专题三 从矿物到基础材料.doc

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. FeOH3 H2SiO3 Na. H. Cl- 过量NH3H2O，过滤 AlOH3 △ Al2O3 Na3AlF6，通电 Al Na. NH4. Cl- Al2O3 2OH- 2AlO2- H2O AlO2- 4H Al3 2HHHHHHHHHH2O Al3 3NH3H2O AlOH3 3NH4 2AlOH3 △ Al2O3 3H2O 2Al2O3 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 3H2O Al2O3 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。 AlOH3 OH- AlO2- 2H2O AlOH3 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 3NH3H2O AlOH3↓ 3NH4 Al3 3OH- AlOH3↓ Al3 4OH- AlO2- 2H2O 十二水合硫酸铝钾【KAlSO4212H2O】，俗称明矾，无色晶体，易溶于水，用作净水剂。 KAlSO42 K Al3 2SO42- Al3 3H2O AlOH3（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 AlOH3↓ HCO3- AlO2- H H2O AlOH3↓ 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 3I2 H2O 2AlI3 2Al 3S △ Al2S3A12S3 6H2O 2AlOH3↓ 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 2AlOH3 3H2↑ ，2AlOH3 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。 3HgNO32 2Al 3Hg 2AlNO33 4Al 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 CO2 C CO2 高温 2CO Fe2O3 3CO 高温 2Fe 3CO2 CaCO3 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CuCO3CuOH2】 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 Fe3O4 2Fe 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 △ 2CuO Cu 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【FeSO47H2O】。 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 Fe3 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，Ca3Al2Si3O12，3CaOAl2O33SiO2】。 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Na2OCaO6SiO2，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Na2OAl2O32SiO2nH2O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 H2O H2SiO3 △ 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 △ SiO2 Si 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 2C 高温 Si 2CO↑ Si 2Cl2高温SiCl4 SiCl4 2H2高温Si 4HCl