非金属及其化合物教学资源

教学是借助不同的形式实现的，到目前为止，我们在运用教学这一途径时可供我们选择的教学组织形式有：课堂教学；现场教学和个别指导；多媒体教学和“个性化教学”一说。现在就来看看学大教育小编为大家带来的非金属及其化合物教学资源，希望大家认真阅读。

第四章非金属及其化合物教学资源

1.硅

⑴ 硅在高新技术中的应用

单晶硅作为半导体器件的核心材料,大大地促进了信息技术的革命。自20世纪中叶以来,单晶硅随着半导体工业的需要而迅速发展。到1996年全球半导体产业销售额达到1410亿美元,而其中单晶硅材料的销售达到74亿美元。中国消耗的大部分集成电路及其硅片主要依赖进口。但我国科技人员正迎头赶上,于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅,标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。

信息材料技术是新材料技术的重要组成部分,也是信息技术尤其是电子信息技术发展的基础。从目前情况来看,硅半导体仍然是集成电路的主要材料。据估计在21世纪内,硅仍然会占半导体材料的95%以上。

光纤材料是发展现代通信的关键材料。目前的光纤以远距离通信用石英材料为主,发展方向是减少损耗,加宽带域,降低成本。超导材料可能给电子学带来广阔的发展前景,超导电子电路的优势是功耗低，速度快。超导电子材料已成为一个极受重视的目标。

微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。采用微电子加工技术,可以在指甲盖大小的硅片上制作出含有多达10～20万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况。这无疑对遗传学研究、疾病诊断与治疗、转基因工程等具有极其重要的作用。

⑵ 硅和碱的反应

硅和强碱反应会生成氢气,曾有人用这种方法来制备氢气。在野外,为了迅速得到氢气,用含量高的硅粉与干燥的Ca(OH)2和NaOH混合,并强热，即可迅速得到氢气。

Si+Ca(OH)2+2NaOH=Na2SiO3+CaO+2H2

这种Si、Ca(OH)2和NaOH的混合物叫做生氢剂。

⑶ 纯硅的制取

利用反应SiO2+2C=Si+2CO,只能得到不纯的粗硅。粗硅需进行精制，才能得到高纯度的硅。

首先使Si与Cl2起反应:

Si+2Cl2=SiCl4

生成的SiCl4液体在除去杂质后用H2还原：

SiCl4+2H2=Si+4HCl

就得到纯度较高的多晶硅。

⑷ 石英、水晶及其压电效应

石英的主要成分是SiO2，可用来制造石英玻璃。石英晶体中有时含有其他元素的化合物,它们以溶解状态存在于石英中,呈各种颜色。此外，由于SiO2的结构不同也会使石英产生不同颜色。纯净的SiO2晶体叫做水晶，它是六方柱状的透明晶体，是较贵重的宝石。

法国科学家皮埃尔·居里(PierreGurie)发现水晶在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”。后来这种“压电效应”被应用在电子工业上。石英薄片在高频率电场的作用下,能作间歇性的伸张和收缩,其频率和施加的电场的频率相同。石英的这种伸缩又引起了周围介质产生类似声波。由于水晶或石英具有这种性质,因此被广泛应用在钟表工业和超声技术上。

⑸ 硅谷(SiliconValley)

硅谷是美国新兴的高技术产业开发区，电子技术研究中心和计算机生产的重要基地。硅谷位于加利福尼亚州圣弗朗西斯科南端的圣克拉拉县(SantaClara)。20世纪60年代以来，苹果电脑公司带动了其他企业，使硅谷迅速发展，高技术企业约有2600家。90年代后成为美国多媒体产业的发源地。硅谷在发展过程中得到了该地区斯坦福大学技术上的扶持，是教育与技术相结合的典范。

2.无机非金属材料

⑴ 传统陶瓷

陶瓷在我国有悠久的历史，是中华民族古老文明的象征。从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真，被认为是世界文化奇迹，人类的文明宝库。唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名。

传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界存在大量天然的硅酸盐，如岩石、土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。此外，人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量人造硅酸盐，主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。

