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微专题4
常见非金属及其化合物的性质和应用
素养 目标定位
目标素养
1.能从物质类别和元素价态视角认识非金属及其化合物的性质
2.能从宏观和微观层面理解非金属及其化合物的应用
3.能基于元素周期律和氧化还原反应原理,预测常见非金属及其化合物的性质及应用
课堂 要点解读
一 非金属元素及其化合物的性质
知识讲解
1.常见非金属及其化合物的一般性质。
从物质类别看,单质、氧化物、氢化物、酸、碱、盐等相互之间按照一定的规律可以相互转化。
以单质为例,可以与单质或其他类别的物质发生氧化还原反应,例如:Cl2、S、N2分别与Mg、H2的反应;C分别与CO2、H2O的反应;Cl2分别与H2O、H2S、NH3、CH4、HI的反应;Cl2与H2SO3的反应、C与浓硫酸的反应;Cl2、S分别与NaOH溶液的反应;Cl2分别与Na2S、Na2SO3、FeCl2的反应;等等。
2.非金属及其化合物的特殊性质。
(1)单质硅、二氧化硅在常温下均能与氢氟酸反应。
(2)作为典型酸性氧化物的二氧化硫,同时具有氧化性、较强的还原性以及漂白性,能被常见卤素单质的水溶液(氯水、溴水、碘水)、酸性高锰酸钾溶液等氧化;其漂白性又具有局限性,不能漂白酸碱指示剂等。
(3)浓硫酸的三大特性——吸水性、脱水性和强氧化性。硫酸的浓度不同,与金属反应的原理不同。
①常温下锌与浓硫酸反应,开始生成二氧化硫;若锌过量,随着反应的进行硫酸的浓度减小,稀硫酸与锌反应生成氢气,最终得到二氧化硫和氢气的混合气体。
②加热条件下铜与浓硫酸反应,开始生成二氧化硫;若铜过量,随着反应的进行硫酸的浓度减小,稀硫酸与铜不反应。
③常温下,浓硫酸能将铁、铝等金属的表面氧化为致密的氧化物薄膜,阻止内层金属继续被氧化(即钝化),但加热或将浓硫酸稀释,则可继续反应。
(4)常见非金属的氢化物多呈酸性,但氨的水溶液呈碱性。氨是中学阶段唯一水溶液呈碱性的气体。
(5)硝酸具有酸的通性,但是不论其浓度大小,都具有强氧化性,与金属反应时一般不生成氢气。中学阶段认为稀硝酸对应的还原产物是NO,浓硝酸对应的还原产物是NO2。
典型例题
【例1】已知物质X可发生如下转化,A是中学阶段常见的酸。
下列有关上述转化关系中物质及其反应的叙述错误的是(　　)。
A.若X为N2,则A为硝酸
B.若X为S,则A为硫酸
C.反应①和②一定为氧化还原反应,反应③一定为非氧化还原反应
D.若X为非金属单质或非金属氢化物,则A不一定能与金属铜反应生成Y
答案:C
解析:若X为N2,Y是NO,Z是NO2,A为硝酸,A项正确。若X为S,Y是SO2,Z是SO3,A为硫酸,B项正确。若X为N2,Y是NO,Z是NO2,NO2与水反应生成硝酸和NO,属于氧化还原反应,C项错误。若X为H2S,Y可能为S,Z是SO2,A为亚硫酸,则亚硫酸不能与金属铜反应,D项正确。
【例2】A、B、C、D、E均为中学化学常见的纯净物,A是单质。它们之间有如下转化关系:
(1)若B是一种碱性气体,D是一种红棕色气体,据此回答下列问题。
①C、D两种化合物能引起的环境问题是　　　　　　　(填字母)。
A.能源短缺 B.酸雨 C.温室效应
②C是大气污染物之一。目前,有一种治理方法是在400 ℃左右、有催化剂存在的情况下,用B把C还原为A和水,则该反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。每有10 mol A生成,转移电子的物质的量为　　　　。
③通常实验室制取B的化学方程式是　　　　　　　　。
(2)若B是气态氢化物,A是一种淡黄色的固体单质,E是工业生产中的一种重要化合物,据此回答下列问题。
①B与C可以发生反应生成A,写出该反应的化学方程式:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②金属铜投入E的稀溶液中不发生反应,但再加入H2O2溶液后铜开始溶解,溶液逐渐变为蓝色,写出该反应的离子方程式: 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案:(1)①B
(2)①2H2S+SO2═3S+2H2O
②Cu+H2O2+2H+═Cu2++2H2O
解析:(1)根据物质的特殊性质,NH3是中学阶段唯一一种碱性气体,NO2是红棕色气体,可知B为NH3,D为NO2,A为单质,则A为N2,N2和NH3均能生成C,可推出C为NO,步骤⑤为NO2与水反应生成HNO3的过程,则E为HNO3,据此分析作答。
