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第2节　金属材料　铝、铜及其化合物
[课标解读]　1.了解合金的概念及其重要应用；了解化学与金属材料的关系。　2.掌握金属铝、铜及其重要化合物的主要性质及应用。　3.了解铝、铜及其重要化合物的制备方法。　4.了解常见金属的活动性顺序和常见金属的冶炼方法。　5.了解其他过渡元素和两性元素。
　合金与金属矿物的开发利用
知识梳理
1．合金
(1)概念：合金是指两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质，属于混合物。
(2)性能：合金具有许多优良的物理、化学性能或机械性能。
①熔点：一般比它的各成分金属的低；
②硬度和强度：一般比它的各成分金属的大。
注意：并非所有的金属都能形成合金，若一种金属的熔点大于另一种金属的沸点，则二者不能形成合金。如Cu与Na，Fe与Na等不能形成合金。
2．常见的金属材料
(1)金属材料的工业分类
黑色金属材料
有色金属材料
铁、铬、锰以及它们的合金
除黑色金属以外的其他金属及其合金
(2)常见合金材料
③铝及铝合金
[辨易错]
(1)合金是一种混合物，任何金属均可熔合为合金。(　　)
(2)合金是一类金属材料，不含非金属元素。(　　)
(3)钢的熔点比铁的低。(　　)
(4)人类历史上使用铝的时间比铁晚，原因是铝的冶炼成本高。(　　)
[答案]　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×
3．金属矿物的开发利用
(1)金属在自然界中的存在形态
①在自然界中绝大多数金属以化合态的形式存在。
②少数化学性质不活泼的金属存在游离态。
(2)金属冶炼的实质
使金属化合物中的金属离子得电子被还原为金属单质的过程：Mn＋＋ne－===M。
(3)金属冶炼的一般步骤
(4)常见冶炼方法(对于金属活动性顺序表中金属)
①电解法——K～Al
Na：2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑；
Mg：MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑；
Al：2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。
②热还原法——Zn～Cu
高炉炼铁：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2；
铝热反应制铬：2Al＋Cr2O32Cr＋Al2O3；
焦炭还原铜：C＋2CuO2Cu＋CO2↑。
③热分解法——Hg、Ag
Hg：2HgO2Hg＋O2↑；
Ag：2Ag2O4Ag＋O2↑。
4．复合材料
[辨易错]
(1)任何金属在自然界中均以化合态存在。(　　)
(2)任何金属在常温下均为固态。(　　)
(3)电解NaCl溶液可以得到Na和Cl2。(　　)
(4)热还原法可以冶炼Fe、Cu、Zn等金属。(　　)
[答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
知识应用
1．工业上冶炼铝为什么用电解熔融Al2O3而不用电解熔融AlCl3？冶炼镁为什么用电解熔融MgCl2而不用电解熔融MgO?
[答案]　AlCl3为共价化合物，熔融时不导电，故不能用电解AlCl3的方法冶炼铝。尽管MgO属于离子化合物，但其熔点高，熔融时耗费更多能源，增加生产成本，而MgCl2的熔点较低，更易熔融，故工业冶炼镁使用电解熔融MgCl2的方法。
2．热还原法用到的还原剂有焦炭、CO和H2，试从所得产物纯度及对环境污染的角度考虑哪种还原剂更好？
[答案]　最好的还原剂是H2；原因是焦炭会使产品的纯度降低，CO会污染环境。
?命题点　金属材料与金属矿物的开发利用
1．东汉时期的马踏飞燕充分体现了我国光辉灿烂的古代科技。下列说法错误的是(　　)
A．青铜是我国使用最早的合金，含铜、锡、铅等元素
B．青铜的机械性能优良，硬度和熔点均高于纯铜
C．铜器皿表面的铜绿可用明矾溶液清洗
D．“曾青得铁则化为铜”的过程发生了置换反应
B　[青铜是以铜为主的合金，还含有锡、铅等元素，A项正确；合金比它的各成分金属的硬度大、熔点低，B项错误；铜绿的主要成分为CuCO3·Cu(OH)2，明矾[KAl(SO4)2·12H2O]中的Al3＋水解使其溶液显酸性，可清洗铜锈，C项正确；“曾青得铁则化为铜”涉及的反应是Cu2＋＋Fe===Cu＋Fe2＋，该反应属于置换反应，D项正确。]
2．金属、金属材料的性质在很大程度上决定了它们的用途。下列相关说法中不正确的是(　　)
A．钛合金与人体具有很好的“相容性”，可以用来制造人造骨骼
B．铁具有良好的导热性，可以用于制造炊具
C．不锈钢的抗腐蚀性好，常用于制造医疗器械
D．钛及其合金熔点高，可用作保险丝
D　[熔点低可以作保险丝，熔点高不可作保险丝。]
3．胡粉[主要成分是2PbCO3·Pb(OH)2]具有败毒抗癌、杀虫疗疮的功效，东汉炼丹理论家魏伯阳所著的《周易参同契》中记载：“胡粉投火中，色坏还为铅”，下列说法错误的是(　　)
A．胡粉不溶于水
B．胡粉可与盐酸或硝酸反应
C．“火”中含有炭、CO
D．“色坏还为铅”的原理是PbO被氧化为Pb
D　[PbO可能被C或CO还原为Pb，D项错误。]
4．氧化还原反应广泛应用于金属冶炼，下列说法不正确的是(　　)
A．电解熔融氯化钠制取金属钠的反应中，Na＋被还原
B．冶炼镁、铝采用电解法
C．用磁铁矿炼铁的反应中，1
mol
Fe3O4被CO还原成Fe，转移9
mol电子
D．铝热法还原铁的反应中，放出的热量能使铁熔化
C　[1
mol
Fe3O4被还原成Fe，转移电子1×3×(－0)＝8
mol。]
5．下列是部分矿物资源铝土矿(主要含有氧化铝、氧化铁)和黄铜矿(主要成分CuFeS2)的利用及产品生产流程，有关说法不正确的是(　　)
A．除杂过程中铝元素的存在形式的变化可以如下：
Al2O3―→[Al(OH)4]－―→Al(OH)3―→Al2O3
B．Al和Cu(精)均在电解槽的阴极获得
C．粗铜炼制过程中反应2CuFeS2＋O2Cu2S＋2FeS＋SO2，每转移1.2
mol电子，则有0.2
mol硫被氧化
D．若电解法分别制铝和铜的过程中转移电子数相等，理论上获得的铝和铜的物质的量之比为3∶2
D　[制铝过程中Al～3e－，制铜过程Cu～2e－，当转移电子数相等时，铝和铜的物质的量之比为2∶3。]
(1)合金的熔点一般低于它的成分金属的熔点。
(2)常温下，多数合金是固体，但钠钾合金是液体。
(3)成分金属与合金的物理性质相比有所改变，但合金中各成分金属的化学性质仍然不变。
(4)金属越活泼，一般发现或使用的越晚。
(5)有些活动性很强的金属也可以用还原法来冶炼，如
Na＋KClK↑＋NaCl、2RbCl＋MgMgCl2＋2Rb↑等，在此主要运用了化学平衡移动原理，利用K、Rb沸点低，汽化离开反应体系，使化学反应得以向正反应方向进行。
(6)活泼金属用电解法冶炼时，不能用其化合物的水溶液进行电解。
　铜及其化合物
知识梳理
1．铜的主要性质
写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式：
①化学方程式：2Cu＋O2＋H2O＋CO2===Cu2(OH)2CO3。
②化学方程式：2Cu＋SCu2S。
③与氧化性酸反应
a．与浓硫酸共热的化学方程式：Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O；
b．与稀硝酸反应的离子方程式：3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O；
c．与浓硝酸反应的离子方程式：Cu＋4H＋＋2NO===Cu2＋＋2NO2↑＋2H2O。
④与某些盐溶液反应
a．与硝酸银溶液反应的离子方程式：Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋；
b．与FeCl3溶液反应的离子方程式：Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋。
2．铜的重要化合物的性质及应用
(1)氧化物
(2)氢氧化铜——蓝色难溶物，是一种弱碱。
(3)铜盐
①Cu2(OH)2CO3
Cu2(OH)2CO3的名称为碱式碳酸铜，呈绿色，是铜锈的主要成分，受热易分解的方程式为Cu2(OH)2CO32CuO＋H2O＋CO2↑。
②CuSO4
a．CuSO4·5H2O为蓝色晶体，俗称蓝矾或胆矾。受热或遇浓硫酸，蓝色晶体变为白色粉末。