硅酸盐制品一般都是以黏土(高岭土)、石英和长石为原料经高温烧结而成。黏土的化学组成为Al2O3·2SiO2·2H2O，石英为SiO2，长石为K2O·Al2O3·6SiO2(钾长石)或Na2O·Al2O3·6SiO2(钠长石)。这些原料中都含有SiO2，因此在硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要也是最基本的。

硅酸盐材料是一种多相结构物质，其中含有晶态部分和非晶态部分，但以晶态为主。硅酸盐晶体中硅氧四面体[SiO4]是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四面体中，硅原子以sp3杂化轨道与氧原子成键，Si—O键键长为162pm，比起Si4+和O2-的离子半径之和有所缩短，故Si—O键的结合是比较强的。

⑵ 精细陶瓷

精细陶瓷的化学组成已远远超出了传统硅酸盐的范围。例如，透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆(ZrO2)陶瓷、高熔点的氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)陶瓷等，它们都是无机非金属材料，是传统陶瓷材料的发展。精细陶瓷是适应社会经济和科学技术发展而发展起来的，信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料，促使人们研制精细陶瓷，并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的进展，下面选择一些实例做简要的介绍。

高温结构陶瓷汽车发动机一般用铸铁铸造，耐热性能有一定限度。由于需要用冷却水冷却，热能散失严重，热效率只有30%左右。如果用高温结构陶瓷制造陶瓷发动机，发动机的工作温度能稳定在1300℃左右，由于燃料充分燃烧而又不需要水冷系统，使热效率大幅度提高。用陶瓷材料做发动机，还可减轻汽车的质量，这对航天航空事业更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机效果会更好。

目前已有多个国家的大的汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国也在1990年装配了一辆并完成了试车。陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应后获得：

3Si+2N2

Si3N4

高温结构陶瓷除了氮化硅外，还有碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝等。

透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者使光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)等。这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2000℃以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100℃，比普通硼酸盐玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达1200℃，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。

光导纤维从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100μm的细丝，称为石英玻璃纤维。玻璃可以透光，但在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维，是精细陶瓷中的一种。

利用光导纤维可进行光纤通信。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通信的理想光源。光纤通信与电波通信相比，光纤通信能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的需要。

光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高;外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放大。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。

在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。

用光缆代替通信电缆，可以节省大量有色金属，每公里可节省铜1.1t、铅2～3t。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。

光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等，对诊断、医治各种疾病极为有利。

生物陶瓷人体器官和组织由于种种原因需要修复或再造时，选用的材料要求生物相容性好，对肌体无免疫排异反应;血液相容性好，无溶血、凝血反应;不会引起代谢作用异常现象;对人体无毒，不会致癌。目前已发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求。利用这些材料制造了许多人工器官，在临床上得到广泛的应用。但是这类人工器官一旦植入体内，要经受体内复杂的生理环境的长期考验。例如，不锈钢在常温下是非常稳定的材料，但把它做成人工关节植入体内，三五年后便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出，这是生物合金的缺点。有机高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入体内。

氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，它还可以做人工关节用于很多部位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。羟基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕是骨组织的主要成分，人工合成的与骨的生物相容性非常好，可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。目前发现用熔融法制得的生物玻璃，如CaO-Na2O-SiO2-P2O5，具有与骨骼键合的能力。

陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必须考虑解决其脆性问题。

⑶ 纳米陶瓷

从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃;由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃，在这个期间，不论是原材料，还是制备工艺、产品性能和应用等许多方面都有长足的进展和提高，然而对于陶瓷材料的致命弱点──脆性问题没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级(10-6m)，有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级(10—9m)，用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。如室温下合成的TiO2陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100%，韧性极好。因此人们寄希望于发展纳米技术去解决陶瓷材料的脆性问题。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。

3.舍勒

卡尔·威廉·舍勒1742年12月19日出生于瑞典南部,是18世纪中期到18世纪后期的一位相当出名的科学家。

舍勒很早就对化学发生了兴趣,对于当时一些有名的化学书里的实验,他都重复做过。他进行了大量的实验研究,在实验研究中发现了许多新物质。1775年2月4日,舍勒当选为瑞典科学院院士。

