5、常见的无机非金属材料、金属材料与复合材料的比较(表18-7)

材料	无机非金属材料	金属材料	复合材料
涵义	以黏土、石英和长石等为原料生产的硅酸盐制品	金属及其合金	两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而而制成的
主要成分	各种硅酸盐的混合物	各种金属及硅等少量非金属	由基体(黏结作用)和增强体(骨架作用)组成
特性	抗腐蚀、耐高温、硬度大耐磨损，新型无机非金属材料还具有电学、光学特性、生物功能等	强度高、坚韧塑性好、易于成型、有良好的延展性、导电性、导热性，合金抗腐蚀性强	耐酸碱、化学稳定性好、密度小、强度高、韧性好、耐高温、导电导热热性能好；性能保持原材料特点又优于原材料
品种示例	玻璃、水泥、各种陶瓷(粘土质陶瓷、高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等)、光导纤维	黑色金属材料(铁、铬、锰及它们的合金)：钢铁；有色金属材料(铁、铬、锰以外的金属及合金)：金、银、铜及合金	生产生活中的复合材料(玻璃钢：玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维：碳纤维增强树脂基复合材料)； 航空航天中的复合材料(飞机、火箭：纤维增强金属基复合材料；航天飞机：纤维增强陶瓷基复合材料)

4．水泥、玻璃和陶瓷等硅酸盐产品的主要化学成分、生产原料及其用途

硅酸盐材料是传统的无机非金属材料：玻璃、水泥、各种陶瓷等都是以黏土、石英和长石等为原料生产的硅酸盐制品，比较如下(表18-6)

硅酸盐产品	水　 泥	玻　 璃
原　　 料	石灰石、黏土	纯碱、石灰石、石英
反应原理	发生复杂的物理化学变化(不作要求)	高温 　 SiO2 + Na2CO3 ＝Na2SiO3 + CO2↑ 高温 　 　 　SiO2 + CaCO3 ＝ CaSiO3 + CO2↑
主要设备	水泥回转窑	玻璃窑
主要成分	3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3	Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
反应条件	高温	高温

陶瓷生产的一般过程：混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶瓷，随着现代科学技术的发展，一些具有特殊结构、特殊功能的新型无机非金属材料如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等相继被生产出来。

3．硅、硅酸及硅酸盐:

(1)硅：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅为原子晶体，灰黑色、有金属光泽、硬度大而脆、熔沸点高。导电性介于导体和绝缘体之间，是常用的半导体材料。化学性质：①常温Si + 2F₂ = SiF₄ ；Si + 4HF = SiF₄ + 2H₂ ；Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑

		高温
	△		△

　

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

自然界中无游离态

高温

的硅

工业上用焦炭在电炉中还原二氧化硅制取粗硅：SiO₂ + 2C ＝ Si + 2CO↑

(2)硅酸(H₂SiO₃或原硅酸H₄SiO₄)：难溶于水的弱酸，酸性比碳酸还弱。

(3)硅酸钠：溶于水，其水溶液俗称“水玻璃”，是一种矿物胶。盛水玻璃的试剂瓶要使用橡胶塞。能与酸性较强的酸反应：Na₂SiO₃ + 2HCl ＝ H₂SiO₃↓_(白)+ 2NaCl；

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O ＝H₂SiO₃↓+ Na₂CO₃

2．二氧化硅与二氧化碳的对比：

物　 质	二氧化硅	二氧化碳
化学式	SiO2	CO2
晶体类型	原子晶体	分子晶体
物理性质	硬度大、熔沸点高、常温下为固体、不溶于水	熔沸点低，常温下为气体，微溶于水
化 学 性 质	①与水反应	不反应	CO2 + H2O 　H2CO3
②与酸反应	SiO2 + 4HF = SiF4↑+ 2H2O	不反应
③与碱反应	SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 高温 　 盛碱液的试剂瓶用橡皮塞	CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O或 CO2 + NaOH = 2NaHCO3
④与盐反应	SiO2 + Na2CO3 ＝Na2SiO3 + CO2↑ 高温 　 　 SiO2 + CaCO3 ＝ CaSiO3 + CO2↑	Ca(ClO)2 + CO2 + H2O = CaCO3↓ + 2HClO CO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3
⑤与碱性氧化物反应	高温 　 SiO2 + CaO ＝ CaSiO3	CO2 + Na2O ＝ Na2CO3