b．无水CuSO4遇水变蓝色(生成CuSO4·5H2O)，可作为水或水蒸气的检验试剂。
③铜盐的毒性
铜盐溶液有毒，主要是因为铜离子能与蛋白质作用，使蛋白质变性失去生理活性，因此人们利用这一性质用胆矾、熟石灰、水配成了波尔多液，用来杀灭植物的病菌。
[辨易错]
(1)铁、铜在潮湿的空气中均易形成金属氧化物。(　　)
(2)无水CuSO4既可检验水蒸气的存在又可作干燥剂。(　　)
(3)Cu2O和CuO在稀硫酸中反应原理相同。(　　)
(4)铜盐和“84”消毒液的杀菌消毒原理相同。(　　)
[答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×
知识应用
某研究小组用废铜粉制取胆矾，设计了如下几个实验方案：
(1)CuCuSO4硫酸铜溶液CuSO4·5H2O
(2)CuCuO硫酸铜溶液CuSO4·5H2O
(3)
对三个方案进行评价，你认为最好的是哪个方案？为什么？
[答案]　方案(1)：产生污染性气体，且消耗硫酸较多。
方案(2)：消耗能量较多，且步骤复杂。
方案(3)：不产生污染性气体，原料利用率高，节约能源。因此方案(3)更经济合理。
?命题点1　铜及其化合物的性质及实验探究
1．某化学兴趣小组进行了有关Cu、硝酸、硫酸化学性质的实验，实验过程如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A．实验①中溶液呈蓝色，试管口有红棕色气体产生，说明稀硝酸被Cu还原为NO2
B．实验③中滴加稀硫酸，铜片继续溶解，说明稀硫酸的氧化性比稀硝酸强
C．实验③发生反应的化学方程式为3Cu＋Cu(NO3)2＋4H2SO4===4CuSO4＋2NO↑＋4H2O
D．由上述实验可得出结论：Cu在常温下既可以和稀硝酸反应，也可以和稀硫酸反应
C　[A项，稀硝酸与Cu反应的产物为NO，在试管口与O2反应生成NO2，错误；B项，实验③中滴加稀硫酸，溶液中有NO，发生3Cu＋8H＋＋2NO===
3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O，错误；D项，由B项知实验③中铜溶解仍然是NO在酸性条件下氧化Cu，Cu不与稀硫酸反应，错误。]
2．已知CuO经高温灼烧生成Cu2O，Cu2O与H＋发生：Cu2O＋2H＋===Cu＋Cu2＋＋H2O。将经高温灼烧后的CuO样品投入足量的热的稀硝酸中，下列有关说法中正确的是(　　)
A．如果溶液变为蓝色，同时有紫红色固体出现，说明样品全部生成了Cu2O
B．溶液中最终可能有紫红色固体出现
C．这种实验的结果无法说明CuO分解的程度
D．如果溶液变成蓝色，最终没有紫红色固体出现，说明CuO没有分解
C　[Cu2O可以被稀硝酸氧化为Cu2＋，不会生成Cu，A、B、D错误。]
3．氯化亚铜(CuCl)可用作催化剂、杀菌剂、媒染剂、脱色剂等。某化学学习小组同学设计如图装置(夹持仪器略)，通过热分解CuCl2·2H2O(易水解)制备氯化亚铜，下列说法正确的是(　　)
A．先通入N2，再点燃酒精灯，制备实验结束，持续通入N2至装置甲冷却至室温
B．装置乙中的试剂Y为浓硫酸
C．装置丙中的湿润蓝色石蕊试纸变红
D．装置丁中的NaOH溶液吸收尾气，只发生一个化学反应
B　[该制备反应的化学方程式是2(CuCl2·2H2O)2CuCl＋Cl2↑＋4H2O。为抑制CuCl2·2H2O水解，开始和反应过程中需通入HCl，制备实验结束，再通入N2将装置中残留的HCl排出，A项错误；装置乙中盛放浓硫酸，防止丙中水蒸气进入装置甲中，B项正确；湿润的蓝色石蕊试纸先变红后退色，C项错误；NaOH溶液吸收通入的HCl和生成的Cl2，发生2个化学反应，D项错误。]
(1)Cu与稀硫酸不反应，但在通入O2的条件下，Cu可在稀硫酸中逐渐溶解：2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O。
(2)无水CuSO4只能作为检验水的试剂，不能作为水蒸气的吸收试剂而用于除杂。
(3)＋1价铜在酸性条件下能发生歧化反应生成Cu和Cu2＋，利用这一原理可区别Cu和Cu2O。向红色物质中加入稀硫酸(但注意不能用硝酸检验)，若溶液由无色变成蓝色，则该红色物质为Cu2O，否则为Cu。反应的化学方程式为Cu2O＋H2SO4===CuSO4＋Cu＋H2O。
?命题点2　涉及Fe、Cu等金属的化工流程试题分析
4．CuCl是有机合成的重要催化剂，并用于颜料、防腐等工业。工业上由废铜料(含Fe、Al及SiO2杂质)，生产CuCl的工艺流程如下：
物质
开始沉淀时的pH
沉淀完全时的pH
Fe(OH)3
2.7
3.7
Cu(OH)2
5.6
6.7
Al(OH)3
3.8
4.7
已知：CuCl溶于NaCl的浓溶液可生成CuCl，CuCl的溶液用水稀释后可生成CuCl沉淀。
(1)煅烧的主要目的是____________________________________________。
(2)操作Ⅰ为调节溶液的pH，范围为________，加入的物质X可以是________(填字母)。
A．CuO　　　
B．Cu(OH)2
C．NaOH溶液
D．CaCO3
(3)滤渣Ⅱ的主要成分是________。
(4)往滤液Ⅱ中加入食盐并通入SO2可生成CuCl，请写出反应的离子方程式：_________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(5)工业上常用CuSO4来制备CuCl，在提纯后的CuSO4溶液中加入一定量的Na2SO3和NaCl，加热生成CuCl沉淀，该反应的离子方程式是______________。
[解析]　(1)铜在废铜料中主要以铜单质的形式存在，从流程图知CuCl需从溶液中提取，故煅烧的目的是将铜转化为溶于酸的氧化物。(2)调节溶液的pH时，应保证Fe3＋、Al3＋完全沉淀，而Cu2＋不能沉淀，溶液的pH应在4.7≤pH<5.6，加入物质X的目的是消耗H＋调节溶液的pH，但不能引入新杂质。(3)溶液的pH在4.7≤pH<5.6时，Fe3＋和Al3＋完全转化为相应的氢氧化物沉淀，滤渣Ⅱ的主要成分为Fe(OH)3和Al(OH)3。(4)根据题给的反应物和生成物，再结合氧化还原反应的基本规律可写出反应的离子方程式：2H2O＋2Cu2＋＋SO2＋4Cl－===2CuCl＋SO＋4H＋。(5)根据得失电子守恒配平即可。
[答案]　(1)使铜转化为可溶于酸的氧化物
(2)4.7≤pH<5.6　ABC
(3)Fe(OH)3和Al(OH)3
(4)2H2O＋2Cu2＋＋SO2＋4Cl－===2CuCl＋SO＋4H＋
(5)2Cu2＋＋SO＋2Cl－＋H2O===2CuCl↓＋SO＋2H＋
(1)废铜利用的一般流程模板
(2)废品(含Fe2O3、CuO、FeO、SiO2)制备Fe2O3和FeSO4·7H2O的一般流程模板
　铝及其重要化合物
知识梳理
1．铝的存在与主要性质
(1)铝的结构和存在
铝位于元素周期表第3周期ⅢA族，原子结构示意图为
。铝元素在地壳中含量丰富，仅次于氧、硅。自然界中的铝全部以化合态存在。
(2)铝的主要化学性质
③Al与碱液(NaOH)：2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑。
④Al与CuSO4溶液：2Al＋3CuSO4===3Cu＋Al2(SO4)3。
⑤铝热反应
a．铝热反应的实验装置及试剂作用：
b．原理：利用Al的还原性较强，高温下把金属氧化物中的金属置换出来。
c．引发操作：加入少量KClO3，插上Mg条并点燃。
d．应用：冶炼难熔金属，如Cr、Mn、V、W、Cu、Fe等；金属焊接，如野外焊接钢轨等。
2．工业电解熔融Al2O3制备Al
(1)电极反应
(2)总反应方程式2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑。
注意：电解Al2O3时Na3AlF6的作用是作助熔剂。
[辨易错]
(1)除去氧化膜的铝箔在空气中加热，铝箔熔化但不滴落，说明铝易氧化形成氧化膜保护铝。(　　)
(2)铝制容器可以用于盛装浓硫酸和浓硝酸，说明铝不与二者反应。(　　)
(3)能与Al反应生成H2的溶液一定是酸性溶液。(　　)
(4)利用铝热反应可以制备Fe、Mg、Cu、Cr、Ni等。(　　)
[答案]　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×
3．铝的重要化合物
(1)铝的氧化物(Al2O3)——两性氧化物
①物理性质：白色固体，难溶于水，熔、沸点很高，可用作耐火材料。
②化学性质(写离子方程式)
③用途：耐火材料，工业冶炼铝。
(2)铝的氢氧化物[Al(OH)3]——两性氢氧化物
白色胶状固体，难溶于水，有较强的吸附性。