舍勒早年曾在哥德堡、马尔默、乌普萨拉、斯德哥尔摩等地的药房短期工作过,大部分时间是在小城镇彻平的药房工作,大量实验研究也是在彻平进行的。舍勒经常处于穷困之中,大量的实验工作是用简陋的仪器在寒冷的实验室中进行的。他还经常在夜里工作,这大大损害了他的健康,得了哮喘病,使他在1786年5月21日过早地病故了,终年仅44岁。

舍勒的生命是短暂的,但他所取得的成果却相当多,他一生发现的新物质有30多种,这在当时是绝无仅有的。在舍勒一生的发现中,最为突出的贡献是发现氧气和氯气。

4.氯气的毒性

氯气主要通过呼吸道侵入人体,氯气对上呼吸道黏膜会造成有害的影响,它会溶解在黏膜所含的水分里,生成次氯酸和盐酸,次氯酸使组织受到强烈的氧化;盐酸刺激黏膜发生炎性肿胀,使呼吸道黏膜浮肿,大量分泌黏液,造成呼吸困难,所以氯气中毒的明显症状是发生剧烈的咳嗽。症状重时,会发生肺水肿,使循环作用困难而致死亡。由食道进入人体的氯气会使人恶心、呕吐、胸口疼痛和腹泻。

5.漂白粉

1774年,舍勒发现氯气的同时也发现了氯水对纸张、蔬菜和花具有永久性的漂白作用。1785年法国化学家贝托雷(ClaudelouisBerthollet)提出把漂白作用应用于生产,并注意到氯气溶于草木灰水形成的溶液比氯水更浓,漂白能力更强,而且无逸出氯气的有害作用。1789年英国化学家台耐特(SmithsonTennant)把氯气溶解在石灰乳中,制成了漂白粉。

现在工业上还是采用把氯气通入消石灰或石灰乳的方法制取漂白粉。消石灰要含略少于1%(质量分数)的水,因为极为干燥的消石灰是不跟氯气反应的。生产漂白粉的反应过程比较复杂,主要反应可以表示如下:

3Ca(OH)2+2Cl2=Ca(ClO)2+CaCl2·Ca(OH)2·H2O+H2O

在较高级的漂白粉中,氯化可按下面的化学方程式进行,反应比较安全。

2CaCl2·Ca(OH)2·H2O+2Cl2+8H2O=Ca(ClO)2+3CaCl2·4H2O

漂白粉是混合物,有效成分是Ca(ClO)2。商品漂白粉往往含有Ca(OH)2、CaCl2、Ca(ClO)2和Cl2等杂质。

当溶液中碱性增大时,漂白作用进行缓慢。所以工业上使用漂白粉时要加入少量弱酸,如醋酸等,或加入少量稀盐酸。家庭使用漂白粉不必加酸,因为空气中的二氧化碳溶在水里也起弱酸的作用:

Ca(ClO)2+H2O+CO2=CaCO3↓+2HClO

漂白粉的质量是按它的“有效氯”以及它能长时间保持有效氯的能力来决定的。有效氯是根据它同盐酸作用时产生的氯气的量来计算的。反应的化学方程式是:

Ca(ClO)2+4HCl=2Cl2+CaCl2+2H2O

Cl2+2HI=2HCl+I2

2Na2S2O3+I2=Na2S4O6+2NaI

漂白粉的有效氯=漂白粉加酸所释放出的氯气的质量漂白粉的质量×100%

反应生成的碘用硫代硫酸钠(Na2S2O3)溶液来滴定，再计算出漂白粉所释放出的氯气的质量。漂白粉的氧化能力通常用有效氯的质量分数来表示,工业品漂白粉一般含有效氯35%,高的可以达到40%。

6.饮水消毒

饮水消毒的方法有很多，如煮沸、紫外线照射、通O3等等。目前我国大规模的饮水消毒主要用氯──加液氯(少数地方的水厂也有加漂白粉或漂粉精的)。消毒的主要作用是杀灭可引起霍乱、伤寒、痢疾等疾病的病菌。

用Cl2消毒的水可能有臭味，氯使水中的有机物氯化，产生危害人体健康的有机氯化物如CHCl3等，是潜在的致癌物质。世界各国都正在研究并开始采用新的自来水杀菌消毒剂，如臭氧(O3)、二氧化氯(ClO2)、Na2FeO4等。

