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5、常見的無機(jī)非金屬材料、金屬材料與復(fù)合材料的比較(表18-7)

材料	無機(jī)非金屬材料	金屬材料	復(fù)合材料
涵義	以黏土、石英和長石等為原料生產(chǎn)的硅酸鹽制品	金屬及其合金	兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料經(jīng)特殊加工而而制成的
主要成分	各種硅酸鹽的混合物	各種金屬及硅等少量非金屬	由基體(黏結(jié)作用)和增強(qiáng)體(骨架作用)組成
特性	抗腐蝕、耐高溫、硬度大耐磨損，新型無機(jī)非金屬材料還具有電學(xué)、光學(xué)特性、生物功能等	強(qiáng)度高、堅(jiān)韌塑性好、易于成型、有良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，合金抗腐蝕性強(qiáng)	耐酸堿、化學(xué)穩(wěn)定性好、密度小、強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、導(dǎo)電導(dǎo)熱熱性能好；性能保持原材料特點(diǎn)又優(yōu)于原材料
品種示例	玻璃、水泥、各種陶瓷(粘土質(zhì)陶瓷、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、生物陶瓷、壓電陶瓷等)、光導(dǎo)纖維	黑色金屬材料(鐵、鉻、錳及它們的合金)：鋼鐵；有色金屬材料(鐵、鉻、錳以外的金屬及合金)：金、銀、銅及合金	生產(chǎn)生活中的復(fù)合材料(玻璃鋼：玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、碳纖維：碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料)； 航空航天中的復(fù)合材料(飛機(jī)、火箭：纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；航天飛機(jī)：纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料)

4．水泥、玻璃和陶瓷等硅酸鹽產(chǎn)品的主要化學(xué)成分、生產(chǎn)原料及其用途

硅酸鹽材料是傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料：玻璃、水泥、各種陶瓷等都是以黏土、石英和長石等為原料生產(chǎn)的硅酸鹽制品，比較如下(表18-6)

硅酸鹽產(chǎn)品	水　 泥	�！� 璃
原　　 料	石灰石、黏土	純堿、石灰石、石英
反應(yīng)原理	發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化(不作要求)	高溫 　 SiO2 + Na2CO3 ＝Na2SiO3 + CO2↑ 高溫 　 　 　SiO2 + CaCO3 ＝ CaSiO3 + CO2↑
主要設(shè)備	水泥回轉(zhuǎn)窯	玻璃窯
主要成分	3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3	Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
反應(yīng)條件	高溫	高溫

陶瓷生產(chǎn)的一般過程：混合→成型→干燥→燒結(jié)→冷卻→陶瓷，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些具有特殊結(jié)構(gòu)、特殊功能的新型無機(jī)非金屬材料如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、生物陶瓷、壓電陶瓷等相繼被生產(chǎn)出來。

3．硅、硅酸及硅酸鹽:

(1)硅：單質(zhì)硅有晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅為原子晶體，灰黑色、有金屬光澤、硬度大而脆、熔沸點(diǎn)高。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是常用的半導(dǎo)體材料。化學(xué)性質(zhì)：①常溫Si + 2F₂ = SiF₄ ；Si + 4HF = SiF₄ + 2H₂ ；Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑

		高溫
	△		△

　

②加熱：Si + O₂ ＝ SiO₂； Si + 2Cl₂ ＝ SiCl₄ ；Si + 2H₂ ＝ SiH₄ 。

自然界中無游離態(tài)

高溫

的硅

工業(yè)上用焦炭在電爐中還原二氧化硅制取粗硅：SiO₂ + 2C ＝ Si + 2CO↑

(2)硅酸(H₂SiO₃或原硅酸H₄SiO₄)：難溶于水的弱酸，酸性比碳酸還弱。

(3)硅酸鈉：溶于水，其水溶液俗稱“水玻璃”，是一種礦物膠。盛水玻璃的試劑瓶要使用橡膠塞。能與酸性較強(qiáng)的酸反應(yīng)：Na₂SiO₃ + 2HCl ＝ H₂SiO₃↓_(白)+ 2NaCl；