写出上图标号中有关反应的离子方程式：
①Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O。
②Al(OH)3＋OH－===[Al(OH)4]－。
③2Al(OH)3Al2O3＋3H2O。
(3)铝盐——明矾
①化学式为KAl(SO4)2·12H2O，为复盐。
②电离方程式为KAl(SO4)2===K＋＋Al3＋＋2SO。
③应用：净水，净水原理为明矾电离出的Al3＋在水中水解生成Al(OH)3胶体，吸附水中悬浮物而沉淀，使水净化，其离子方程式为Al3＋＋3H2OAl(OH)3(胶体)＋3H＋。
(4)四羟基合铝酸盐——四羟基合铝酸钠
①向Na[Al(OH)4]溶液中滴加盐酸至过量，反应现象为先生成白色沉淀，然后沉淀又逐渐溶解至消失，反应的有关离子方程式为[Al(OH)4]－＋H＋===Al(OH)3↓＋H2O，Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O。
②向Na[Al(OH)4]溶液中通入少量CO2，反应的离子方程式为2[Al(OH)4]－＋CO2===2Al(OH)3↓＋CO＋H2O。
(5)Al(OH)3的实验室制法
①向铝盐中加入足量氨水，离子方程式为
Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH。
②向四羟基合铝酸盐中通入足量CO2，离子方程式为
[Al(OH)4]－＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO。
[深思考]
通过小组讨论，总结所有符合下面转化关系的物质，把铝及化合物的化学式写在横线上。
(1)a________、e________、b________、d________。
(2)a________、e________、b________、d________。
[答案]　(1)Na[Al(OH)4]　HCl　AlCl3　Al(OH)3
(2)AlCl3　NaOH　Na[Al(OH)4]　Al(OH)3(合理即可)
知识应用
铝及其化合物广泛应用于生产、生活中。从铝土矿(主要成分为Al2O3，含SiO2、Fe2O3等杂质)提取Al2O3的两种方案：
方案1：
方案2：
(1)方案1中沉淀A、B分别是________、________。
(2)方案1中的②③步转化的离子方程式分别为
②______________________________________________________________，
③______________________________________________________________。
(3)方案2中的沉淀A、B分别是________、________。
(4)方案2中的②③步转化的离子方程式分别为
②______________________________________________________________，
③______________________________________________________________。
[答案]　(1)SiO2　Fe(OH)3
(2)②Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓、Al3＋＋4OH－===[Al(OH)4]－　
③[Al(OH)4]－＋CO2===Al(OH)3↓＋HCO
(3)Fe2O3　H2SiO3
(4)②SiO＋2H＋===H2SiO3↓、[Al(OH)4]－＋4H＋===Al3＋＋4H2O
③Al3＋＋3NH3·3H2O===Al(OH)3↓＋3NH
?命题点1　铝及其重要化合物的性质和应用
1．下列除去杂质的方法不正确的是
(　　)
A．镁粉中混有少量铝粉：加入过量烧碱溶液充分反应，过滤、洗涤、干燥
B．用过量氨水除去Fe3＋溶液中的少量Al3＋
C．Al(OH)3中混有少量Mg(OH)2：加入足量烧碱溶液，充分反应，过滤，向滤液中通入过量CO2后过滤
D．MgO中混有少量Al2O3：加入足量烧碱溶液，充分反应，过滤、洗涤、干燥得到MgO
B　[加入氨水Fe3＋、Al3＋均生成沉淀，B项不正确。]
2．铝盐是工农业生产中的重要原料，回答下列相关问题：
(1)AlCl3溶液的配制方法：取AlCl3固体少许，__________________________
____________________________________________________________________。
(2)由AlCl3溶液制取AlCl3·6H2O的方法：______________________________
____________________________________________________________________。
(3)泡沫灭火器工作时反应的离子方程式为___________________________
____________________________________________________________________。
外筒(铁筒)中所盛试剂为________。
(4)[Al(OH)4]－与HCO在溶液中不能共存，二者反应的离子方程式为____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(5)明矾的净水原理为_____________________________________________。
(用离子方程式表示)。如果溶液pH过低，净水效果_________________________
(填“提高”或“降低”)。
[答案]　(1)溶于盛有浓盐酸的烧杯中
(2)加入盐酸后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
(3)Al3＋＋3HCO===Al(OH)3↓＋3CO2↑　
NaHCO3溶液
(4)[Al(OH)4]－＋HCO===Al(OH)3↓＋CO＋H2O
(5)Al3＋＋3H2OAl(OH)3(胶体)＋3H＋　降低
?命题点2　Al(OH)3的制备与铝土矿提取铝
3．用稀硫酸、NaOH溶液和金属铝为原料制取Al(OH)3。甲、乙、丙三位学生的制备途径分别是
甲：AlAl2(SO4)3Al(OH)3
乙：AlNa[Al(OH)4]Al(OH)3
丙：
若要得到等量的Al(OH)3，则(　　)
A．三者消耗的原料相同
B．甲消耗的原料的总物质的量最多
C．乙消耗的原料的总物质的量最少
D．丙消耗的原料的总物质的量最多
B　[要制备1
mol
Al(OH)3，三方案所需物质的量关系
甲：AlAl2(SO4)3Al(OH)3；
乙：AlNa[Al(OH)4]Al(OH)3；
丙：
以铝、酸、碱为原料制Al(OH)3的最佳方案
4．某铝土矿中主要含有Al2O3、Al(OH)3、AlO(OH)，还含有Fe2O3等杂质。利用拜耳法生产铝的流程如图所示：
请回答下列问题：
(1)粉碎后的铝土矿碱浸时应在高温下进行，其目的是
________________________________________________________________。
(2)AlO(OH)与NaOH溶液反应的化学方程式为________________________
____________________________________________________________________。
(3)在稀释、结晶过程中，稀释的目的是_______________________________
___________________________________________________________________；
加Al(OH)3晶核的目的是促进Al(OH)3的析出。上述“稀释、结晶”工艺，也可用通入足量的________气体的方法来代替。
(4)浓缩所得的NaOH溶液由于吸收了空气中的CO2而含有杂质，该杂质可通过苛化反应除去，写出苛化反应的化学方程式：____________________________。
(5)该生产流程能实现________________(填化学式)的循环利用。
[答案]　(1)加快反应速率
(2)AlO(OH)＋NaOH＋H2O===Na[Al(OH)4]
(3)降低碱性，促使[Al(OH)4]－水解生成Al(OH)3沉淀　CO2
(4)Na2CO3＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋2NaOH
(5)NaOH
　两性金属?Zn、Be、Ga?