约从20世纪40年代起，国外就有用ClO2消毒饮用水的。ClO2杀菌、漂白能力优于Cl2，且没有臭味生成。文献报道按ClO2、Cl2质量及其产物计，ClO2消毒能力是等质量Cl2的2.63倍。

把Cl2通入NaClO2溶液即得ClO2：

2NaClO2+Cl2=2ClO2+2NaCl

因ClO2成本高，所以有前期用Cl2消毒和后期用ClO2消毒的方法。

臭氧具有很强的氧化性，能杀死水中的细菌，且没有副作用。

Na2FeO4为紫色物，溶于水呈紫红色(像MnO4-)，能氧化细菌消毒转为Fe(OH)3沉淀，不生成致癌、致畸的CHCl3。

7.神奇的一氧化氮分子

美国SCIENCE杂志自1989年起，每年度评选一个对于科学发展和社会受益有重要影响的分子，授予明星分子的荣誉称号。NO分子曾是一个不起眼的小分子，1992年因其神奇的生物活性被评选为明星分子。

⑴ NO分子的结构

根据分子轨道理论，第二周期电子数小于或等于14的双原子分子其能级次序与N2分子相同，电子数等于或大于16的双原子分子的能级次序与O2分子相同，那么电子数为15的NO分子能级次序究竟同O2还是同N2呢?有人根据NO与O2+为等电子分子，提出能级次序同O2，然而量子化学计算和NO分子的紫外光电子能谱表明，NO分子能级次序同N2，其电子组态为1σ22σ23σ24σ21π45σ22π1。N和O之间的三键由一个双电子σ键、一个双电子π键和一个三电子π键组成，NO与N2、O2分子键长、键解离能与磁性比较见表4-1：

表4-1NO与N2、O2分子的比较

分子键长/pm键解离能/(kJ/mol)磁性

N2109.74941.69反磁性

NO115.08678顺磁性，单自由基分子

O2120.74493.54顺磁性，双自由基分子

⑵ NO的物理和化学性质

NO的相对分子质量为30.01，熔点为-163.6℃，沸点为-151.8℃，密度为1.3402g/L，微溶于水，但不与水反应，溶于乙醇，具有脂溶性，这使NO不需要任何中介机制就可快速扩散通过生物膜。

⑶ NO分子的生物活性

NO生物活性最早发现于1980年。美国科学家Furchaout在一项研究中发现了一种小分子的物质，具有使血管平滑肌松弛的作用，后来被命名为血管内皮细胞舒张因子(简称EDRF)，是一种不稳定的生物自由基。EDRF被确认为NO，NO在O2及O2-存在时可迅速被氧化成NO2，以NO3-和NO2-的形式存在于细胞内、外液中而失去生物活性;在超氧化物歧化酶(SOD)和酸性条件下化学性质较稳定。

细胞依靠一种名叫一氧化氮合成酶(NOS)的物质，以L-精氨酸和分子氧为底物，同时在某种辅助因子帮助下，从L-精氨酸上脱去5个电子而生成NO和另一种氨基酸。NO的生物半衰期只有3～5s。

⑷ NO在神经系统中的作用

NO有时承担着作为神经系统递质的作用。但与一般递质不同的是，它没有特殊的储存“设备”，也没有特殊的释放机理过程，只要需要，它就简单地从制造细胞中释放出来。NO的传送过程也杂乱无章，它不需要接收的入口而直接穿透膜层，它已知的目标是细胞内层的酶，可以载着信息将其传送到任何它所能及的地方。

8.大气污染的危害

人必须依靠呼吸新鲜空气来维持生命，一个成年人，平均每天呼吸20000次，平均吸入15kg空气，其质量大约相当于每天所需食物及饮水质量的10倍。有报导指出，人可以几天不喝水，不吃东西，但不能几分钟不呼吸。

