高中化学知识框架·必修第二册（人教版 2019 版）

第五章 化工生产中的重要非金属元素　必修第一册按金属与非金属各取一个代表，本章补上硫与氮 —— 两种都有多个价态的非金属。价态一多，「谁氧化谁」就成了主线。

第一节 硫及其化合物　硫单质：俗称硫黄，淡黄色固体，不溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳。氧化性弱，与铁反应只生成硫化亚铁。　二氧化硫的物理性质：无色、有刺激性气味的有毒气体，密度比空气大，易溶于水。收集用向上排空气法。　二氧化硫的漂白性：与有色物质结合成不稳定的无色物质，加热后颜色又恢复。这与氯水的氧化漂白不可逆不同。　二氧化硫的还原性：硫为 +4 价，处于中间价态，能被氯水、双氧水、高锰酸钾氧化为硫酸根。这是它的主要性质。　浓硫酸的三大特性：吸水性可作干燥剂，脱水性使蔗糖变黑，强氧化性使它与铜共热放出二氧化硫而不是氢气。　钝化：常温下浓硫酸与浓硝酸使铁、铝表面生成致密氧化膜而停止反应，所以可用铁槽车运输。　硫酸根的检验：先用稀盐酸酸化排除碳酸根与亚硫酸根，再加氯化钡溶液，生成不溶于酸的白色沉淀。　酸雨：主要由二氧化硫和氮氧化物排放引起。防治的关键是脱硫，工业上常用石灰石固硫。　S + O₂ = SO₂（硫在氧气中燃烧）　适用：点燃条件下发生。在空气中是淡蓝色火焰，在纯氧中呈明亮的蓝紫色　Fe + S = FeS（硫的氧化性）　适用：加热条件下发生。硫的氧化性弱，只能把铁氧化到 +2 价　SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃（二氧化硫与水）　适用：可逆反应。生成的亚硫酸不稳定，容易分解回二氧化硫和水　SO₂ + Cl₂ + 2H₂O = H₂SO₄ + 2HCl（二氧化硫的还原性）　适用：常温进行。两种漂白性气体混合后漂白能力反而消失　2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃（工业制硫酸的关键一步）　适用：催化剂、加热条件下的可逆反应，工业上称接触氧化　Cu + 2H₂SO₄(浓) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O（浓硫酸的强氧化性）　适用：需要加热。随着反应进行硫酸变稀，反应会自行停止　C + 2H₂SO₄(浓) = CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O（浓硫酸氧化非金属）　适用：需要加热。三种气体产物是检验实验的设计依据　SO₂ + Ca(OH)₂ = CaSO₃↓ + H₂O（尾气吸收与脱硫）　适用：常温进行。工业脱硫多用石灰石浆液，产物再氧化成石膏

第二节 氮及其化合物　氮的固定：把游离态的氮转变为化合态。分自然固氮（雷雨、根瘤菌）与人工固氮（合成氨）。　一氧化氮与二氧化氮：一氧化氮无色、难溶于水，遇空气立即变为红棕色的二氧化氮；二氧化氮溶于水生成硝酸并放出一氧化氮。　氨的物理性质：无色、有刺激性气味的气体，密度比空气小，极易溶于水，一体积水能溶约七百体积氨。　喷泉实验：利用氨极易溶于水造成瓶内压强骤降。成功的关键是装置气密、烧瓶干燥、氨气充满。　氨的化学性质：与水生成一水合氨呈弱碱性，与酸反应生成铵盐，与氯化氢相遇产生白烟。　铵盐的性质：都易溶于水，受热易分解，与碱共热放出氨气 —— 最后一条既是检验方法，也是不能与碱性肥料混用的原因。　硝酸的强氧化性：无论浓稀都能与铜反应，浓硝酸放出二氧化氮、稀硝酸放出一氧化氮，都不放氢气。　王水：浓硝酸与浓盐酸按体积比 1 比 3 混合，能溶解金和铂。　N₂ + O₂ = 2NO（雷雨固氮）　适用：放电条件下发生。生成的一氧化氮在空气中很快变成二氧化氮　2NO + O₂ = 2NO₂（一氧化氮被氧化）　适用：常温即刻发生。无色变红棕色，这是检验一氧化氮的方法　3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO（二氧化氮与水）　适用：常温进行。工业制硝酸的最后一步，生成的一氧化氮循环使用　N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃（工业合成氨）　适用：高温、高压、催化剂条件下的可逆反应，是人工固氮的主要途径　NH₃ + H₂O ⇌ NH₃·H₂O（氨溶于水）　适用：可逆反应。一水合氨是弱碱，受热又分解为氨和水　NH₃ + HCl = NH₄Cl（氨与氯化氢）　适用：常温两种气体相遇即产生白烟，用于检验氨气　NH₄Cl + NaOH = NaCl + NH₃↑ + H₂O（检验铵根）　适用：加热条件下发生。放出的气体使湿润的红色石蕊试纸变蓝　Cu + 4HNO₃(浓) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O（铜与浓硝酸）　适用：常温即可剧烈反应。放出红棕色的二氧化氮，不是氢气　3Cu + 8HNO₃(稀) = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O（铜与稀硝酸）　适用：常温进行。放出无色的一氧化氮，在瓶口变红棕色

