专题三从矿物到基础材料

铝：·从铝土矿中提取铝：铝土矿【氧化铝、氧化铁、二氧化硅】与氢氧化钠溶液混合，过滤，加入过量盐酸，过滤，加入过量氨水，过滤，氢氧化铝沉淀析出，高温灼烧氢氧化铝，生成氧化铝，添加冰晶石【Na3AlF3，使氧化铝熔融温度降低】，电解熔融氯化铝得到铝。Al2O3.Fe2O3.SiO2过量NaOH，过滤AlO2-.Na+.OH-.SiO3-过量HCl，过滤Al3+.Fe(OH)3H2SiO3Na+.H+.Cl-过量NH3·H2O，过滤Al(OH)3△Al2O3Na3AlF6，通电AlNa+.NH4+.Cl-Al2O3+2OH-=2AlO2-+H2OAlO2-+4H+=Al3++2H2OAl3++3NH3·H2O=Al(OH)3+3NH4+2Al(OH)3△Al2O3+3H2O2Al2O3通电4Al+3O2↑·氧化铝是白色、不溶于水的固体，熔点高，常用于制造耐火材料，硬度大，是刚玉【包括红宝石和蓝宝石】的主要成分。氧化铝是两性氧化物，既可以与酸反应生成铝盐，又可以与碱反应生成偏铝酸盐。Al2O3+6H+=2Al3++3H2OAl2O3+2OH-=2AlO2-+H2O·氢氧化铝是不溶于水的白色胶状物质，能凝聚水中的悬浮物，吸附色素，可用于净水。氢氧化铝是两性氢氧化物，既能与强酸反应，又能与强碱反应。Al(OH)3+OH-=AlO2-+2H2OAl(OH)3+3H+=Al3++3H2O·实验室制备氢氧化铝：铝盐溶液中滴入过量氨水，产生白色沉淀。【或滴入适量氢氧化钠，若过量，先生成白色沉淀，后沉淀消失】Al3++3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4+Al3++3OH-=Al(OH)3↓Al3++4OH-=AlO2-+2H2O·十二水合硫酸铝钾【KAl(SO4)2·12H2O】，俗称明矾，无色晶体，易溶于水，用作净水剂。KAl(SO4)2=K++Al3++2SO42-Al3++3H2O=Al(OH)3（胶体）+3H+·偏铝酸钠是白色易溶于水的固体，水溶液呈碱性。偏铝酸钠溶液中通入过量CO2【或适量HCl】，生成氢氧化铝。AlO2-+CO2+2H2O=Al(OH)3↓+HCO3-AlO2-+H++H2O=Al(OH)3↓·铝是银白色的金属，熔点较低，密度较小。铝可用于各种器皿，但铝制品不宜盛放酸、碱溶液，也不宜长时间盛放腌制食品。铝制炊具、明矾、铝膨松剂、含铝胃药、易拉罐、牙膏皮等中的铝元素易在体内积累，是老年痴呆症的祸根之一。·金属铝和其他金属或非金属融合形成合金，铝合金密度小、强度高、塑性好、制造工艺简单、成本低、抗腐蚀能力强、装饰效果好，可用于建筑业，做建筑外墙材料及门窗，可用于交通运输业，制造汽车车轮骨架和飞机构件，还可用于电子行业，制造电子元件。·铝露置于空气中，与氧气反应生成致密氧化膜，防止铝进一步被氧化，具有抗腐蚀性。4Al+3O2=2Al2O3·2Al+3I2H2O2AlI32Al+3S△Al2S3A12S3+6H2O=2Al(OH)3↓+3H2S·铝既可以与非氧化性酸反应，生成铝盐和氢气，又可以和碱反应，生成偏铝酸盐和氢气。2Al+6H+=2Al3++3H2↑2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑【实质：2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑，2Al(OH)3+2OH-=2AlO2-+4H2O，氧化剂是水，NaOH起碱性介质作用。】·常温下，铝遇到浓硝酸、浓硫酸会在表面生成致密的氧化膜而发生钝化【发生化学变化】，阻止内部金属进一步反应。浓硝酸、浓硫酸可贮存在铝制容器中，亦可用铝槽车运输。·铝热反应：利用铝的氧化性和铝转化为氧化铝时放出大量热，工业上常用铝粉还原一些金属【W、Cr、Mn、Fe、V】氧化物，铝和难熔金属氧化物的混合物称为铝热剂，铝热反应用于焊接铁轨和冶炼难熔金属。·铝和氧化铁：把混合均匀的氧化铁粉末和铝粉放在纸漏斗中，加少量氯酸钾，并在中间插一根镁条，点燃镁条，铝热反应发生时，发出耀眼的光芒，放出大量的热，纸漏斗被烧穿，有熔融态铁生成。2Al+Fe2O3高温Al2O3+2Fe·毛刷实验：将擦亮的铝片浸在硝酸汞溶液中，片刻后取出静止在无风处，铝片表面长出许多毛刷状细丝。