常见非金属单质 | 自在学

常见非金属单质

金属固然重要，但自然界中还有一大类物质同样不可或缺——非金属单质。火柴的燃烧离不开磷，焰火的色彩与硫的化合物有关，自来水能消毒是因为加入了氯气，而空气中占比最大的气体氮气，则默默守护着食品不变质。这些非金属单质各有各的“脾气”，有的性情活泼，有的沉稳内敛，认识它们的性质，是理解化学世界不可缺少的一步。

硫的性质与用途

硫（ $S$ ）是一种常见的非金属单质，自然界中以纯硫或硫化物的形式存在于火山口附近、矿石中。纯净的硫在常温下是一种黄色固体，质地较脆，用手搓碎后有轻微的特殊气味。

硫的物理性质

硫不溶于水，但能溶于二硫化碳（ $CS_2$ ）。利用这一特性，工业上曾用二硫化碳提取矿石中的硫。生活中的硫磺皂、硫磺粉均含有硫，可用于治疗皮肤疾病。

硫在空气中燃烧

将硫粉点燃后，在空气中燃烧，发出淡蓝色火焰，生成有刺激性气味的气体——二氧化硫（ $SO_2$ ）。

S + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} SO_2

硫在纯氧中燃烧

将燃烧的硫伸入盛有纯氧的集气瓶中，火焰颜色变为明亮的蓝紫色，反应更为剧烈，同样生成 $SO_2$ 。

S + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} SO_2

硫在空气和纯氧中燃烧的化学方程式相同，但在纯氧中反应更剧烈，火焰更明亮。这与铁、碳等物质在纯氧中燃烧更剧烈的规律一致——氧气浓度越高，燃烧越剧烈。

二氧化硫（ $SO_2$ ）的危害

硫燃烧生成的 $SO_2$ 是一种无色、有强烈刺激性气味的有毒气体。 $SO_2$ 溶于水后生成亚硫酸（ $H_2SO_3$ ），是酸雨形成的原因之一。工厂烟囱排放的含硫烟气必须经过“脱硫处理”，才能减少大气污染。

例题

将 $3.2\,\text{g}$ 硫粉在足量氧气中完全燃烧，生成 $SO_2$ ，求生成 $SO_2$ 的质量。（已知 $S$ 的相对原子质量为，为）

写出反应方程式及质量比：

S + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} SO_2

32 \hspace{8em} 64

$S$ 的相对原子质量为 $32$ ， $SO_2$ 的相对分子质量为 $32 + 16 \times 2 = 64$ ，质量比为。

设生成 $SO_2$ 的质量为 $x$ ：

\frac{3.2\,\text{g}}{x} = \frac{32}{64}

x = \frac{3.2\,\text{g} \times 64}{32} = 6.4\,\text{g}

生成 $SO_2$ 的质量为 $6.4\,\text{g}$ 。

氯气的性质

氯气（ $Cl_2$ ）是生活中接触较多的非金属气体之一——游泳池的消毒气味、漂白液的刺鼻味道，都与氯气或其化合物有关。了解氯气的性质，有助于认识它在消毒、漂白方面的应用，以及如何安全使用含氯产品。

氯气的物理性质

氯气是有毒气体，浓度较高时会强烈刺激眼睛和呼吸道，严重时可导致肺水肿甚至死亡。实验室制备或接触氯气时，必须在通风橱中进行，一旦闻到刺激性气味应立即撤离并呼吸新鲜空气。

氯气与水的反应

氯气溶于水后，与水发生反应，生成盐酸（ $HCl$ ）和次氯酸（ $HClO$ ）：

Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO

次氯酸（ $HClO$ ）是一种弱酸，具有强氧化性，能杀灭细菌和病毒，也能漂白有色物质——这就是氯气用于自来水消毒和漂白的原因。

次氯酸（ $HClO$ ）不稳定，在光照下容易分解： $2HClO \xrightarrow{\text{光照}} 2HCl + O_2\uparrow$ 。因此，含氯漂白剂要避光保存，否则漂白效果会迅速下降。

氯气与氢氧化钠的反应

工业和实验室中，多余的氯气（尾气）不能直接排放到大气中，通常用氢氧化钠（ $NaOH$ ）溶液来吸收处理：

Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O

生活中常用的“84消毒液”，主要成分就是次氯酸钠（ $NaClO$ ），是用氯气与氢氧化钠溶液反应制成的，具有杀菌消毒的作用。

氯气的用途

例题

游泳池中使用氯气消毒时，往往会闻到一股刺鼻的气味，这种气味究竟来自什么物质？消毒的原理是什么？

游泳池中闻到的刺鼻气味，并非来自 $Cl_2$ 本身（虽然 $Cl_2$ 也有气味），而主要来自 $Cl_2$ 与水反应生成的和，以及进一步与有机物反应产生的氯胺类物质。消毒原理是：溶于水后生成具有强氧化性的次氯酸（），能氧化并破坏细菌细胞的结构，从而起到杀菌作用。