第三节 无机非金属材料　硅的存在：地壳中含量仅次于氧的元素，全部以化合态存在，主要是二氧化硅和硅酸盐。　硅单质：晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体，导电性介于导体与绝缘体之间，是重要的半导体材料。　二氧化硅：熔点高、硬度大，不溶于水也不与一般酸反应，但能与氢氟酸反应，也能与强碱和碱性氧化物反应。　硅酸与硅酸钠：硅酸是弱酸，不溶于水；硅酸钠水溶液俗称水玻璃，是常用的黏合剂与防火剂。　三大传统硅酸盐材料：水泥、玻璃与陶瓷，原料分别以石灰石与黏土、纯碱与石灰石和石英、黏土为主。　新型无机非金属材料：高温结构陶瓷、光导纤维、氮化硅与碳化硅，共同特点是耐高温、耐腐蚀、强度大。　SiO₂ + 4HF = SiF₄↑ + 2H₂O（二氧化硅的特例）　适用：常温进行。这是唯一能与二氧化硅反应的酸，用于玻璃刻蚀　SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O（酸性氧化物的通性）　适用：常温进行。盛碱液的试剂瓶因此不能用玻璃塞　SiO₂ + CaO = CaSiO₃（炼铁造渣）　适用：高温条件下发生。也是玻璃生产中的主要反应之一　Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓（强酸制弱酸）　适用：常温进行。据此比较碳酸与硅酸的酸性强弱

实验 用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子　要除的三种离子：硫酸根、镁离子与钙离子。分别用氯化钡、氢氧化钠与碳酸钠转化为沉淀。　顺序的原则：碳酸钠必须加在氯化钡之后，才能把过量的钡离子一并除去。　过量与除尽：每种试剂都要过量以保证除尽，因此后一步必须能除掉前一步引入的过量离子。　最后一步：过滤后加适量盐酸，把过量的氢氧根与碳酸根转化为水和二氧化碳，再蒸发结晶。

实验 不同价态含硫物质的转化　实验思路：按价态设计路线：要往高价走加氧化剂，要往低价走加还原剂，中间价态两头都试。　常用试剂：氧化剂用氯水、双氧水、酸性高锰酸钾；还原剂用硫化钠、亚硫酸钠。　现象的判断：二氧化硫使品红褪色、加热恢复；生成硫酸根用氯化钡检验；生成硫单质表现为浑浊。　尾气处理：二氧化硫有毒，装置末端必须接氢氧化钠溶液吸收。

第六章 化学反应与能量　此前只问「生成什么」，本章开始问另外两件事：反应放出还是吸收能量，以及反应有多快、能进行到什么程度。

第一节 化学反应与能量变化　能量变化的来源：断开旧键要吸收能量，形成新键会放出能量。两者的差额就是这个反应的能量变化。　放热反应：生成物总能量低于反应物总能量。常见的有燃烧、中和、多数化合反应、活泼金属与酸反应。　吸热反应：生成物总能量高于反应物总能量。常见的有多数分解反应、碳与二氧化碳、氢氧化钡晶体与氯化铵。　加热与吸热：是否需要加热是反应条件，与吸热放热无关。燃烧需要点燃，却是典型的放热反应。　原电池：把化学能直接转化为电能的装置。本质是把一个自发的氧化还原反应拆成两处进行。　原电池的构成条件：两个活泼性不同的电极、电解质溶液、闭合回路，以及一个能自发进行的氧化还原反应。　正负极的判断：较活泼的金属作负极，失电子被氧化；电子由负极经导线流向正极，电流方向相反。　常见化学电源：一次电池用完即弃，二次电池可充电，燃料电池连续加入燃料与氧化剂，能量转化效率最高。　Zn - 2e⁻ = Zn²⁺（锌铜原电池负极）　适用：负极发生氧化反应。电极本身被消耗，质量减小　2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑（锌铜原电池正极）　适用：以稀硫酸为电解质时。正极发生还原反应，铜片本身不参与　Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑（总反应）　适用：两个电极反应相加。总反应与直接把锌放进酸里是同一个反应　2H₂ + O₂ = 2H₂O（氢氧燃料电池总反应）　适用：在酸性或碱性介质中电极式不同，但总反应都是这一条

