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) |
SiO2 + Na2CO3 =Na2SiO3 + CO2↑
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↑
|
|||||
|
|
||||
②加热:Si + O2 = SiO2; Si + 2Cl2 = SiCl4 ;Si + 2H2 = SiH4 。
自然界中无游离态
|
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 ![]() |
|||
②与酸反应 |
SiO2 + 4HF = SiF4↑+ 2H2O |
不反应 |
||||
③与碱反应 |
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3
+ H2O
|
CO2 + 2NaOH = Na2CO3
+ H2O或 CO2 + NaOH = 2NaHCO3 |
||||
④与盐反应 |
SiO2 + Na2CO3
=Na2SiO3 + CO2↑
SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 + CO2↑ |
Ca(ClO)2
+ CO2 + H2O = CaCO3↓ + 2HClO CO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3 |
||||
⑤与碱性氧化物反应 |
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 |
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:
|
|
|
(2)化学性质:①C + O2 = CO2 ②2C + O2 = 2CO ③C+4HNO3(浓)=CO2↑+ 4NO2↑
|
|
||||
|
|||||
+ 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:
|
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↑
|
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);2NO2 (红棕色)
N2O4(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%。
|
|
|
(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
湖北省互联网违法和不良信息举报平台 | 网上有害信息举报专区 | 电信诈骗举报专区 | 涉历史虚无主义有害信息举报专区 | 涉企侵权举报专区
违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com