氮气的性质

空气中约有 $78\%$ 的氮气，它“沉默寡言”，在常温下几乎不与任何物质发生反应，化学性质极其稳定。正是这种稳定性，使氮气成为食品保鲜、金属冶炼中不可替代的“保护气体”。

氮气的物理性质

氮气的化学稳定性

氮气分子由两个氮原子通过三键（ $N \equiv N$ ）紧紧连接，这种极强的化学键使氮气在常温下非常稳定，难以参与化学反应。

氮气化学性质稳定的根本原因在于 $N \equiv N$ 三键的键能极大，断裂这根键需要消耗大量能量。因此，大多数情况下，氮气“惰于”参与反应，这也是它能用于食品保鲜的基础。

氮气与氧气在放电条件下的反应

雷电时，空气中的氮气和氧气在瞬间高温高压条件下发生反应，生成一氧化氮（ $NO$ ）：

N_2 + O_2 \xrightarrow{\text{放电}} 2NO

$NO$ 再进一步与空气中的氧气反应，生成二氧化氮（ $NO_2$ ）：

2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2

$NO_2$ 溶于雨水后生成硝酸（ $HNO_3$ ），这就是“雷雨发庄稼”的化学原理——每一次闪电都相当于一次小型的固氮过程，生成的硝酸根离子能被植物吸收利用，起到施肥的效果。

工业合成氨

在实验室和自然条件下，氮气极难发生反应。但在高温、高压并使用铁作催化剂的条件下，氮气可以与氢气反应，合成氨气（ $NH_3$ ）：

N_2 + 3H_2 \underset{\text{催化剂}}{\overset{\text{高温高压}}{\rightleftharpoons}} 2NH_3

这一反应是工业上制造化肥（尿素、硝酸铵等）的基础，被称为“哈伯法合成氨”，是人类解决粮食问题的重要化学成就之一。

氮气的用途

例题

薯片包装袋充入的气体，打开后会明显感觉袋内气体“不支持燃烧”，这袋气体最可能是什么？为什么选择它而不选择二氧化碳？

袋内充入的是氮气（ $N_2$ ）。选择氮气而非二氧化碳的原因：氮气和二氧化碳都能起到隔绝氧气的作用，防止食品氧化变质。但薯片是酥脆的食品，二氧化碳会溶于食品中的少量水分，生成碳酸，影响口感；而氮气化学性质更稳定，不与食品发生任何反应，也不影响口感，因此充氮保鲜是食品行业的首选方案。

磷的性质与火柴的秘密

磷（ $P$ ）是一种非金属元素，有多种同素异形体，其中最常见的是红磷和白磷。两者化学式相同（均为 $P$ ），但结构不同，物理性质和化学活泼性差异显著。

红磷与白磷的对比

白磷的着火点极低，约 $40\,°C$ ，在潮湿空气中放置过久就会自燃。实验室中白磷必须保存在冷水中，绝不能用手直接接触，更不能将白磷随意暴露在空气中。

磷的燃烧反应

磷在氧气中燃烧，产生大量白色烟雾（五氧化二磷， $P_2O_5$ ），是中学化学验证空气组成时最经典的实验之一：

4P + 5O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2P_2O_5

红磷在空气中点燃时，会发出白色烟雾，冷却后集气瓶内气压降低，水面会上升——利用这一现象，可以测定空气中氧气的体积分数（约占 $\frac{1}{5}$ ）。

安全火柴的原理

安全火柴的设计正是利用了红磷的性质：火柴盒侧面涂有红磷和玻璃粉的混合物，火柴头含有氧化剂（如 $KClO_3$ ）。划燃时，摩擦产生的热量点燃红磷，红磷再引燃火柴头上的氧化剂，从而实现安全点火。

安全火柴将白磷改为红磷，大大降低了意外起火的风险。红磷着火点约 $240\,°C$ ，日常温度下不会自燃，只有通过摩擦产生足够热量时才会点燃，因此称为“安全”火柴。