第二节 化学反应的速率与限度　化学反应速率：用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示，常用单位 mol/(L·min)。　速率的换算：同一反应中用不同物质表示的速率之比，等于它们的化学计量数之比。比较快慢前必须换算成同一种物质。　影响速率的因素：内因是物质本身的性质；外因有浓度、温度、压强（对气体）、催化剂与固体表面积。　催化剂：改变反应速率而本身的质量和化学性质在反应前后都不改变。它同等程度地改变正逆反应速率。　可逆反应：在同一条件下能同时向两个方向进行的反应，用可逆号连接。反应物不可能完全转化。　化学平衡状态：正反应速率与逆反应速率相等，各组分的浓度不再改变。它是动态平衡，反应并没有停止。　平衡的判据：看两点：一是正逆速率相等，二是变量不再变。已经恒定的量不能作判据。　提高原料利用率：工业上通过增大廉价原料的浓度、及时分离产物、选择合适的温度与催化剂来提高转化率。　v = Δc/Δt（化学反应速率的定义式）　适用：算的是一段时间内的平均速率，不是某一时刻的瞬时速率　v(A) : v(B) = a : b（速率之比等于计量数之比）　适用：同一反应、同一时间段内。比较不同物质表示的快慢前先换算

实验 化学能转化成电能　实验装置：锌片与铜片插入稀硫酸，用导线连接并串入电流计，观察指针偏转与两极的现象。　现象的对应：锌片逐渐溶解、质量减小；铜片上有气泡；电流计指针偏转说明有电流通过。　水果电池：果汁中的电解质提供离子通路，电压很小，说明原电池的关键不在电解质是什么。　变量的设计：换电极材料、换电解质、断开回路，各改一处，用来验证四个构成条件。

实验 化学反应速率的影响因素　常用的两个反应：硫代硫酸钠与稀硫酸看浑浊出现的快慢，双氧水分解看放出氧气的快慢。　控制变量：每次只改一个因素，其余的浓度、体积、温度都保持相同，否则比出的不是这个因素的作用。　定量的做法：记录出现相同浑浊程度所需的时间，或相同时间内收集到的气体体积。　催化剂的验证：对照组不加催化剂，实验组加二氧化锰；反应后回收称量，质量不变才能说明它是催化剂。

第七章 有机化合物　无机部分按元素分类，有机部分按官能团分类。碳原子四个键的结合方式一变，性质就跟着变 —— 这是本章唯一的主线。

第一节 认识有机化合物　有机化合物：含碳的化合物，但一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐等性质与无机物相似的除外。　甲烷的结构：正四面体形，碳原子位于中心，四个碳氢键完全相同，键角约 109 度 28 分。　取代反应：有机物分子里的原子或原子团被其他原子或原子团替代。甲烷与氯气在光照下逐步取代，生成四种产物的混合物。　烷烃：碳原子间以单键相连、其余价键被氢占满的链烃，通式为 CnH2n+2。它们的化学性质相似，物理性质随碳数递变。　同系物：结构相似、分子组成上相差若干个 CH₂ 的有机物。必须同类且结构相似，只差 CH₂ 不够。　同分异构体：分子式相同而结构不同的化合物。碳数越多，异构体数目增长越快。　书写异构体的顺序：先写最长的主链，再依次缩短并把支链从主链一端向中间移，避免重复与遗漏。　CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl（甲烷的取代反应）　适用：光照条件下发生，且会继续取代至四氯甲烷，产物是混合物　CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O（甲烷燃烧）　适用：点燃条件下发生。甲烷是天然气与沼气的主要成分