2．碳的氧化物(CO、CO₂)性质的比较：(表18-3)

氧化物	一氧化碳	二氧化碳
物理性质	无色无味气体、有毒、难溶于水，能与人体中血红蛋白迅速结合，是一种严重的大气污染物	无色略带酸味气体，无毒，能溶于水，固态时俗称“干冰”。 是产生温室效应的气体之一。
化学性质	1．　 可燃性 2．　 还原性：(CuO、Fe2O3、H2O反应) 3．　 不成盐氧化物	1．　 不能燃烧 2．　 与C、Mg等反应，表现氧化性 3．　 酸性氧化物(与碱反应)
实验室制法	浓硫酸 　 △ 　 HCOOH --→ CO↑ + H2O	CaCO3 + 2HCl ＝ CaCl2 + H2O + CO2↑
收集方法	排水法	向上排空气法
检验方法	点燃后在火焰上分别罩上干燥的烧杯和沾有澄清石灰水的烧杯	使澄清石灰水变浑浊
用途	燃料、化工原料	化工原料、灭火等
相互转化	C + CO2 ＝ 2CO (高温)　 2CO + O2 ＝ 2CO2(点燃)

1．碳单质：

△

点燃

点燃

(1)物理性质：碳元素形成的同素异形体由于碳原子的排列方式不同，导致物理性质有较大的差别。(见表18-2)

　　 (2)化学性质：①C + O₂ ＝ CO₂ ②2C + O₂ ＝ 2CO ③C+4HNO₃(浓)＝CO₂↑+ 4NO₂↑

	△		高温
			高温

　

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

5．硝酸(HNO₃)

(1)物理性质：无色、刺激性气味、易挥发液体，能与水以任意比例互溶，常用浓硝

酸的质量分数大约为69%。

(2)化学性质：硝酸为强酸，具有以下性质：

光或热

①具有酸的通性，

②浓硝酸不稳定性：4HNO₃ ＝ 4NO₂↑+ O₂↑ + 2H₂O

③强氧化性：无论浓稀硝酸均具有强氧化性，与金属反应时不能放出氢气。

a.与金属反应：Cu + 4HNO₃(浓)＝ Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O ；

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

3Ag + 4HNO₃(稀)＝ 3AgNO₃ + NO↑ + 2H₂O ；

常温下浓硝酸使铁、铝钝化。

b.与非金属反应：C + 4HNO₃(浓)＝ CO₂ ↑+ 4NO₂↑ + 2H₂O 。

c.与其他还原剂反应,如H₂S、SO₂、Fe²⁺等。

d.与有机物反应:硝化反应、酯化反应、与蛋白质发生颜色反应(黄色)等。

(3)制法：

①实验室制法：硝酸盐与浓硫酸微热，

NaNO₃(固)+ H₂SO₄(浓)NaHSO₄ + HNO₃↑

催化剂 △

(不能强热，因硝酸不稳定。也不能用稀硫酸，无法生成气体)；

②工业制法：氨的催化氧化法，4NH₃ + 5O₂　 ＝ 4NO + 6H₂O；

2NO + O₂ ＝ 2NO₂；

3NO₂ + H₂O ＝ 2HNO₃ + NO；

尾气处理：NO₂ + NO + 2NaOH ＝ 2NaNO₂ + H₂O

4．氮的氧化物

(1)氮的氧化物简介：氮元素有+1、+2、+3、+4、+5五种正价态，对应有六种氧化物

种　 类	色　 态	化学性质
N2O	无色气体	较不活泼
NO	无色气体	活泼，不溶于水
N2O3(亚硝酸酐)	无色气体，　蓝色液体(-20℃)	常温极易分解为NO、NO2
NO2	红棕色气体	较活泼，与水反应
N2O4	无色气体	较活泼，受热易分解
N2O5(硝酸酸酐)	无色固体	气态时不稳定，易分解