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O ＝H₂SiO₃↓+ Na₂CO₃

2．二氧化硅與二氧化碳的對比：

物　 質(zhì)	二氧化硅	二氧化碳
化學(xué)式	SiO2	CO2
晶體類型	原子晶體	分子晶體
物理性質(zhì)	硬度大、熔沸點(diǎn)高、常溫下為固體、不溶于水	熔沸點(diǎn)低，常溫下為氣體，微溶于水
化 學(xué) 性 質(zhì)	①與水反應(yīng)	不反應(yīng)	CO2 + H2O 　H2CO3
②與酸反應(yīng)	SiO2 + 4HF = SiF4↑+ 2H2O	不反應(yīng)
③與堿反應(yīng)	SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 高溫 　 盛堿液的試劑瓶用橡皮塞	CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O或 CO2 + NaOH = 2NaHCO3
④與鹽反應(yīng)	SiO2 + Na2CO3 ＝Na2SiO3 + CO2↑ 高溫 　 　 SiO2 + CaCO3 ＝ CaSiO3 + CO2↑	Ca(ClO)2 + CO2 + H2O = CaCO3↓ + 2HClO CO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3
⑤與堿性氧化物反應(yīng)	高溫 　 SiO2 + CaO ＝ CaSiO3	CO2 + Na2O ＝ Na2CO3

2．碳的氧化物(CO、CO₂)性質(zhì)的比較：(表18-3)

氧化物	一氧化碳	二氧化碳
物理性質(zhì)	無色無味氣體、有毒、難溶于水，能與人體中血紅蛋白迅速結(jié)合，是一種嚴(yán)重的大氣污染物	無色略帶酸味氣體，無毒，能溶于水，固態(tài)時(shí)俗稱“干冰”。 是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體之一。
化學(xué)性質(zhì)	1．　 可燃性 2．　 還原性：(CuO、Fe2O3、H2O反應(yīng)) 3．　 不成鹽氧化物	1．　 不能燃燒 2．　 與C、Mg等反應(yīng)，表現(xiàn)氧化性 3．　 酸性氧化物(與堿反應(yīng))
實(shí)驗(yàn)室制法	濃硫酸 　 △ 　 HCOOH --→ CO↑ + H2O	CaCO3 + 2HCl ＝ CaCl2 + H2O + CO2↑
收集方法	排水法	向上排空氣法
檢驗(yàn)方法	點(diǎn)燃后在火焰上分別罩上干燥的燒杯和沾有澄清石灰水的燒杯	使澄清石灰水變渾濁
用途	燃料、化工原料	化工原料、滅火等
相互轉(zhuǎn)化	C + CO2 ＝ 2CO (高溫)　 2CO + O2 ＝ 2CO2(點(diǎn)燃)

1．碳單質(zhì)：

△

點(diǎn)燃

點(diǎn)燃

(1)物理性質(zhì)：碳元素形成的同素異形體由于碳原子的排列方式不同，導(dǎo)致物理性質(zhì)有較大的差別。(見表18-2)

　　 (2)化學(xué)性質(zhì)：①C + O₂ ＝ CO₂ ②2C + O₂ ＝ 2CO ③C+4HNO₃(濃)＝CO₂↑+ 4NO₂↑

	△		高溫
			高溫

　

+ 2H₂O　 ④ C + 2CuO ＝ 2Cu + CO₂↑⑤ C + CO₂ ＝ 2CO ⑥ 2C + SiO₂ ＝ Si + 2CO↑

5．硝酸(HNO₃)