根据两性金属Al的性质推导其他两性金属的性质，进而理解应用。很好地考查了学生的科学探究与创新意识，证据推理与模型认知的化学核心素养。
1．Zn、Be、Ga与H＋、OH－的反应
(1)
(2)
2．ZnO、BeO、Ga2O3与H＋、OH－的反应
(1)
(2)
3．Zn(OH)2、Be(OH)2、Ga(OH)3与H＋、OH－的反应
(1)
(2)
注意：[Al(OH)4]－也可以表示为AlO，故其他两性金属也可类似表示。
1．铝、铍及其化合物具有相似的化学性质，已知反应：BeCl2＋Na2BeO2＋2H2O===2NaCl＋2Be(OH)2↓能完全进行，则下列推断正确的是
(　　)
A．Be(OH)2既能溶于盐酸，又能溶于NaOH溶液
B．因BeCl2水溶液的导电性强，故BeCl2是离子化合物
C．常温下Na2BeO2溶液的pH>7，将其蒸干并灼烧后得到的残留物为BeO
D．常温下BeCl2溶液的pH>7，将其蒸干并灼烧后得到的残留物是BeCl2
A　[铝、铍及其化合物具有相似的化学性质，Be(OH)2与Al(OH)3性质相似，Be(OH)2既能溶于盐酸，又能溶于NaOH溶液，A正确；某些共价化合物水溶液的导电性也较强，B错误；Na2BeO2溶液蒸干灼烧后得到Na2BeO2，C错误；常温下BeCl2溶液的pH<7，蒸干并灼烧后得到的残留物是BeO，D错误。]
2．锌和铝都是活泼金属，其氢氧化物既能溶于强酸溶液，又能溶于强碱溶液，但是Al(OH)3不溶于氨水，而Zn(OH)2能溶于氨水，生成[Zn(NH3)4]2＋。
下列各组中的两种溶液，用相互滴加的实验方法可以鉴别的是________(填序号)。
①Al2(SO4)3和NaOH
　②Al2(SO4)3和氨水
③ZnSO4和NaOH　④ZnSO4和氨水
[答案]　①③④
　重要的过渡金属
分析近几年高考试题，除了考查教材中涉及的Al、Fe、Cu、Na金属外，还涉及一些重要应用的过渡金属如V、Cr、Mn、Ti等，目的是考查学生的拓展迁移能力。同时很好的体现了“科学探究与创新意识”的核心素养。
1．钒及其化合物
(1)钒单质具有耐酸性，在空气中不易被氧化，可溶于氢氟酸、硝酸和王水。
(2)钒的氧化物
钒的常见化合价为＋2、＋3、＋4、＋5，对应氧化物分别为VO、V2O3、VO2和V2O4、V2O5。
钒的氧化物的化学性质
化学式
VO
V2O3
VO2、V2O4
V2O5
物质类别
碱性氧化物
碱性氧化物
两性氧化物
两性氧化物
反应方程式
VO＋2H＋===V2＋＋H2O
V2O3＋6H＋===2V3＋＋3H2O
VO2＋2H＋===VO2＋＋H2O2VO2＋OH－===HV2O
V2O5＋2H＋===2VO＋H2OV2O5＋6OH－===2VO＋3H2O
(3)氢氧化钒
化学式
V(OH)2
V(OH)3
制备
V2＋＋2OH－===
V(OH)2↓
V3＋＋3OH－===V(OH)3↓(绿色)
性质(碱)
V(OH)2＋2H＋===V2＋＋2H2O在空气中极易被氧化
V(OH)3＋3H＋===V3＋＋3H2O在空气中易被氧化
(4)钒盐
①五价钒盐在碱性较强的溶液中以VO形式存在，在酸性溶液中发生一系列反应生成偏矾酸盐(VO)、焦矾酸盐(V2O)、多钒酸盐等。
②四价矾盐在酸性溶液中主要以VO2＋形式存在，如VOSO4。
2．铬及其化合物
(1)铬单质：最硬的金属，化学性质稳定，常温下在空气中、水中不生锈。
(2)铬的氧化物与氢氧化物
Cr2O3和Cr(OH)3具有两性，其转化关系如下：
相关反应的离子方程式：
①Cr3＋＋3OH－===Cr(OH)3↓
②Cr(OH)3＋OH－===[Cr(OH)4]－
③[Cr(OH)4]－＋H＋===Cr(OH)3↓＋H2O
④Cr(OH)3＋3H＋===Cr3＋＋3H2O
(3)铬盐
铬元素的常见价态有＋2、＋3、＋6。
①Cr(Ⅱ)：在酸性溶液中，Cr2＋具有很强的还原性。
②Cr(Ⅲ)：Cr3＋在酸性条件下是稳定的，但在碱性条件下能被氧化成CrO，2Cr3＋＋3H2O2＋10OH－===2CrO＋8H2O。
在碱性溶液中，亚铬酸盐(CrO)可以被H2O2或Na2O2氧化成铬酸盐：
2CrO＋3H2O2＋2OH－===2CrO＋4H2O
2CrO＋3Na2O2＋2H2O===2CrO＋6Na＋＋4OH－
③Cr(Ⅵ)：在水溶液中Cr2O和CrO存在下列平衡：
2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O
(黄色)　　　　　(橙红色)
在酸性溶液中，Cr2O具有强氧化性，但在碱性溶液中Cr2O的氧化性要弱得多。
3．锰及其化合物
锰元素常见价态：＋2、＋4、＋6、＋7。
(1)Mn(Ⅳ)
MnO2不溶于水、硝酸，是两性氧化物。
①在酸性介质中具有强氧化性，如MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O；遇易燃物可燃烧。
②遇强氧化剂表现还原性，如3MnO2＋3K2CO3＋KClO33K2MnO4＋KCl＋3CO2↑
③可用作催化剂，如2KClO32KCl＋3O2↑
2H2O22H2O＋O2↑
(2)Mn(Ⅵ)
①MnO能存在于强碱性溶液中，在酸性、中性环境中均发生歧化。即MnO―→MnO＋MnO2
②MnO为绿色，具有强氧化性，能氧化Fe2＋、S2－、HCl等。
(3)Mn(Ⅶ)
KMnO4热稳定性差，通常保存在棕色试剂瓶中：
4KMnO4＋2H2O4MnO2↓＋3O2↑＋4KOH
①在酸性介质中，MnO具有强氧化性，本身被还原为Mn2＋。
②在碱性、中性或微弱酸性溶液中，MnO氧化性减弱，还原产物为MnO2。
③在强碱性溶液中，MnO还原产物为MnO。
4．钛及其化合物的性质
(1)Ti：常温时与酸不反应，但可与HF反应(Ti＋6HF===H2TiF6＋2H2↑)，也可与热的浓盐酸反应[2Ti＋6HCl(浓)
2TiCl3＋3H2↑]。
(2)TiO2：不溶于水和稀酸，可溶解在HF溶液及热的浓硫酸中；可与Cl2反应，TiO2＋2Cl2===TiCl4＋O2；与碱溶液缓慢反应，TiO2＋2NaOH===Na2TiO3＋H2O；在高温下与Cl2、C发生反应，TiO2＋2C＋2Cl2TiCl4＋2CO。
(3)TiCl4：暴露在空气中会冒出白烟，TiCl4＋3H2O===H2TiO3↓＋4HCl；Mg作还原剂时可制备金属钛，2Mg＋TiCl42MgCl2＋Ti。
1．某电镀废料的主要成分为Cr(OH)3(含有Al2O3、ZnO、CuO、NiO等杂质)。以该废料为原料制备重铬酸钠的工艺流程如下：
已知：①水浸过滤后的滤液中含有Na2CrO4和少量的Na[Al(OH)4]、Na2ZnO2等物质；②2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O。
请回答下列问题：
(1)为了提高水浸效率，可采取的措施有_______________________________
________________________________________________________(填两条即可)。
(2)焙烧过程中，氧化剂为________，51.5
g
Cr(OH)3参加反应时转移电子为________mol。
(3)“一系列操作”包括加入稀硫酸、蒸发浓缩、降温结晶、过滤等。加入稀硫酸的目的是______________________________________________________。
(4)将重铬酸钠转化为重铬酸钾的方法是：在浓重铬酸钠溶液中加入氯化钾晶体，采取降温结晶法析出重铬酸钾。由此推知，相同条件下，重铬酸钾的溶解度________(填“大于”或“小于”)重铬酸钠的溶解度。
[解析]　
[答案]　(1)加热、搅拌　(2)O2　1.5
(3)促进铬酸钠转化为重铬酸钠　(4)小于
2．金属钒被誉为“合金的维生素”。从废钒(主要成分为V2O5、Fe2O3、SiO2等)中回收V2O5的一种工艺流程如下图所示：
已知：
步骤②、③中的转化过程可简化为：Rn＋(水层)＋nHA(有
机层)RAn(有机层)＋nH＋(水层)(式中Rn＋表示VO2＋或Fe3＋，HA表示有机萃取剂)
回答下列问题：
(1)步骤①酸浸过程中发生氧化还原反应的化学方程式为______________，
滤渣的成分为________。
(2)萃取时应加入适量碱的作用是_________________________________。
(3)步骤④中反应的离子方程式为_________________________________。
(4)沉钒所得NH4VO3为离子化合物，NH的电子式为________。
(5)V2O5是两性氧化物，在强酸性溶液中以VO形式存在，VO具有强氧化性，能将I－氧化为I2，本身被还原为VO＋，则V2O5与氢碘酸反应的离子方程式为___________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
[解析]　(1)由浸出液的成分可知V2O5→VO2＋，故反应的化学方程式为V2O5＋K2SO3＋2H2SO4===K2SO4＋2VOSO4＋2H2O，在酸浸时V2O5、Fe2O3均溶解，而SiO2不溶，故滤渣的成分为SiO2。
(2)由Rn＋(水层)＋nHA(有机层)RAn(有机层)＋nH＋(水层)可知，加入碱，c(H＋)减小，平衡右移，有利于R进入有机层，提高萃取率。
(3)由反应后的溶液成分可知VO2＋→VO、KClO3→Cl－，故反应的离子方程式为ClO＋6VO2＋＋3H2O===Cl－＋6VO＋6H＋。
(5)由题目分析知V2O5和氢碘酸反应中V2O5→VO＋、I－→I2，故反应的离子方程式为：V2O5＋4I－＋6H＋===2I2＋2VO＋＋3H2O。
[答案]　(1)V2O5＋K2SO3＋2H2SO4===K2SO4＋2VOSO4＋2H2O　SiO2
(2)使平衡右移，提高萃取率
(3)6VO2＋＋ClO＋3H2O===Cl－＋6VO＋6H＋
(4)
(5)V2O5＋4I－＋6H＋===2VO＋＋2I2＋3H2O
[真题验收]
