烯腈可以由丙烯与氨和氧气反应制得，化学方程式为

2CH₂=CHCH₃＋2NH₃＋6O₂→2CH₂=CCN＋6H₂O。

5、以铝土矿(主要成分可表示为Al₂O₃·nH₂O)为原料生产铝，主要包括下列过程：

①将粉碎、筛选后的铝土矿溶解在NaOH溶液中；

②通入过量CO₂，使①所得溶液中析出Al(OH)₃固体；

③使Al(OH)₃脱水生成Al₂O₃；

④电解熔融Al₂O₃生成铝。

6、用金红石(主要成分为TiO₂)为原料生产钛的步骤主要有：

①在高温下，向金红石与焦炭的混合物中通入Cl₂，得到TiCl₄和一种可燃性气体；

化学方程式：

TiO₂＋2C＋2Cl₂=高温= TiCl₄＋2CO。

②在稀有气体(如氩)氛围和加热的条件下，用镁与TiCl₄反应可得到钛。

化学方程式：

TiO₂＋2Mg=Δ/Ar= 2MgCl₂＋Ti。

7、乙烯生成环氧乙烷