大气污染物主要通过呼吸道进入人体，也有少量通过接触和刺激体表进入人体。人体吸入的空气经过鼻腔、咽部、喉头、气管、支气管后进入肺泡，并在肺泡上进行气体交换。当血液通过肺泡毛细管时，放出二氧化碳，吸收氧气。含氧的血液被输送到人体各部分，供人体组织和细胞新陈代谢用。如果生活在烟雾迷漫的环境中，空气中的有毒、有害污染物就会溶于体液或沉积在肺泡上，轻者会使上呼吸道受到刺激而有不适感，重者会引起疾病，使呼吸道和肺功能损害，引起病变。

大气污染对人体健康的危害大致可分为急性中毒、慢性中毒和致畸致癌作用等三种。

急性中毒发生在某些特殊条件下。例如，工厂在生产过程中发生事故，造成大量有害气体泄漏;外界气候条件突然变化等，都会引起人群的急性中毒。例如，震惊世界的伦敦烟雾事件、美国联合碳化物公司印度博帕尔市农药厂剧毒气体泄漏事件等。

慢性中毒主要表现在人体长期连续地吸入低浓度的污染物导致患病率上升。二氧化硫、飘尘、氮氧化物等即使浓度很低也能刺激呼吸系统，诱发呼吸道的各种炎症。日本“四日市哮喘病”是慢性中毒的典型例子。

致畸致癌作用指的是随着空气污染的加剧，空气中致畸致癌物质的含量日益增多，造成婴儿畸形和癌症的发病率增高。城市中肺癌发病率、死亡率往往高于农村就是一个典型的例子。

除硫氧化物、氮氧化物、飘尘等对人体健康有很大危害外，氟化物、有毒重金属如铅、镉、锌、钛、锰、钒、钡、汞，以及砷等，都可能引起人体慢性中毒，有的可引起癌症。

9.汽车尾气净化催化剂——三效催化剂TWC(Three-WayCatalyst)

汽车尾气的主要有害成分是碳氢化合物(CnHm)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)。这三种物质对人体都有毒害，其中CnHm及NOx在阳光及其他适宜条件下还会形成光化学烟雾，危害更大。消除汽车尾气中这些有害成分的方案主要有两种：一种是改进发动机的燃烧方式以减少有害气体的排放;另一种是采用催化转化器将尾气中的有害气体净化。首先，1975年美国在新型车上安装了催化转化器，接着日本、西欧等国家也先后采用催化转化器以满足自己国家汽车排放法规的要求。汽车催化转化器有两种类型，一种是氧化型催化反应器，使尾气中的CnHm和CO与尾气中的余氧反应，生成无害的H2O和CO2，从而达到净化目的。

由于对NOx等污染物排放标准的强制化和降低燃料消耗的要求，一方面应尽量控制空燃比在14.6附近运转，另一方面应采用控制点火时间和废气再循环等方法，以减少尾气中的NOx。然而这些方法的缺点是往往会增加尾气中的CnHm和CO。为了解决这个问题，出现了三效催化剂(英文名为Three-WayCatalyst)，简称TWC。这种催化剂的特性是用一种催化剂能同时净化汽车尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CnHm)和氮氧化物(NOx)，但为了发挥其催化性能，必须将空燃比经常控制在14.6±0.1附近，这种催化净化器具有较高的净化率，但需要有氧传感器、多点式燃料电子喷射、电子点火等闭路反馈系统相匹配。这种催化净化器是利用尾气中的O2、NOx为氧化剂，CO、CnHm和H2为还原剂，在理论空燃比附近可发生如下反应：

2CO+O2=2CO2

2CO+2NO=N2+2CO2

2NO+2H2=N2+2H2O

现在应用的三效催化剂大部分是以多孔陶瓷为载体，再附着上所谓的活化涂层(Washcoat)，最后用浸渍的方法吸附活性成分。催化剂的活性成分主要采用贵金属铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等。由于贵金属资源少、价格贵，各国科学家都在致力于研究经济上和技术上都可行的稀土/钯三效催化剂。预计这种催化剂将有很好的应用前景。

三效催化净化器的优点是净化率与燃料经济性都比较好，主要问题是成本费用昂贵。由于柴油机排放的气体中残留的氧较多，使氧传感器的控制不灵敏，故三效催化净化器一般不用于柴油机，而只适用于汽油机。