1．(2020·全国卷Ⅲ，T7)宋代《千里江山图》描绘了山清水秀的美丽景色，历经千年色彩依然，其中绿色来自孔雀石颜料[主要成分为Cu(OH)2·CuCO3]，青色来自蓝铜矿颜料[主要成分为Cu(OH)2·2CuCO3]。下列说法错误的是(　　)
A．保存《千里江山图》需控制温度和湿度
B．孔雀石、蓝铜矿颜料不易被空气氧化
C．孔雀石、蓝铜矿颜料耐酸耐碱
D．Cu(OH)2·CuCO3中铜的质量分数高于Cu(OH)2·2CuCO3
C　[Cu(OH)2和CuCO3在高温时均易分解，在潮湿的空气中会有微量溶解，因此保存《千里江山图》需控制温度和湿度，A项正确；孔雀石和蓝铜矿颜料中的Cu元素均为＋2价，处于Cu元素的最高价态，因此孔雀石、蓝铜矿颜料不易被空气氧化，B项正确；Cu(OH)2和CuCO3均能与酸发生反应，C项错误；Cu(OH)2中Cu的质量分数约为65.3%，CuCO3中Cu的质量分数约为51.6%，因此Cu(OH)2·CuCO3中铜的质量分数高于Cu(OH)2·2CuCO3中铜的质量分数，D项正确。]
2．(2020·江苏高考，T3)下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是(　　)
A．铝的金属活泼性强，可用于制作铝金属制品
B．氧化铝熔点高，可用作电解冶炼铝的原料
C．氢氧化铝受热分解，可用于中和过多的胃酸
D．明矾溶于水并水解形成胶体，可用于净水
D　[铝具有很好的延展性，可以用于制作铝金属制品，与铝的活泼性无关，A项错误；电解氧化铝冶炼铝是因为氧化铝熔融状态下能导电，与熔点高无关，B项错误；氢氧化铝能与胃酸的主要成分盐酸发生反应，与氢氧化铝受热分解无关，C项错误；明矾中的Al3＋可以水解生成氢氧化铝胶体，胶体具有很强的吸附能力，可以吸附水中的悬浮物，起到净水作用，D项正确。]
3．(2020·全国卷Ⅰ，T26)钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以＋3、＋4、＋5价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。
该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：
金属离子
Fe3＋
Fe2＋
Al3＋
Mn2＋
开始沉淀pH
1.9
7.0
3.0
8.1
完全沉淀pH
3.2
9.0
4.7
10.1
回答下列问题：
(1)“酸浸氧化”需要加热，其原因是_________________________________
____________________________________________________________________。
(2)“酸浸氧化”中，VO＋和VO2＋被氧化成VO，同时还有________离子被氧化。写出VO＋转化为VO反应的离子方程式____________________________
____________________________________________________________________。
(3)“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为V2O5·xH2O，随滤液②可除去金属离子K＋、Mg2＋、Na＋、________，以及部分的________。
(4)“沉淀转溶”中，V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是________。
(5)“调pH”中有沉淀生成，生成沉淀反应的化学方程式是_______________
____________________________________________________________________。
(6)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
[解析]　(1)“酸浸氧化”中温度较低时，酸浸和氧化反应速率较慢，加热的目的是加快酸浸和氧化反应速率。(2)从原料看，“酸浸氧化”中四氧化三铁溶于稀硫酸，发生反应Fe3O4＋4H2SO4===FeSO4＋Fe2(SO4)3＋4H2O，加入的二氧化锰除氧化VO＋和VO2＋外，还氧化Fe2＋。VO＋转化为VO反应的离子方程式为VO＋＋MnO2＋2H＋===VO＋Mn2＋＋H2O。(3)根据表格中数据知，pH在3.0～3.1时，铁离子接近沉淀完全，少量铁离子随滤液②除去，Al3＋部分沉淀，大量铝离子随滤液②除去，K＋、Mg2＋、Na＋、Mn2＋随滤液②除去。(4)在pH>13的强碱性溶液中，V2O5·xH2O转化为钒酸盐而溶解，Al(OH)3转化为Na[Al(OH)4]而溶解，Fe(OH)3不溶，故滤渣③的主要成分是Fe(OH)3。(5)pH＝8.5时铝元素沉淀，故“调pH”时生成氢氧化铝沉淀，反应的化学方程式为Na[Al(OH)4]＋HCl===Al(OH)3↓＋NaCl＋H2O。(6)“沉钒”时要使NH4VO3尽可能析出完全，利用同离子效应，加入过量NH4Cl可达到此目的。
[答案]　(1)加快酸浸和氧化反应速率(促进氧化完全)
(2)Fe2＋　VO＋＋MnO2＋2H＋===VO＋Mn2＋＋H2O
(3)Mn2＋　Al3＋和Fe3＋
(4)Fe(OH)3
(5)Na[Al(OH)4]＋HCl===Al(OH)3↓＋NaCl＋H2O
(6)利用同离子效应，促进NH4VO3尽可能析出完全
[新题预测]
金属钛(Ti)因其硬度大、熔点高、常温时耐酸碱腐蚀而被广泛用作高新科技材料。以钛铁矿(主要成分为钛酸亚铁)为主要原料冶炼金属钛同时获得副产品甲的工业生产流程如图所示。
请回答下列问题：
(1)钛酸亚铁(用R表示)与碳在高温下反应的化学方程式为2R＋C2Fe＋2TiO2＋CO2↑，钛酸亚铁的化学式为__________________________________
____________________________________________________________________；
钛酸亚铁和浓硫酸反应的产物之一是TiOSO4，反应中无气体生成，该反应的化学方程式为_________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(2)上述生产流程中加入铁屑的目的是________。此时溶液Ⅰ中含有Fe2＋、TiO2＋和少量Mg2＋等阳离子，常温下，其对应氢氧化物的Ksp如表所示。
氢氧化物
Fe(OH)2
TiO(OH)2
Mg(OH)2
Ksp/(mol3·L－3)
8.0×10－16
1.0×10－29
1.8×10－11
若将含有Fe2＋、TiO2＋和Mg2＋的溶液加水稀释，立即析出大量白色沉淀，该反应的离子方程式为_________________________________________________。
(3)除去所得金属钛中少量Mg，可选用的试剂是________。
[解析]　(1)由2R＋C2Fe＋2TiO2＋CO2↑，根据原子守恒，可推知钛酸亚铁的化学式为FeTiO3。钛酸亚铁和浓硫酸反应，生成TiOSO4，无气体生成，元素Ti的化合价不变，说明发生非氧化还原反应，则产物中还有FeSO4，故该反应的化学方程式为FeTiO3＋2H2SO4(浓)===TiOSO4＋FeSO4＋2H2O。(2)钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是FeSO4，加入铁屑，可防止Fe2＋被氧化。根据题表提供的Ksp数据知，三种物质组成类型相同且TiO(OH)2的溶度积常数最小，则加水稀释，立即析出的白色沉淀为TiO(OH)2。
[答案]　(1)FeTiO3　FeTiO3＋2H2SO4(浓)===TiOSO4＋FeSO4＋2H2O　(2)防止Fe2＋被氧化　TiO2＋＋2H2O===TiO(OH)2↓＋2H＋(或TiO2＋＋2H2O===H2TiO3↓＋2H＋)　(3)稀盐酸
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-第1节　碳、硅与无机非金属材料
[课标解读]　1.了解碳、硅及其重要化合物的性质及应用。　2.了解硅的工业制备。　3.了解无机非金属材料的性质及用途。
　碳、硅及其氧化物
知识梳理
1．碳、硅单质的存在形式、结构、物理性质和用途
碳
硅
存在形式
游离态和化合态
化合态
单质的结构
金刚石：立体网状结构；石墨：层状结构；C60：足球形分子
晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构
物理性质
金刚石：熔点很高、硬度很大；石墨：硬度较小、电的良导体
晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大、有脆性
用途
金刚石用于制造切割刀具，石墨用于制造电极、铅笔芯。C60可作催化剂或催化剂载体
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
注意：硅为亲氧元素，在自然界中无游离态，地壳中含量仅次于氧。
2．碳、硅的化学性质(写出有关化学方程式)
(1)碳的化学性质
(2)硅的化学性质
①与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
②与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
③与O2反应：Si＋O2SiO2。
④与Cl2反应生成SiCl4。
[辨易错]
(1)金刚石、石墨、C60为碳的同位素。(　　)
(2)金刚石的熔点比C60的高，金刚石与石墨的沸点相同。(　　)
(3)根据2C＋SiO2Si＋2CO↑可知C的还原性强于Si。(　　)
(4)碳、硅均可与浓硝酸反应。(　　)
[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×
3．碳、硅的氧化物
(1)一氧化碳的性质及应用