第二节 乙烯与有机高分子材料　乙烯的结构：两个碳原子以碳碳双键相连，六个原子共平面。双键中有一条键容易断开，这是它活泼的原因。　加成反应：有机物分子中的双键或三键断开一条，两端各加上一个原子或原子团。加成没有副产物。　乙烯的鉴别：使溴水褪色、使酸性高锰酸钾溶液褪色。前者是加成，后者是氧化，机理不同。　加聚反应：许多小分子通过加成互相结合成高分子。乙烯加聚得到聚乙烯，链节与单体的原子种类和数目相同。　单体与链节：由聚合物找单体：看主链上的碳，两两断开并补上双键。这是高考的固定题型。　三大合成材料：塑料、合成纤维与合成橡胶，都由加聚或缩聚得到，共同特点是相对分子质量很大。　乙烯的用途：产量是衡量一个国家石油化工水平的标志，也用作植物生长调节剂催熟果实。　CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br（乙烯与溴的加成）　适用：常温进行。溴水褪色，且没有其他产物，与取代反应不同　CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH（乙烯水化制乙醇）　适用：催化剂、加热加压条件下。工业制乙醇的主要方法　nCH₂=CH₂ → [CH₂—CH₂]ₙ（乙烯的加聚）　适用：催化剂条件下。产物聚乙烯是混合物，n 值不固定　C₂H₄ + 3O₂ = 2CO₂ + 2H₂O（乙烯燃烧）　适用：点燃条件下发生。含碳量高，燃烧时火焰明亮并伴有黑烟

第三节 乙醇与乙酸　官能团：决定有机化合物特殊性质的原子或原子团。羟基、羧基、碳碳双键都是官能团。　乙醇的结构：分子中含羟基，因此能与钠反应放出氢气，但比水与钠反应缓和得多。　乙醇的催化氧化：在铜或银催化下与氧气反应生成乙醛。实验中铜丝由黑变红，说明它只是催化剂。　乙酸的结构：分子中含羧基，具有酸的通性且酸性强于碳酸，能与碳酸钠反应放出二氧化碳。　酯化反应：酸与醇在浓硫酸催化并加热的条件下生成酯和水，属于取代反应，也是可逆反应。　酸脱羟基醇脱氢：用同位素示踪法证明：脱去的水中氧原子来自羧酸的羟基。这是酯化反应断键位置的结论。　酯化实验的细节：加料顺序是先乙醇后浓硫酸再乙酸，导管不能插入饱和碳酸钠溶液中，以防倒吸。　2CH₃CH₂OH + 2Na = 2CH₃CH₂ONa + H₂↑（乙醇与钠）　适用：常温进行但比水缓和。钠沉在乙醇底部，说明乙醇密度比钠小　2CH₃CH₂OH + O₂ = 2CH₃CHO + 2H₂O（乙醇的催化氧化）　适用：铜或银作催化剂并加热。与羟基相连的碳上必须有氢才能氧化成醛　CH₃CH₂OH + 3O₂ = 2CO₂ + 3H₂O（乙醇燃烧）　适用：点燃条件下发生。乙醇是清洁的可再生燃料　2CH₃COOH + Na₂CO₃ = 2CH₃COONa + H₂O + CO₂↑（乙酸的酸性）　适用：常温进行。据此说明乙酸的酸性强于碳酸　CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O（酯化反应）　适用：浓硫酸作催化剂和吸水剂并加热。可逆反应，不能进行到底

第四节 基本营养物质　三类基本营养物质：糖类、油脂与蛋白质。它们都是天然高分子或其组成单元，在人体内均可水解。　糖类的分类：单糖不能水解，如葡萄糖；二糖水解成两分子单糖，如蔗糖、麦芽糖；多糖如淀粉与纤维素。　葡萄糖的检验：与新制氢氧化铜共热生成砖红色沉淀，或与银氨溶液共热出现银镜。两者都要在碱性条件下。　淀粉的检验：遇碘变蓝。这是检验淀粉是否水解完全的常用方法。　油脂：高级脂肪酸与甘油形成的酯。在碱性条件下水解称为皂化反应，产物是高级脂肪酸盐与甘油。　蛋白质：由氨基酸通过肽键连接而成的天然高分子。水解的最终产物是氨基酸。　蛋白质的性质：遇浓硝酸变黄、灼烧有烧焦羽毛气味，可用于检验；遇重金属盐、加热、强酸强碱会变性。　盐析与变性：盐析是可逆的物理过程，用于分离提纯；变性不可逆，蛋白质失去生理活性。　C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O（葡萄糖在体内氧化）　适用：酶催化下缓慢进行，为人体提供能量　(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆（淀粉水解）　适用：稀硫酸或酶催化。检验产物前必须先用碱中和硫酸

实验 搭建球棍模型认识有机化合物分子结构的特点　实验目的：用球棍模型认识碳原子的四个价键在空间的取向，理解同分异构现象的由来。　甲烷模型：把四根棍插在同一个球上，自然形成正四面体；无论怎样交换两个氯原子的位置，二氯甲烷都只有一种。　丁烷的两种模型：四个碳可以排成一条直链，也可以是三碳主链加一个支链，这就是两种同分异构体。　模型的局限：球棍模型夸大了原子间距，比例模型更接近真实的空间充填情况。