(2)①根据提示条件,若B是气态氢化物,再结合A是一种淡黄色的固体单质,则A为S,B为H2S;S、H2S经过氧化都得到物质C,则C为SO2,SO2继续氧化为SO3,则D为SO3,E是工业生产中一种重要的化合物,则E为H2SO4。②金属铜不活泼,不能与稀硫酸反应,H2O2具有氧化性,则加入H2O2溶液后铜被氧化为铜离子,其反应的离子方程式为Cu+H2O2+2H+ ═Cu2++2H2O。
二 非金属及其化合物的制备
知识讲解
1.利用非金属及其化合物的性质制备物质。
例如,实验室利用铵盐与强碱反应可生成氨的原理制备氨。
2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2H2O+2NH3↑
2.除了上述方法外,还常用以下几种方法。
(1)利用NH3·H2O不稳定,受热易分解原理,采用加热浓氨水法制取氨。
NH3·H2O NH3↑+H2O。
(2)利用 原理,采用浓氨水与NaOH固体或生石灰混合法制取氨。
在浓氨水中加入NaOH固体,溶液中OH-浓度增大,有利于氨的生成;并且NaOH固体溶于水放出大量热,降低氨在水中的溶解度,有利于氨的逸出。
在浓氨水中加入生石灰,CaO+H2O═Ca(OH)2,部分水参加反应,氨水浓度增大,且反应放出大量热,降低氨在水中的溶解度,有利于氨的逸出。
(3)利用铵盐受热分解原理,采用直接加热碳酸氢铵制取少量氨:NH4HCO3 NH3↑+H2O+CO2↑。用碱石灰吸收分解产生的CO2和H2O后可得到纯净的氨。
注意:由于NH4Cl NH3↑+HCl↑,NH3+HCl═NH4Cl,不能用直接加热分解氯化铵的方法制取氨。
典型例题
【例3】甲、乙、丙三位同学分别用如图所示实验装置及化学试剂(碱石灰为氢氧化钠和生石灰的混合物)制取氨。请根据要求回答下列问题。
(1)制取氨的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　。
(2)三位同学都用向下排空气法收集氨,其原因是　　　　。
(3)三位同学分别用上述装置制取氨时,其中有一位同学没有收集到氨(实验操作都正确),你认为没有收集到氨的同学是　　　　(填“甲”“乙”或“丙”)。
(4)检验氨是否收集满的方法是(简述操作方法、现象和结论)
　　　　　　　　　　　　。
(5)三位同学都认为,采用上述各自的装置,还可用于加热碳酸氢铵固体的方法来制取纯净的氨,你认为能够达到实验目的是　　　(填“甲”“乙”或“丙”)同学。他们还认为,装置中的NH4HCO3固体可用NH4Cl固体代替,你认为　　　　(填“能”或“不能”)。
答案:(1)2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2NH3↑+2H2O　
(2)氨的密度比空气的小,氨极易溶于水　
(3)乙　
(4)用湿润的红色石蕊试纸靠近试管口,如果试纸变蓝,则证明氨已收集满(或用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近试管口,如果产生白烟,则证明氨已收集满)
(5)丙　不能
解析:(1)实验室用氢氧化钙与氯化铵在加热条件下制备氨,反应的化学方程式为2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2NH3↑+2H2O。
(2)氨极易溶于水,不能用排水法收集,氨的密度比空气的小,应用向下排空气法收集。
(3)氨为碱性气体,通过盛有浓硫酸的洗气瓶时,与硫酸反应而被吸收,故答案为乙。
(4)氨为碱性气体,与水反应生成NH3·H2O,电离出OH-,溶液呈碱性,检验时可用湿润的红色石蕊试纸靠近试管口,如果试纸变蓝,则证明氨已收集满,或用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近试管口,如果产生白烟,则证明氨已收集满。
(5)碳酸氢铵加热分解生成氨、二氧化碳和水,可用碱石灰吸收二氧化碳和水,只有丙能做到,氯化铵加热分解生成氨和氯化氢,在温度较低时又重新生成氯化铵,不能用氯化铵制备氨。
易错提醒
干燥氨时所选用的干燥剂不能与氨发生反应,例如不能用浓硫酸、无水氯化钙作干燥剂。 检验氨是否收集满时,可根据氨溶于水使溶液呈碱性,选择恰当的试纸并用水湿润试纸,如湿润的酚酞试纸(变红)、湿润的红色石蕊试纸(变蓝)或湿润的pH试纸(pH>7),不能选用湿润的蓝色石蕊试纸。
【例4】亚硝酰氯(NOCl,熔点为-64.5 ℃,沸点为-5.5 ℃)是一种黄色气体,遇水反应生成一种氯化物和两种氮化物,可用于合成清洁剂、触媒剂及中间体等。实验室可由氯气与一氧化氮在常温常压下合成。