①物理性质：无色无味的气体，难溶于水，能使人中毒。中毒的原因是与人体内血红蛋白相结合，使人因缺氧而中毒。
②化学性质及应用(写出有关化学方程式)
a．可燃性：2CO＋O22CO2，可作燃料。
b．还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。
(2)CO2与SiO2性质的比较
①共性
均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，写出二者与NaOH溶液(足量)反应的离子方程式：CO2＋2OH－===CO＋H2O、SiO2＋2OH－===SiO＋H2O；二者与CaO反应的化学方程式：CO2＋CaO===CaCO3、SiO2＋CaOCaSiO3。
②SiO2的两个特性
a．SiO2与氢氟酸反应的化学方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
b．SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应——工业制玻璃
SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；
SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。
(3)SiO2与CO2的用途
①CO2：制饮料、碳酸盐，作灭火剂，干冰用作制冷剂，也可用于人工降雨。
②SiO2：光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。
(4)CO2的实验室制法
用大理石与稀盐酸或稀硝酸发生反应的离子方程式：
CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O。
注意：①用大理石制CO2时，不能用稀硫酸，因为生成的CaSO4微溶，覆盖大理石表面阻止反应进行。
②可以用启普发生器作发生装置制CO2。
③除去CO2中的HCl可以用饱和NaHCO3溶液。
[辨易错]
(1)CO2、SiO2与NaOH溶液反应均只能生成正盐。(　　)
(2)SiO2与NaOH、HF均反应，故SiO2为两性氧化物。(　　)
(3)CO2通入Na2SiO3溶液中生成H2SiO3沉淀，可说明非金属性C>Si。(　　)
(4)SiO2是酸性氧化物，与H2O反应生成H2SiO3。(　　)
[答案]　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×
知识应用
1．利用石英和碳为主要原料，设计制备纯硅的主要化学过程，并写出每步化学方程式。
[答案]　石英(SiO2)粗硅SiCl4Si(纯)
SiO2＋2CSi＋2CO↑
Si＋Cl2SiCl4
SiCl4＋2H2Si＋4HCl
2．用化学方程式回答下列问题：
(1)保存烧碱溶液不能用磨口玻璃塞的理由___________________________
___________________________________________________________________。
(2)氢氟酸可用于在玻璃器皿上雕刻花纹的理由_______________________
___________________________________________________________________。
(3)水煤气的制备反应方程式_______________________________________
___________________________________________________________________。
[答案]　(1)2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O
(2)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O
(3)C＋H2O(g)CO＋H2
?命题点1　碳、硅及其氧化物的主要性质及应用
1．下列说法中正确的是(　　)
A．单质氧化物酸或碱盐，碳、硅单质均可以按上述关系进行转化
B．若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现如图所示的转化关系
C．在标准状况下，将3.36
L
CO2气体通入200
mL
1.00
mol·L－1
NaOH溶液中，溶液中溶质有2种
D．用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被氧化
C　[A项，SiO2与H2O不反应；B项，SiO2不能直接转化为H2SiO3，H2SiO3也不能直接转化为Si；D项，SiO2与C反应制取Si，硅元素被还原。]
2．下列关于二氧化硅的说法正确的是(　　)
A．二氧化硅是酸性氧化物，故不能与酸反应
B．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆
C．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应
D．对于2C＋SiO2Si＋2CO↑中，氧化剂与还原剂质量比为1∶2
C　[A项，SiO2与氢氟酸反应；B项，光导纤维传导光不导电；D项，反应中氧化剂(SiO2)与还原剂(C)的物质的量比为1∶2，质量比为60∶24。]
3．多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅芯片的主要原料。已知第三代工业制取多晶硅流程如图所示：
下列说法错误的是(　　)
A．Y、Z分别为H2、Cl2
B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
C．SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅元素的化合价为＋4
D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
B　[B项中的反应为3C＋SiO2SiC＋2CO↑，氧化剂与还原剂均为C，二者之比为1∶2。]
(1)数轴法判断CO2与强碱(OH－)反应的产物
当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：
(2)硅及其氧化物的性质理解
①一般情况，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸发生反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。但SiO2不是两性氧化物。
②一般情况，较强酸＋较弱酸盐―→较弱酸＋较强酸盐。虽然酸性：H2CO3>H2SiO3，却能发生反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑。其原理为难挥发性物质制备易挥发性物质。
③一般情况，非常活泼金属(Na、K等)才能够置换出水中的氢，但却能发生反应：C＋H2O(g)CO＋H2。
④一般情况，非金属氧化物与水反应生成相应的酸，如CO2＋H2OH2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。
⑤Si的还原性强于C，但C能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO：2C＋SiO2Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，它的放出降低了生成物浓度，促使反应向正反应方向进行。
?命题点2　CO、CO2的检验实验探究
4．确定混合气体(CO、CO2)中含有CO气体的实验设计方法如图所示。
请回答下列问题：
(1)填写下列指定装置的作用。
A：____________________________________________________________。
B：____________________________________________________________。
E：_____________________________________________________________。
F：_____________________________________________________________。
(2)写出C中的化学方程式：________________________________________
________________________________________________________________。
(3)确定混合气体中含有CO气体的实验现象：________________________
________________________________________________________________。
(4)该装置存在一定的安全隐患，改进方法为__________________________
________________________________________________________________。
[解析]　注意：CO的检验一般是用氧化剂氧化为CO2，检验CO2的生成进而说明含CO，但要注意原气体中CO2的干扰。
[答案]　(1)A：除去混合气体中的CO2气体
　B：检验混合气体中CO2是否除尽　E：除去尾气中的CO2气体　F：除去尾气中的CO气体，防止污染环境
(2)CO＋CuOCu＋CO2
(3)B中无明显现象，C中的物质由黑色变成红色，D中的澄清石灰水变浑浊
(4)在装置C、D之间加一防倒吸装置
检验CO2中CO是否存在的思维模板
各装置的作用是：
A——除去混合气体中的CO2
B——检验混合气体中CO2是否除尽
C——除去气体中的水蒸气
D——CO还原CuO：CO＋CuOCu＋CO2
E——安全瓶，防倒吸