10.浓、稀硫酸氧化作用不同的原因

浓硫酸是一种氧化作用相当强的氧化剂，特别是当加热时，它的氧化性就更强了。浓硫酸的氧化作用是由于分子里有氧化数为+6的硫所引起的。

加热时，绝大多数金属(Au、Pt除外)都能与浓硫酸发生反应，但都没有氢气生成。在金属活动性顺序中氢前面的金属，根据它们还原性强弱的不同，硫酸分子里氧化数为+6的硫，能被还原成不同氧化数的产物，如SO2、S和H2S等。在一般情况下，大多生成SO2。在加热情况下，当还原性强的锌与浓硫酸作用时，主要生成SO2，但往往同时有单质S和H2S生成。

Zn+2H2SO4(浓)

ZnSO4+SO2↑+2H2O

3Zn+4H2SO4(浓)

3ZnSO4+S↓+4H2O

4Zn+5H2SO4(浓)

4ZnSO4+H2S↑+4H2O

金属的还原性越强，生成S和H2S的倾向就越大。在金属活动性顺序里氢以后的金属，在加热情况下与浓硫酸反应，都生成SO2，而不生成S和H2S。例如：

Cu+2H2SO4(浓)

CuSO4+SO2↑+2H2O

稀硫酸与活泼金属反应，能放出H2。

Zn+H2SO4(稀)=ZnSO4+H2↑

这种氧化作用，实际上是金属与稀硫酸里电离出来的氢离子反应而引起的。因此，稀硫酸的氧化作用是一般酸类共有的性质。但氢离子只能氧化金属活动性顺序中位于氢前面的金属，如Mg、Zn、Fe等，或者说是这些活泼金属的还原性把氢离子还原了。而位于氢后面的金属，如Cu、Ag、Hg等，则不能与稀硫酸反应。

11.硝酸的浓度和氧化能力

当硝酸与金属反应时，硝酸被还原的程度取决于酸的浓度和还原剂的强弱。对于同一种还原剂来说，酸愈稀，被还原的程度愈大。例如，铜与浓硝酸的反应中，→;而铜与稀硝酸的反应中，→。

上述反应中当硝酸的浓度为8mol/L以上时，还原的主要产物是NO2。这是因为硝酸越浓，氧化性越强，反应过程中生成的低价氮的化合物，在强的氧化气氛中不能存在，继续被氧化成高价的氮的化合物NO2。当硝酸较稀时，它的氧化性也较弱，氮的低价氧化物能够存在，所以主要产物是NO。

两者电位接近，所以在同一反应中，产生的NO和NO2的机会相近，在溶液中能达成以下平衡：

3NO2+H2O

2HNO3+NO

浓硝酸与金属反应时，最初可能生成NO，但由于硝酸浓度很大，使平衡强烈地向左移动，主要产物为NO2;当稀硝酸与金属反应时，由于硝酸浓度小，平衡向右移动，主要产物为NO。

因此，我们不能简单地就浓、稀硝酸的还原产物来解释浓、稀硝酸氧化能力的强弱。

12.硝酸与金属反应的一般规律

硝酸与金属的反应是相当复杂的。在这类氧化还原反应中，包括许多平行反应。因此，可以得到多种还原产物，而且在还原产物之间还进行氧化还原反应。

某些金属(如镁、锌)与小于2mol/L的硝酸反应时，还会产生一定量的氢气。

硝酸的还原产物，除取决于硝酸的浓度、还原剂的还原能力外，还与反应温度和反应中间产物(HNO2、NO2)的催化作用有关，反应虽复杂，但硝酸与金属的反应是有规律的。

⑴ 在金属活动性顺序中，位于氢后面的金属如铜、汞、银等，与浓硝酸反应时，主要得到NO2，与稀硝酸反应时，主要得到NO。

⑵ 在常温下Fe、Co、Ni、Al等金属在浓硝酸中发生“钝化”，在金属表面覆盖一层致密的金属氧化物薄膜，阻止反应进一步发生。这些金属与稀硝酸作用主要生成N2O(有的认为是NO)，这是由于它们的还原性较强，能将硝酸还原成较低价的N2O。如与更稀的硝酸反应则生成氨(钴在同样条件下则生成氮气)。