(1)物理性質(zhì)：無色、刺激性氣味、易揮發(fā)液體，能與水以任意比例互溶，常用濃硝

酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為69%。

(2)化學(xué)性質(zhì)：硝酸為強(qiáng)酸，具有以下性質(zhì)：

光或熱

①具有酸的通性，

②濃硝酸不穩(wěn)定性：4HNO₃ ＝ 4NO₂↑+ O₂↑ + 2H₂O

③強(qiáng)氧化性：無論濃稀硝酸均具有強(qiáng)氧化性，與金屬反應(yīng)時(shí)不能放出氫氣。

a.與金屬反應(yīng)：Cu + 4HNO₃(濃)＝ Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O ；

3Cu + 8HNO₃(稀)＝ 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O；

3Ag + 4HNO₃(稀)＝ 3AgNO₃ + NO↑ + 2H₂O ；

常溫下濃硝酸使鐵、鋁鈍化。

b.與非金屬反應(yīng)：C + 4HNO₃(濃)＝ CO₂ ↑+ 4NO₂↑ + 2H₂O 。

c.與其他還原劑反應(yīng),如H₂S、SO₂、Fe²⁺等。

d.與有機(jī)物反應(yīng):硝化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、與蛋白質(zhì)發(fā)生顏色反應(yīng)(黃色)等。

(3)制法：

①實(shí)驗(yàn)室制法：硝酸鹽與濃硫酸微熱，

NaNO₃(固)+ H₂SO₄(濃)NaHSO₄ + HNO₃↑

催化劑 △

(不能強(qiáng)熱，因硝酸不穩(wěn)定。也不能用稀硫酸，無法生成氣體)；

②工業(yè)制法：氨的催化氧化法，4NH₃ + 5O₂　 ＝ 4NO + 6H₂O；

2NO + O₂ ＝ 2NO₂；

3NO₂ + H₂O ＝ 2HNO₃ + NO；

尾氣處理：NO₂ + NO + 2NaOH ＝ 2NaNO₂ + H₂O

4．氮的氧化物

(1)氮的氧化物簡介：氮元素有+1、+2、+3、+4、+5五種正價(jià)態(tài)，對應(yīng)有六種氧化物

種　 類	色　 態(tài)	化學(xué)性質(zhì)
N2O	無色氣體	較不活潑
NO	無色氣體	活潑，不溶于水
N2O3(亞硝酸酐)	無色氣體，　藍(lán)色液體(-20℃)	常溫極易分解為NO、NO2
NO2	紅棕色氣體	較活潑，與水反應(yīng)
N2O4	無色氣體	較活潑，受熱易分解
N2O5(硝酸酸酐)	無色固體	氣態(tài)時(shí)不穩(wěn)定，易分解

(2)NO和NO₂的重要性質(zhì)和制法①性質(zhì)：2NO + O₂ ＝ 2NO₂(易被氧氣氧化,無色

氣體轉(zhuǎn)化為紅棕色)；2NO_{2 (紅棕色)} 　N₂O_4(無色)(平衡體系)；3NO₂ + H₂O ＝ 2HNO₃ + NO (工業(yè)制硝酸)；NO + NO₂ + 2NaOH ＝ 2NaNO₂ + H₂O(尾氣吸收)； NO₂有較強(qiáng)的氧化性,能使?jié)駶櫟腒I淀粉試紙變藍(lán)。②制法：NO： 3Cu + 8HNO₃(稀)＝ 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O(必須用排水法收集NO)；NO₂：Cu + 4HNO₃(濃)＝ Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O (必須用排空氣法收集NO₂)

(3)氮的氧化物溶于水的計(jì)算：

①NO₂或NO₂與N₂(非O₂)的混合氣體溶于水可依據(jù)3NO₂ + H₂O ＝ 2HNO₃ + NO利用氣體體積變化差值進(jìn)行計(jì)算。

②NO₂和O₂的混合氣體溶于水時(shí)由4NO₂ + O₂ + 2H₂O = 4HNO₃進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)體積比V(NO₂)：V(O₂)=4：1時(shí)，恰好反應(yīng)；>4：1時(shí)，NO₂過量，剩余NO；<4：1時(shí)，O₂過量，剩余O₂。　　