F——验证CO的氧化产物CO2
G——除去尾气中的CO，防止污染环境
确定混合气体中含有CO的实验现象是：
D中的物质由黑色变成光亮的红色，B中无明显现象，F中的澄清石灰水变浑浊。
　硅酸、硅酸盐和无机非金属材料
知识梳理
1．硅酸与硅酸盐
(1)硅酸
①硅酸是一种比H2CO3酸性还弱的难溶性酸。硅酸受热分解生成SiO2。
②硅酸可用于制硅胶，硅胶可用作实验室和袋装食品的干燥剂，也可用作催化剂载体。
(2)硅酸盐
由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
①硅酸盐的组成表示方法
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(K2Al2Si6O16)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
②硅酸钠(Na2SiO3)——俗称泡花碱
a．白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。
b．与较强的酸反应生成硅酸：如Na2SiO3溶液与稀硫酸反应：Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4；与SO2水溶液反应：Na2SiO3＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2SO3。
c．用途：黏合剂、耐火阻燃材料。
[辨易错]
(1)硅酸是一种难溶性酸，与碱液不反应。(　　)
(2)硅胶是硅酸溶于水后形成的胶体。(　　)
(3)Na2SiO3可表示为Na2O·SiO2，故Na2SiO3是由Na2O与SiO2混合而成。
(　　)
(4)硅酸钠溶液、强碱溶液不贮存在带玻璃塞的试剂瓶中。(　　)
[答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
2．无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
黏土、石灰石
纯碱、石灰石、石英砂
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
生产条件
高温
主要成分
3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3
Na2SiO3，CaSiO3，SiO2
硅酸盐
注意：玻璃没有固定的熔点，是混合物，在某一温度范围内逐渐软化，可吹成各种形状的制品。不是晶体，称为玻璃态物质。
(2)新型无机非金属材料
①高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。再如碳化硅(SiC)俗称金刚砂，SiC具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料和耐高温半导体材料。
②生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。
③压电陶瓷：具有压电效应。
④光导纤维：主要成分为SiO2，导光、制作光缆。
⑤碳纳米材料：主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，具有独特的电阻率低、热导率高的特点和很高的强度。
[辨易错]
(1)硅酸盐材料属于传统无机非金属材料，光导纤维属于新型无机非金属材料。(　　)
(2)水泥、玻璃、陶瓷的生产原料均有石灰石。(　　)
(3)光导纤维与石墨均易导电。(　　)
(4)合成纤维、塑料、石墨烯均为有机高分子材料。(　　)
[答案]　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×
知识应用
(1)高纯度的二氧化硅广泛用于制作光导纤维，但光导纤维遇强碱会造成信号中断，原因是________________________________________________________
_________________________________________________(用化学方程式表示)。
(2)熔化纯碱时不能选用普通坩埚，理由是_____________________________
__________________________________________________(用化学方程式表示)。
(3)氮化硅是一种新型无机非金属材料，其化学式为________，其优点有_________________________________________________________________。
[答案]　(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(2)Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑
(3)Si3N4　熔点高，硬度大，化学性质稳定等
?命题点1　硅酸、硅酸盐和无机非金属材料
1．下列说法不正确的是(　　)
A．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃
B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶
C．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4
D．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能
D　[硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，石英的主要成分为SiO2，D项不正确。]
2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是(　　)
A．青石棉是一种硅酸盐产品
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1
mol青石棉能使1
mol
HNO3被还原
B　[硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；虽然青石棉可用氧化物形式来表示，但不代表含有一定量的石英晶体；1
mol
Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟足量硝酸反应时，失去3
mol电子，而还原产物只有NO，故能使1
mol
HNO3被还原。]
3．我国在航天、军事、天文等领域的发展备受世界瞩目，它们与化学有着密切联系。下列说法正确的是
(　　)
A．“中国天眼”的“眼眶”是钢铁结成的圈梁，属于新型无机非金属材料
B．“歼—20”飞机上大量使用的碳纤维是一种新型有机高分子材料
C．“神舟十一号”宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷是新型无机非金属材料
D．“天宫二号”空间实验室的太阳能电池板的主要材料是二氧化硅
C　[A项，钢铁为金属材料，错误；B项，碳纤维不是有机高分子材料，错误；D项，太阳能电池板的主要材料应是硅晶体，错误。]
(1)化学材料的一般分类
(2)硅酸盐氧化物形式的表示模板
①氧化物的一般书写顺序：活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。
②氧化物前系数的配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数，且不同氧化物间以“·”隔开。
③当系数配置出现分数时一般应化为整数。如正长石：KAlSi3O8，将K2O·Al2O3·3SiO2，写成K2O·Al2O3·6SiO2，但原子个数比不变。
?命题点2　硅及其化合物的转化及应用
4．已知A是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。根据如图所示的物质之间的转化关系，回答下列有关问题。
(1)写出B、C两物质的名称：B________、C________。
(2)写出D→B的化学方程式为______________________________________
_______________________________________________________________。
(3)写出B→C的离子方程式为______________________________________
_______________________________________________________________。
(4)D不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为___________________________________________________________________。
[解析]　由题意知：A为Si，B为Na2SiO3，C为H2SiO3，D为SiO2。
[答案]　(1)硅酸钠　硅酸　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　(3)SiO＋H2O＋CO2===CO＋H2SiO3↓　(4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
硅及其化合物之间的常见转化关系
　草酸及其盐
草酸是重要的二元羧酸，在生活中应用广泛，是近几年高考试题常用载体，通过对草酸及其盐性质的考查，体现“科学探究与创新意识”的核心素养。
1．草酸的性质
草酸的化学式为H2C2O4，草酸晶体的化学式为H2C2O4·2H2O。
(1)弱酸性：草酸为二元弱酸，酸性比醋酸的酸性强，电离方程式为H2C2O4H＋＋HC2O，HC2OH＋＋C2O。