⑶ 镁、锌等金属与不同浓度的硝酸作用能得到氮的不同低价态的还原产物。例如，当硝酸中HNO3的质量分数为9%～33%(密度为1.05～1.20g/cm3)时，反应按下式进行：

4Zn+10HNO3=4Zn(NO3)2+5H2O+N2O↑

若硝酸更稀，反应会生成氨，氨与过量的硝酸进一步反应生成硝酸铵。

4Zn+10HNO3=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O

⑷ Au、Pt、Ir、Rh等重金属与浓、稀硝酸都不反应，因为它们特别稳定，不易被氧化。

⑸ Sn、Sb、W、V等金属与浓硝酸作用，生成金属氧化物，而不是硝酸盐(因为这些金属氧化物不溶于硝酸，反应不再继续发生)。

13.氨水

氨水是无色液体，工业和农业用的氨水常因含有铁离子等杂质而显浅黄色。氨水有强烈的刺激性气味，对眼睛黏膜有强烈的刺激性，对伤口有腐蚀性。

氨水的密度小于纯水的密度，最浓的氨水中NO3的质量分数为35.28%，密度为0.88g/cm3。农业用氨水的质量分数一般为20%，折合含氮的质量分数为15%～17%。氨水是速效肥，施入土壤后很快被农作物吸收，不会残留有害物质，也不会影响土壤的结构和性质。氨水可以作为追肥和基肥，要深施，不能直接施在作物的茎、叶上，以防烧伤作物。氨水易分解，挥发性很大，在运输、储存和施用等环节中都要注意防止氨的挥发，以减少肥分损失。氨水对多种金属有腐蚀作用，运输、储存容器常用橡皮袋、塑料桶、陶瓷罐或涂沥青的铁桶等。

氨水在医疗上用于治疗昏厥和外用消毒等，也是家庭中常用的清洁剂。

14.氮肥

植物生长需要不断从外界摄取各种营养元素，如碳、氢、氧、氮、磷、钾、硫、钙、镁、铁、铜、锰、锌、硼、钼等。前十种元素植物需要量较多，叫大量元素;后面几种元素植物需要量很少，叫微量元素。其中碳、氢、氧可以从空气中的CO2和土壤里的水分中获得，除部分地区缺乏个别微量元素外，一般土壤里都供给有余。只是氮、磷、钾三种元素，土壤里供给不足，而植物生长时需要量又较大。因此，对这三种元素的人工施肥在农业生产上具有重要意义，所以把氮、磷、钾三种元素叫做肥料三要素。

氮是形成植物细胞里原生质的主要成分——蛋白质的重要元素，也是形成核酸和叶绿素的重要元素。因此，要使庄稼生长茂盛，就不能缺少氮肥。

绿色植物一般不能从空气里直接摄取它们所需要的氮，也不能从土壤里吸取复杂的含氮的有机物。植物从土壤里摄取的氮主要是铵盐和硝酸盐里的氮。

土壤里的氮被植物所吸取，含氮量就会减少。同时，土壤里有些细菌能够使含氮的物质分解，使化合态的氮变为游离态的氮。另外，雨水、河水也会冲洗掉一部分土壤里的氮的化合物。这些作用都会使土壤里含氮量减少。但是，自然界里还有另外一些过程在补充着土壤里减少的氮。例如，动植物的残体腐败的时候，其中含氮的有机化合物在某些细菌的作用下，大部分转化为氨。一部分氨跟土壤里的酸如碳酸、有机酸等起反应，变成铵盐;一部分氨在硝化细菌的作用下逐渐氧化为硝酸。生成的硝酸跟土壤里的盐类(如碳酸盐)起反应变成了硝酸盐。这样，有机物里的氮就转化为铵盐和硝酸盐，回到土壤里，供植物摄取。

土壤里的固氮菌和豆科植物的根部根瘤菌能够直接摄取空气里的氮气，把氮气转化为氮的化合物。这也是增加土壤里含氮量的途径之一。

自然界里虽然进行着添加土壤里化合态氮的作用，但仍不能满足农业增产、高产的需要，我们必须采取各种方法如施用氮肥、细菌肥料、轮种豆科作物等，来增加土壤里的氮，提高土壤的肥力。