3Hg(NO3)2+2Al=3Hg+2Al(NO3)34Al+3O2=2Al2O3【疏松状】铁铜：·铁在自然界主要以化合态的形式存在，常见的铁矿有磁铁矿【主要成分Fe3O4】、赤铁矿【主要成分Fe2O3】，铁单质只存在于陨铁。·工业上铁的冶炼在炼铁高炉中进行，原料有铁矿石、焦炭、空气、石灰石等，焦炭先与热空气中的氧气点燃生成二氧化碳，并放出大量的热量，二氧化碳再与灼热的焦炭反应生成一氧化碳，一氧化碳在高温下将氧化铁还原为金属铁，石灰石在高温下分解为氧化钙和二氧化碳，氧化钙与铁矿石中的二氧化硅反应生成炉渣。将上述方法得到的生铁【含碳2%~4.5%】进一步炼制可得到钢【含碳0.03%~2%】C+O2点燃CO2C+CO2高温2COFe2O3+3CO高温2Fe+3CO2CaCO3高温CaO+CO2↑CaO+SiO2高温CaSiO3·铜在自然界主要以化合态的形式存在，常见的铜矿有黄铜矿【主要成分CuFeS2】、孔雀石【主要成分CuCO3·Cu(OH)2】·铜的冶炼：①【主要】高温冶炼黄铜矿获得铜，电解精炼得到电气工业生产用铜②矿堆浸铜法【生物炼铜】，湿法炼铜。··铁是一种可以被磁铁吸引的银白色金属。铜是紫红色金属。铁和铜都是热和电的良导体。·人体中铁元素大部分存在于血红蛋白内，起着运输氧气、二氧化碳的作用，铁的化合物在人体内发生的氧化还原反应中起着传递电子的作用，人体缺铁会引起贫血。·铜盐能杀死细菌、抑制藻类生长，游泳馆常用硫酸铜作池水消毒剂，稀的硫酸铜溶液还可用于杀灭鱼体上的寄生虫，治疗鱼类皮肤病和鳃病等。·铁粉与硫粉混合加热，生成黑色固体硫化亚铁。Fe+S△FeS·3Fe+2O2点燃Fe3O42Fe+3Cl2点燃2FeCl3·擦亮的铜丝伸入硫蒸气，生成硫化亚铜。2Cu+S△Cu2S·2Cu+O2△2CuOCu+Cl2点燃CuCl2·铁与非氧化性酸反应生成亚铁盐和氢气。Fe+2H+=Fe2++H2↑·工业上用铁与硫酸制绿矾【FeSO4·7H2O】。Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑·铁、铜能把更不活泼的金属离子从溶液中置换出来【氧化性Zn2+Fe2+H+Cu2+Fe3+Ag+】Fe+Cu2+=Fe2++CuCu+2Ag+=Cu2++2Ag·在配制含Fe2+的溶液时，常向溶液中加入少量铁粉，使被氧化形成的Fe3+还原为Fe2+。Fe+2Fe3+=3Fe2+·蘸取FeCl3溶液滴在铜片上，片刻后，铜片变薄，可用FeCl3溶液与铜反应制作印刷电路板。Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+·常温下铁遇浓硫酸、浓硝酸发生钝化，遇稀硝酸则反应。【稀硝酸过量】Fe+4HNO3=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O【铁过量】3Fe+8HNO3=3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O·铜遇浓、稀硝酸都发生反应3Cu+8HNO3（稀）=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2OCu+4HNO3（浓）=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O·铁在高温下与水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气【置换反应】。3Fe+4H2O(g)高温Fe3O4+4H2·铁与弱氧化剂反应生成+2价铁的化合物，与强氧化剂反应生成+3价铁的化合物。·铜与少数弱氧化剂反应生成+1价铜的化合物，与强氧化剂反应生成+2价铜的化合物。·氧化亚铁【FeO】是不溶于水的黑色粉末，碱性氧化物，不稳定，加热与氧气反应生成四氧化三铁。6FeO+O2=2Fe3O4·氧化铁【Fe2O3】是不溶于水的红棕色粉末，俗称铁红，碱性氧化物。氧化铁红颜料与某些油料混合，可制成防锈油漆。·四氧化三铁【Fe3O4】是不溶于水的黑色晶体，俗称磁性氧化铁，可作磁性材料。·氢氧化铁【Fe(OH)3】是不溶于水的红褐色固体，受热易分解。2Fe(OH)3△Fe2O3+3H2O·氢氧化亚铁【Fe(OH)2】是不溶于水的白色固体，在空气中极易被氧化成氢氧化铁【白色沉淀迅速变成灰绿色，最终变成红褐色沉淀】4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3·鉴别Fe2+与Fe3+：①观察溶液颜色：含Fe2+的溶液显浅绿色，含Fe3+的溶液显棕黄色②滴加硫氰化钾【KSCN】溶液：含Fe3+的溶液变成血红色，含Fe2+的溶液不变色。