①仪器M的名称为　　　　　　　　。
②制备NO发生装置可以选用　　　　(填大写字母),请写出发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　。
③欲收集一瓶干燥的氯气,选择装置,其连接顺序为:
a(A)→　　　　　　　　　(按气流方向,用小写字母表示)。
(1)甲组的同学拟制备原料气NO和Cl2,制备装置如图所示。
(2)乙组同学利用甲组制得的NO和Cl2制备NOCl,装置如图所示(夹持装置已省略)。操作为:检查装置气密性并装入试剂,打开K2,再打开K3,通入一段时间Cl2,然后进行其他操作,当Z有一定量液体生成时,停止实验。
①实验室也可用X装置制备NO,相对甲组同学的气体发生装置,X装置的优点为　　　　　　　　　　　　。
②若无装置Y,则Z中NOCl可能发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案:(1)①锥形瓶　
②B　3Cu+8H++2 ═3Cu2++2NO↑+4H2O　
③f→g→c→b→d→e→i→h
(2)①排除装置内空气的干扰,制得的NO更纯净(或控制反应的发生与停止)
②2NOCl+H2O═2HCl+NO↑+NO2↑
解析:(1)①仪器M的名称为锥形瓶;②制备NO,常用Cu与稀硝酸反应,因此选用的装置为B,反应的离子方程式为3Cu+8H++2 ═3Cu2++2NO↑+4H2O;③A装置为制备Cl2的装置,制备的氯气中混有HCl和水蒸气,先通过饱和食盐水除去HCl,然后通过浓硫酸,氯气的密度大于空气的密度,收集时从d管通入,氯气有毒,必须尾气处理,连接顺序是a(A)→f→g→c→b→d→e→i→h。
(2)①装置X的优点是排除装置内空气的干扰,可以随开随用,随关随停;②装置Y的作用是干燥NO,NOCl能与水反应,因此若无装置Y,则NOCl与水发生反应,根据信息,反应的化学方程式为2NOCl+H2O═2HCl+NO↑+NO2↑。
三 非金属及其化合物的检验与鉴别
知识讲解
利用非金属及其化合物的特征性质检验或鉴别物质。
1.二氧化碳和二氧化硫的鉴别。
SO2和CO2都能使澄清石灰水变浑浊,若通入的气体过量,都会出现沉淀消失现象。所以鉴别SO2和CO2时不能用澄清石灰水,常采用以下方法。
(1)用品红溶液。使品红溶液褪色的是SO2,不能使品红溶液褪色的是CO2。
(2)用氢硫酸。出现浑浊的是SO2,无明显现象的是CO2。有关反应的化学方程式为2H2S+SO2═2H2O+3S↓。
(3)用酸性高锰酸钾溶液。紫色褪去的是SO2,无明显现象的是CO2。有关反应的化学方程式为2KMnO4+5SO2+2H2O═K2SO4+2MnSO4+2H2SO4。
(4)用溴水。使橙色褪去的是SO2,无明显现象的是CO2。有关反应的化学方程式为Br2+2H2O+SO2═2HBr+H2SO4。
(5)用硝酸酸化的硝酸钡溶液。产生白色沉淀的是SO2,无明显现象的是CO2。
2.检验碳与浓硫酸反应所得混合气体中存在SO2和CO2。
典型例题
【例5】浓硫酸与木炭在加热时发生反应的化学方程式是2H2SO4(浓)+C CO2↑+2H2O+2SO2↑。用如图所示装置设计一个实验,验证浓硫酸与木炭粉在加热条件下反应产生的各种产物。
(1)这些装置的连接顺序(按产物生成及检验顺序从左到右的方向)是　　→　　→　　→　　(填装置的序号)。
(2)装置②要检验产物中有水蒸气,则放入的试剂是　　　　;装置③要检验产物中有二氧化碳气体,则放入的试剂是　　;实验时可观察到装置①中A瓶的溶液褪色,C瓶的溶液不褪色,A瓶溶液的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　, B瓶溶液的作用是　　　　　　　　　　　,C瓶溶液的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案:(1)④　②　①　③
(2)无水硫酸铜粉末　澄清石灰水　检验二氧化硫的存在　除去气体中的SO2　证明SO2气体已完全除尽
解析:该实验中无水CuSO4用于检验H2O,品红溶液用于检验SO2,澄清石灰水用于检验CO2;为防止SO2对CO2的检验造成干扰,应在检验CO2前除尽SO2,故硫酸酸化的KMnO4溶液用于除去SO2,C瓶中品红溶液用于检验SO2是否除尽。

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