常见非金属单质的比较

学完硫、氯气、氮气、磷这四种非金属单质后，用一张综合表格来整体对比它们的主要性质：

从以上可以看出，四种非金属单质的性质各不相同：氯气最活泼也最危险，氮气最稳定，硫和磷则处于中间水平。

非金属单质与金属一样遵循“性质决定用途”的规律：氮气化学性质稳定，所以用来保鲜；氯气氧化性强，所以用来消毒；磷着火点低，所以用来制造火柴；硫能与橡胶发生硫化反应，所以用来提升橡胶性能。

练习题

选择题

第一题　将硫粉点燃后伸入盛有纯氧的集气瓶中，下列描述正确的是（　　）

A. 硫在纯氧中燃烧，火焰为红色，生成白色固体

B. 硫在空气中燃烧发出淡蓝色火焰，伸入纯氧后火焰变为明亮蓝紫色

C. 硫在纯氧中燃烧，生成的气体是三氧化硫（ $SO_3$ ）

D. 硫在纯氧中不能燃烧，因为纯氧中没有氮气

第二题　关于氯气的性质，下列说法不正确的是（　　）

A. 氯气是黄绿色气体，有强烈刺激性气味，有毒

B. 氯气溶于水后与水反应，生成的次氯酸（ $HClO$ ）具有漂白性

C. 氯气密度比空气小，泄漏时会向上扩散

D. 工厂排放多余氯气时，可用氢氧化钠溶液进行吸收处理

答案：C

氯气的密度约为 $3.17\,\text{g/L}$ ，空气平均密度约为 $1.29\,\text{g/L}$ ，氯气比空气重，泄漏后会沉积在低处而非向上扩散（C 错误，为答案）。氯气是黄绿色有毒气体（A 正确）； $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$ ，生成的具有漂白性（B 正确）；用溶液吸收尾气中的是正确的处理方法（D 正确）。

第三题　薯片、饼干等食品包装袋内充入气体的主要目的是防止食品被氧化变质，最适合充入的气体是（　　）

A. 二氧化碳（ $CO_2$ ）

B. 氮气（ $N_2$ ）

C. 氧气（ $O_2$ ）

D. 氢气（ $H_2$ ）

答案：B

氮气化学性质稳定，无毒无味，不与食品成分发生任何反应，是食品充气保鲜的最佳选择（B 正确）。二氧化碳虽也能隔绝氧气，但溶于水后变成碳酸，会影响食品口感，部分场合也会使用，但整体效果不如氮气（A 不最优）；充入氧气会加速食品氧化腐败（C 错误）；氢气具有可燃性，存在爆炸风险，不安全（D 错误）。

第四题　做“测定空气中氧气体积分数”实验时，选用红磷而不选用木炭的原因是（　　）

A. 红磷比木炭便宜，更经济实惠

B. 木炭燃烧生成 $CO_2$ 气体，瓶内气压不能显著降低，水面上升不明显

C. 红磷的着火点比木炭低，更容易点燃

D. 木炭在空气中不能燃烧

答案：B

木炭燃烧生成 $CO_2$ ，虽然消耗了 $O_2$ ，但同时产生了等体积的 $CO_2$ ，瓶内气体总量变化不大，气压下降不明显，水面上升高度不准确（B 正确）。红磷燃烧生成固体，不产生气体，被消耗后瓶内气压明显降低，水面上升约，结果准确。选项A与实验原理无关；选项C说的是红磷着火点高（约），反而比白磷难点燃；选项D错误，木炭在空气中可以燃烧。

计算题

第五题　工厂废气中含有 $SO_2$ ，需要用石灰水（ $Ca(OH)_2$ 溶液）吸收处理，反应方程式为：

SO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaSO_3\downarrow + H_2O

已知某工厂每天排放废气中含 $SO_2$ 共 $64\,\text{g}$ ，试计算：

（1）需要消耗多少克 $Ca(OH)_2$ ？

（2）生成 $CaSO_3$ 沉淀多少克？

（已知各元素相对原子质量： $S = 32$ ， $O = 16$ ， $Ca = 40$ ， $H = 1$ ）

第六题　实验室中，将一定质量的红磷放入密闭容器中点燃，红磷完全燃烧后生成 $P_2O_5$ ，冷却后容器内气压降低，水面上升了 $100\,\text{mL}$ （即消耗了 $100\,\text{mL}$ 氧气）。已知实验条件下氧气的密度为 $1.43\,\text{g/L}$ ，试计算：

（1）消耗氧气的质量是多少？

（2）参与反应的红磷（ $P$ ）的质量是多少？

（已知： $P$ 的相对原子质量为 $31$ ， $O$ 为 $16$ ； $100\,\text{mL} = 0.1\,\text{L}$ ）