Fe3++3SCN-=Fe(SCN)3【弱电解质】③加入NaOH溶液：含Fe2+的溶液产生白色沉淀，迅速变成灰绿色，最终变成红褐色，含Fe3+的溶液立即产生红褐色沉淀。·Fe2+中滴入KSCN溶液，溶液不变色，再加入氧化剂，溶液变成血红色。Fe3+中加入还原剂，滴入KSCN溶液，溶液不变色。·为除去废水中Fe2+，常将废水中的Fe2+氧化成Fe3+，再调整pH使Fe3+转化成Fe(OH)3析出·氧化性Cl2Br2Fe3+I2还原性Cl-Br-Fe2+I-硅：·硅在自然界只以化合态存在，以二氧化硅和硅酸盐广泛分布，地壳中含量仅次于氧，是构成矿物和岩石的主要成分。·硅酸盐组成相当复杂，通常用氧化物的形式来表示，顺序为活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水【钙铝石榴子石，Ca3Al2Si3O12，3CaO·Al2O3·3SiO2】。·以含硅物质为原料经加热制成硅酸盐材料的制造工业叫硅酸盐工业，包括水泥工业、陶瓷工业和玻璃工业。·水泥具有水硬性，是当今建筑业使用最普遍的基础材料之一。工业上以黏土【主要成分为铝硅酸盐】、石灰石为主要原料，在水泥回转窑中高温煅烧后，加入适量石膏【用于调节水泥的硬化速度】，磨成细粉，得到普通水泥，主要成分为硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙等。·玻璃是将石灰石、纯碱、石英在玻璃熔炉中高温熔融制得的。普通玻璃主要成分为Na2O·CaO·6SiO2，属于玻璃态物质【没有一定熔点而在某一温度范围内逐渐软化的物质，介于晶体与非晶体之间】。Na2CO3+SiO2高温Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2高温CaSiO3+CO2↑·陶瓷是黏土在砖窑中烧制而成的，具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘等优点。·组成为Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O的铝硅酸盐中有许多笼状空穴和通道，被称作分子筛，常用于分离、提纯气体或液体混合物，还可作干燥剂、离子交换剂、催化剂及催化剂载体等。·硅酸钠，俗称泡花碱，易溶于水，其水溶液叫做水玻璃，显碱性，用于建筑用黏合剂和防腐防火材料。·二氧化硅，又叫硅石，是一种坚硬难熔的固体，是酸性氧化物，不与水、酸【除HF】反应，耐高温、耐腐蚀，可用于制作光学镜片、石英坩埚和光导纤维。·氢氟酸能腐蚀玻璃，用于雕刻玻璃。SiO2+4HF=SiF4+2H2O·二氧化硅能与强碱溶液反应。SiO2+2OH-=SiO32-+H2O·二氧化硅能与碱性氧化物反应。SiO2+CaO高温CaSiO3·硅酸【H2SiO3】、原硅酸【H4SiO4】是不溶于水的白色胶状固体，不稳定，原硅酸在空气中自动失水变为硅酸，硅酸加热分解为二氧化硅和水。H4SiO4=H2SiO3+H2OH2SiO3△SiO2+H2O·硅酸钠溶液中通入二氧化碳，生成硅酸沉淀【硅酸酸性比碳酸弱】。Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3·可溶硅酸盐与酸反应生成硅酸【二氧化硅不溶于水，不能直接与水反应生成硅酸】。SiO32-+2H+=H2SiO3↓·硅晶体是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，熔沸点高、硬度大，是半导体，常温下较稳定，用作半导体材料。·硅在常温下能与强碱反应放出氢气。Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2↑·硅在常温下能与氢氟酸、氟气反应。Si+4HF=SiF4↑+2H2↑Si+2F2=SiF4·硅在高温下能与一些非金属反应。Si+O2△SiO2Si+2H2高温SiH4【不稳定】·工业上用焦炭在高温下还原二氧化硅制得含少量杂质的粗硅【硅的弱氧化性】，将粗硅在高温下与氯气反应生成四氯化硅【常温液态，高温气态】，经提纯后，再用氢气还原，得到高纯度的硅。SiO2+2