③NO和O₂同時(shí)通入水中時(shí)，由4NO + 3O₂ + 2H₂O = 4HNO₃進(jìn)行計(jì)算，原理同②方法。④NO、NO₂、O₂的混合氣體通入水中，先按①求出NO的體積，再加上混合氣體中NO的體積再按③方法進(jìn)行計(jì)算。

(4)氮的氧化物(NO、NO₂)對環(huán)境的影響：

①氮氧化物是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的一個(gè)重要原因，同時(shí)也可造成水體污染。汽車尾氣中的氮氧化物(燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫燃燒時(shí)，空氣中的氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)生成的)與碳?xì)浠�合物�?jīng)紫外線照射發(fā)生反應(yīng)生成形成的一種有毒的煙霧，稱為光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧具有特殊氣味，刺激眼睛、傷害植物并使大氣能見度降低。另外，氮氧化物與空氣中的水反應(yīng)生成硝酸和亞硝酸，是酸雨的成分。大氣中氮氧化物主要來源于化石燃料的燃燒、汽車尾氣和植物體的焚燒，以及農(nóng)田土壤和動(dòng)物排泄物中含氮化合物的轉(zhuǎn)化。因此必須減少氮氧化物的排放，控制進(jìn)入大氣、陸地和海洋的含氮的氧化物。在工業(yè)上含氮氧化物的尾氣吸收常用以下反應(yīng)：NO₂ + NO + 2NaOH ＝ 2NaNO₂ + H₂O，既可以回收尾氣，生成的亞硝酸鹽又是重要的化工原料。

②除人工合成的含氯(如氟利昂)、含溴的物質(zhì)是造成臭氧層破壞的元兇外，汽車尾氣、超音速飛機(jī)排出的廢氣、工業(yè)廢氣等含有大量的氮氧化物(如N0和N0₂等)，也可以破壞掉大量的臭氧分子，從而造成臭氧層的破壞。

3．氮?dú)?N₂)

(1)分子結(jié)構(gòu)：電子式為∶N┇┇N∶，結(jié)構(gòu)式為N≡N，氮氮叁鍵鍵能大，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)

定，化學(xué)性質(zhì)不活潑。

(2)物理性質(zhì)：純凈的氮?dú)馐菬o色無味的氣體，難溶于水，空氣中約占總體積的78%。

高溫、高壓 　 催化劑

(3)化學(xué)性質(zhì)：常溫下性質(zhì)穩(wěn)定，可作保護(hù)氣；但在高溫、放電、點(diǎn)燃等條件下能與H₂、O₂、IIA族的Mg、Ca等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即發(fā)生氮的固定(將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)楹�氮化合物的過程，有自然固氮和人工固氮兩種形式)N₂中N元素0價(jià)，為N的中間價(jià)態(tài)，既有氧化性又有還原性

放電

①與H₂反應(yīng)：　　 N₂ + 3H₂ 2NH₃　 ②與O₂反應(yīng)：　 　N₂ + O₂ ＝ 2NO

點(diǎn)燃

③與活潑金屬反應(yīng)： N₂ +3 Mg ＝ Mg₃N₂

(4)氮?dú)獾挠猛荆夯�工原料；液氮是火箭燃燒的推進(jìn)劑；還可用作醫(yī)療、保護(hù)氣等。

2．銨鹽

(1)物理性質(zhì)：白色晶體，易溶于水

(2)化學(xué)性質(zhì)：①受熱分解：　 NH₄HCO₃ NH₃↑ + H₂O + CO₂↑

　　　　　　　　　　　　　　　　 NH₄Cl NH₃↑+ HCl↑

②與堿反應(yīng)： NaOH + NH₄Cl 　NaCl + NH₃↑ + H₂O