(2)还原性：H2C2O4中C元素的化合价为＋3价，具有还原性，能使酸性高锰酸钾溶液退色，反应的化学方程式为2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4===K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O。
(3)不稳定性：草酸晶体受热易分解，反应的化学方程式为H2C2O4·2H2OCO↑＋CO2↑＋3H2O。
2．草酸盐的性质
(1)(NH4)2C2O4溶于水，加热分解，由氨水和草酸溶液反应生成。
(2)CaC2O4不溶于水、醋酸，溶于盐酸、稀硝酸，灼烧时生成碳酸钙或氧化钙。
(3)MgC2O4、FeC2O4不溶于水，可由对应的可溶性金属盐与草酸铵反应而得到，加热分解可得到对应金属氧化物。
3．草酸的用途
络合剂、沉淀剂、还原剂、漂白剂和媒染剂及除锈剂等。
(2020·启东模拟)钛酸钡被誉为“电子陶瓷工业的支柱”，工业制取方法如图所示，先获得不溶性草酸氧钛钡晶体[BaTiO(C2O4)2·4H2O]，煅烧后可获得钛酸钡粉体。
(1)酸浸时发生反应的离子方程式为__________________________________。
(2)加入H2C2O4溶液时，发生反应的化学方程式为______________________
____________________________________________________________________。
可循环使用的物质X是______________________(填化学式)。设计实验方案验证草酸氧钛钡晶体是否洗涤干净：______________________。
(3)煅烧草酸氧钛钡晶体得到BaTiO3粉体的同时，生成高温下的气态产物有CO、________。
[解析]　(2)BaCl2、TiCl4与H2C2O4在溶液中发生反应生成BaTiO(C2O4)2·4H2O(草酸氧钛钡晶体)和HCl，化学方程式为BaCl2＋TiCl4＋2H2C2O4＋5H2O===BaTiO(C2O4)2·4H2O↓＋6HCl。制取方法中用盐酸溶解BaCO3，所以反应生成的HCl可循环利用。验证草酸氧钛钡晶体是否洗涤干净的方法为：取最后一次洗涤液少许，滴入稀硝酸酸化的硝酸银溶液，若无沉淀生成，则说明晶体已经洗涤干净。(3)根据草酸氧钛钡晶体的化学式可知，碳元素化合价为＋3，所以煅烧草酸氧钛钡晶体生成BaTiO3和CO的同时，还会生成CO2和H2O(g)。
[答案]　(1)BaCO3＋2H＋===Ba2＋＋CO2↑＋H2O
(2)BaCl2＋TiCl4＋2H2C2O4＋5H2O===BaTiO(C2O4)2·4H2O↓＋6HCl　HCl　取最后一次洗涤液少许，滴入稀硝酸酸化的硝酸银溶液，若无沉淀生成，则说明晶体已经洗涤干净　(3)CO2和H2O(g)
[真题验收]
1．(2020·山东学业水平等级考试，T4)下列关于C、Si及其化合物结构与性质的论述错误的是(　　)
A．键能C—C>Si—Si、C—H>Si—H，因此C2H6稳定性大于Si2H6
B．立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度
C．SiH4中Si的化合价为＋4，CH4中C的化合价为－4，因此SiH4还原性小于CH4
D．Si原子间难形成双键而C原子间可以，是因为Si的原子半径大于C，难形成p?p
π键
C　[化合物中键能越大，该物质越稳定，由于键能C—C>Si—Si、C—H>Si—H，故可判断稳定性：C2H6>Si2H6，A项正确；SiC与金刚石均为立体网状的共价晶体，二者成键和结构均相似，均具有很高的硬度，B项正确；根据非金属性：C>Si，可知还原性：SiH4>CH4，C项错误；由于原子半径：Si>C，Si原子间难形成p?p
π键，故决定了Si原子间很难形成双键，D项正确。]
2．(2020·浙江7月选考，T24)Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是(　　)
A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NH4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NH3↑＋2H2O
B．具有吸水性，需要密封保存
C．能与SO2反应生成新盐
D．与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO2
D　[加热时氯化铵分解生成HCl和氨气，HCl与Ca3SiO5反应得到硅酸钙、氯化钙和水，A项正确；水泥吸水会变硬，需密封保存，B项正确；Ca3SiO5能与二氧化硫反应得到亚硫酸钙，C项正确；由上述分析可知，Ca3SiO5与足量盐酸反应得不到二氧化硅，D项错误。]
3．(2019·全国卷Ⅰ)陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁
B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
A　[氧化铁的颜色为红棕色，不是青色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成；陶瓷的主要成分是硅酸盐；具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点；B、C、D项正确。]
4．下列说法不正确的是________(填序号)。
(1)(2019·全国卷Ⅲ)高纯硅可用于制作光感电池
(2)(2019·全国卷Ⅲ)活性炭具有除异味和杀菌作用
(3)(2016·全国卷Ⅲ)HF与SiO2反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
(4)(2015·全国卷Ⅱ)硅胶可用作食品干燥剂
(5)(2014·全国卷Ⅰ)如图：①中为浓硝酸，②中为Na2CO3，③中为Na2SiO3溶液，可证明酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸
(6)(2020·浙江7月选考)SiO2可用来制造光导纤维。
[答案]　(2)(5)
5．(1)(2019·全国卷Ⅱ，节选，有改动)在回转炉中重晶石(BaSO4)被过量焦炭还原为可溶性硫化钡，该过程的化学方程式为_____________________________。
回转炉尾气中含有有毒气体，生产上可通过水蒸气变换反应将其转化为CO2和一种清洁能源气体，该反应化学方程式为______________________________。
(2)(2018·全国卷Ⅲ，节选)SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体，遇潮气时发烟生成(HSiO)2O等，写出该反应的化学方程式____________________。
[答案]　(1)BaSO4＋4CBaS＋4CO↑　
CO＋H2O(g)CO2＋H2
(2)2SiHCl3＋3H2O===(HSiO)2O＋6HCl
[新题预测]
某兴趣小组欲对草酸晶体(H2C2O4·2H2O)的分解产物进行探究，查阅相关资料得到草酸晶体的具体性质如表：
熔点
沸点
热稳定性
其他
101～102
℃
150～160
℃升华
100.1
℃分解出水，175
℃分解成气体
与Ca(OH)2反应产生白色沉淀(CaC2O4)
(1)对于175
℃时的分解产物提出以下三种猜想：①CO2和H2O；②CO和H2O；③CO、CO2和H2O。无需实验验证便可判断猜想________一定不成立，理由是_______________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(2)将分解产生的气体依次通过以下装置来验证其产物(可重复使用)。
①各装置合理的连接顺序为分解产生的气体→B→________→________→
________→C→________→________。
②B装置的作用有两种，其一是通过______________现象证明___________，
其二是______________________________________________________________。
③通过观察到____________________________________________________
现象证明分解产物中有CO。
(3)草酸晶体受热完全分解的化学方程式为____________________________
___________________________________________________________________。
[解析]　(1)H2C2O4中碳元素的平均化合价为＋3，反应中H、O元素的化合价均没变化，CO2中C显＋4价，CO中C显＋2价，无论生成哪种物质都会发生化合价变化，根据得失电子守恒，分解产物中CO和CO2必须都有，所以①、②两种猜想一定不成立。(2)①草酸晶体分解的产物中有H2O、CO、CO2，同时还混有草酸蒸气，所以验证其分解的产物，要考虑干扰因素，选择正确的验证方法和合理的验证顺序，结合提供的装置及其中所盛装的药品，H2O是通过无水硫酸铜来检验的，而且应当最先检验，CO2是用澄清的石灰水来检验的，但要注意草酸蒸气同样能使澄清石灰水变浑浊，故要先除草酸蒸气(可以用冷凝的方法除去)，检验CO的方法是使干燥气体通过灼热的氧化铜，看到黑色的固体变红且生成的气体能使澄清石灰水变浑浊即可确定CO存在，则各装置合理的连接顺序为分解产生的气体→B→E→D→A→C→E→F。
[答案]　(1)①、②　①、②两种猜想均违背了得失电子守恒(其他合理答案均可)　(2)①E　D　A　E　F
②白色粉末变蓝　分解产物中有H2O　使升华的草酸蒸气冷凝而除去，排除对CO2的检验的干扰　③C中的黑色固体变红且后面澄清的石灰水变浑浊　(3)H2C2O4·2H2OCO2↑＋CO↑＋3H2O↑
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