(2)NO和NO₂的重要性质和制法①性质：2NO + O₂ ＝ 2NO₂(易被氧气氧化,无色

气体转化为红棕色)；2NO_{2 (红棕色)} 　N₂O_4(无色)(平衡体系)；3NO₂ + H₂O ＝ 2HNO₃ + NO (工业制硝酸)；NO + NO₂ + 2NaOH ＝ 2NaNO₂ + H₂O(尾气吸收)； NO₂有较强的氧化性,能使湿润的KI淀粉试纸变蓝。②制法：NO： 3Cu + 8HNO₃(稀)＝ 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O(必须用排水法收集NO)；NO₂：Cu + 4HNO₃(浓)＝ Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O (必须用排空气法收集NO₂)

(3)氮的氧化物溶于水的计算：

①NO₂或NO₂与N₂(非O₂)的混合气体溶于水可依据3NO₂ + H₂O ＝ 2HNO₃ + NO利用气体体积变化差值进行计算。

②NO₂和O₂的混合气体溶于水时由4NO₂ + O₂ + 2H₂O = 4HNO₃进行计算，当体积比V(NO₂)：V(O₂)=4：1时，恰好反应；>4：1时，NO₂过量，剩余NO；<4：1时，O₂过量，剩余O₂。　　

③NO和O₂同时通入水中时，由4NO + 3O₂ + 2H₂O = 4HNO₃进行计算，原理同②方法。④NO、NO₂、O₂的混合气体通入水中，先按①求出NO的体积，再加上混合气体中NO的体积再按③方法进行计算。

(4)氮的氧化物(NO、NO₂)对环境的影响：

①氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因，同时也可造成水体污染。汽车尾气中的氮氧化物(燃料在发动机内高温燃烧时，空气中的氮气与氧气反应生成的)与碳氢化合物经紫外线照射发生反应生成形成的一种有毒的烟雾，称为光化学烟雾。光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛、伤害植物并使大气能见度降低。另外，氮氧化物与空气中的水反应生成硝酸和亚硝酸，是酸雨的成分。大气中氮氧化物主要来源于化石燃料的燃烧、汽车尾气和植物体的焚烧，以及农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。因此必须减少氮氧化物的排放，控制进入大气、陆地和海洋的含氮的氧化物。在工业上含氮氧化物的尾气吸收常用以下反应：NO₂ + NO + 2NaOH ＝ 2NaNO₂ + H₂O，既可以回收尾气，生成的亚硝酸盐又是重要的化工原料。

②除人工合成的含氯(如氟利昂)、含溴的物质是造成臭氧层破坏的元凶外，汽车尾气、超音速飞机排出的废气、工业废气等含有大量的氮氧化物(如N0和N0₂等)，也可以破坏掉大量的臭氧分子，从而造成臭氧层的破坏。

3．氮气(N₂)

(1)分子结构：电子式为∶N┇┇N∶，结构式为N≡N，氮氮叁键键能大，分子结构稳

定，化学性质不活泼。

(2)物理性质：纯净的氮气是无色无味的气体，难溶于水，空气中约占总体积的78%。

高温、高压 　 催化剂

(3)化学性质：常温下性质稳定，可作保护气；但在高温、放电、点燃等条件下能与H₂、O₂、IIA族的Mg、Ca等发生化学反应，即发生氮的固定(将空气中的氮气转变为含氮化合物的过程，有自然固氮和人工固氮两种形式)N₂中N元素0价，为N的中间价态，既有氧化性又有还原性

放电

①与H₂反应：　　 N₂ + 3H₂ 2NH₃　 ②与O₂反应：　 　N₂ + O₂ ＝ 2NO

点燃

③与活泼金属反应： N₂ +3 Mg ＝ Mg₃N₂

(4)氮气的用途：化工原料；液氮是火箭燃烧的推进剂；还可用作医疗、保护气等。

2．铵盐

(1)物理性质：白色晶体，易溶于水

(2)化学性质：①受热分解：　 NH₄HCO₃ NH₃↑ + H₂O + CO₂↑

　　　　　　　　　　　　　　　　 NH₄Cl NH₃↑+ HCl↑

②与碱反应： NaOH + NH₄Cl 　NaCl + NH₃↑ + H₂O