氮肥可以根据它们的来源分为农家氮肥和化学氮肥两类。农家氮肥有厩肥、饼肥等;化学氮肥有硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵、氨水和尿素等。

氮肥是速效肥料。在用氮肥作追肥时，应考虑作物发育状况，如在开花期，一般作物都需要消耗大量的氮肥，因此必须在开花以前追以足量的氮肥。而在成熟期应避免增施氮肥。还必须指出，氮肥的施用必须跟磷、钾等肥料配合，才能达到增产的目的。

氮肥也可以根据它们的化合形态分为：① 铵态氮肥(含铵根的)，如硫酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、氨水，以及较少情况下用的氯化铵;② 硝酸态氮肥(含有硝酸根的)，如硝酸钾、硝酸钙;③ 酰胺态氮肥(含有CONH2基的)，如尿素[CO(NH2)2];④ 蛋白质态氮肥(氮主要以蛋白质形态存在)，如厩肥、饼肥等。前两类氮肥能直接供农作物吸收利用，后两类氮肥要分解转化为铵态氮或硝酸态氮后才能产生肥效。

现把几种主要氮肥的性质及施用、保存方法列于表4-2中。

表4-2一些主要氮肥的性质和施用、保存方法

肥料

类型名称化学式性状含氮量

(氮的质

量分数)水溶性熔点施用和保

存方法

铵态

氮肥

硫酸铵 (NH4)2SO4白色晶体，微粒20%～21% 易溶 235 ℃

分解 稳定固体，可撒施

氯化铵

NH4Cl白色晶体，微粒24%易溶340 ℃

升华同上

碳酸

氢铵NH4HCO3 白色晶体，易分解、挥发 16%～17%能溶 36～60 ℃

分解用时应深施覆土。保存时应密封存放在干燥阴凉处

硝酸铵

NH4NO3白色晶体，微粒 34%～35% 易溶169.6 ℃稳定固体，可撒施

氨水NH3·H2O无色到黄色水溶液，有刺激性气味16%～17% 和水可以任何比率混合 易挥发，有碱性和腐蚀性，使用时要稀释，施后应覆土或穴施

硝酸态氮肥 硝酸钙

Ca(NO3)2白色晶体，微粒 17%易溶561 ℃ 易吸潮结块，稳定，可撒施

硝酸钾KNO3白色晶体，微粒14%(含K 39%)易溶 334 ℃ 稳定，可撒施

酰铵态氮肥 尿素CO(NH2)2 白色晶体，微粒 42%～46%微溶 132.7 ℃ 稳定，可撒施或深施

当在土壤中施用硫酸铵时，由于植物吸收NH4+比SO42-快且数量多，最后硫酸根留在土壤里，使土壤的酸性增加。所以，长期施用硫酸铵，会使土壤板结硬化。

由于氯化铵中的Cl-会降低烟草的燃烧性，使烟草味道变坏，而且Cl-也会使薯类的淀粉含量降低，因此NH4Cl不适用于糖类、淀粉作物及烟草等。

硝酸铵既含有硝态氮又含有铵态氮，都易被植物吸收，是含氮量较高的氮肥，但NO3-容易流失，特别在水田里施用更易流失。

碳酸氢铵跟硫酸铵的肥效相近，因为它不含硫酸根，不会使土壤变酸性。碳酸氢铵容易分解。

液氨和氨水也是很好的氮肥。如果施用得法，肥效跟硫酸铵大致相同。但施用时不能跟种子和茎叶接触，以防止烧伤。氨水施入土壤后，氨水里的NH4+一部分可被植物直接吸收，另一部分被土壤吸收，然后逐渐供给作物，或在硝化细菌的作用下，转变为硝酸根，再被作物吸收。由于在稻田施用氨水能杀死鱼蟹，因此在这种情况下，不宜施用氨水作肥料。

尿素是目前含氮量最高的固体氮肥。它不能直接被植物吸收，但在土壤细菌的作用下，尿素转变为碳酸铵后，能被植物吸收。经常施用尿素，对土壤没有不良影响。

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