实验 乙醇、乙酸的主要性质　乙醇与钠：钠沉在乙醇中缓慢放出气泡，与钠和水反应相比明显缓和，说明羟基上的氢不如水中的活泼。　乙醇的催化氧化：把加热变黑的铜丝伸入乙醇中，铜丝由黑变红并有刺激性气味 —— 生成的是乙醛。　乙酸的酸性：使石蕊变红、与碳酸钠反应放出二氧化碳，据此证明酸性强于碳酸。　酯化实验：乙醇、浓硫酸、乙酸依次加入，小火加热，在饱和碳酸钠溶液上方收集，可闻到果香。

第八章 化学与可持续发展　前三章解决「怎么反应」，本章问「值不值得这样反应」：同一个产物有几条路线时，选哪一条要看能耗、原料与排放。

第一节 自然资源的开发利用　金属冶炼的三种方法：越活泼的金属越难还原：钾钙钠镁铝用电解法，锌铁锡铅铜用热还原法，汞银用热分解法，金铂直接以单质存在。　海水的综合利用：提取食盐、镁、溴与碘，以及海水淡化。工业提镁要经过沉淀、酸溶、电解三步。　煤的综合利用：干馏是隔绝空气加强热，属于化学变化；此外还有气化与液化，都是把固体燃料转化为更洁净的形态。　石油的分馏：按沸点不同把混合物分开，属于物理变化。裂化与裂解则是化学变化，用来提高轻质油产量。　天然气：主要成分是甲烷，是清洁的化石燃料，也是重要的化工原料。　资源的不可再生性：化石燃料与金属矿物都不可再生，提高利用率与回收利用是延长可用年限的主要途径。　2Al₂O₃ = 4Al + 3O₂↑（电解法炼铝）　适用：熔融状态下电解，加冰晶石降低熔点。不能电解氯化铝，它是共价化合物　Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂（热还原法炼铁）　适用：高温条件下发生。适用于活泼性介于中间的金属　2HgO = 2Hg + O₂↑（热分解法炼汞）　适用：加热即可。适用于排在氢之后的不活泼金属　MgCl₂ = Mg + Cl₂↑（电解法炼镁）　适用：熔融状态下电解。海水提镁的最后一步

第二节 化学品的合理使用　化肥：氮肥促进枝叶生长，磷肥促进根系与结实，钾肥使茎秆粗壮。过量施用会造成水体富营养化。　农药：能提高产量，但残留会危害健康。合理使用指的是选择低毒品种、控制用量与安全间隔期。　食品添加剂：包括着色剂、防腐剂、营养强化剂等。国家规定了品种与最大使用量，超量或超范围使用才是违法。　剂量决定毒性：任何物质都有安全剂量范围。判断是否有害要看摄入量，不能只看名称。　药物：分处方药与非处方药。常用的阿司匹林解热镇痛，青霉素抗菌但使用前必须做皮试。　合理用药：按剂量与疗程服用，不滥用抗生素，注意药物之间的相互作用与不良反应。

第三节 环境保护与绿色化学　大气污染：主要污染物有二氧化硫、氮氧化物、颗粒物与一氧化碳。酸雨由前两者引起，光化学烟雾由氮氧化物与碳氢化合物引起。　水体污染：重金属离子、有机物与富营养化。含磷洗涤剂与化肥流失是水华与赤潮的主要原因。　污染治理：属于末端治理：脱硫、脱硝、除尘、废水处理。它是必要的，但成本高、只是补救。　绿色化学：从源头上减少或消除污染，核心是设计不产生污染物的合成路线，理念是「防胜于治」。　原子利用率：目标产物的质量占全部反应物质量的百分比。理想的绿色反应原子利用率为百分之百。　最理想的反应类型：加成反应与化合反应的原子利用率可以达到百分之百，因为反应物的原子全部进入产物。　原子利用率 = 目标产物质量/全部反应物质量 × 100%（原子利用率）　适用：只统计目标产物；副产物即使有用也不计入分子　CaCO₃ + SO₂ + 1/2O₂ = CaSO₄ + CO₂（钙基固硫）　适用：高温燃烧过程中加入石灰石，把硫固定为石膏　4NH₃ + 6NO = 5N₂ + 6H₂O（氨法脱硝）　适用：催化剂条件下。把氮氧化物转化为无害的氮气