版高考化学复习材料家族中的元素第1节硅无机非金属材料学案鲁科版.docx
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版高考化学复习材料家族中的元素第1节硅无机非金属材料学案鲁科版
第1节 硅 无机非金属材料
1．了解硅元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。
2．了解硅元素单质及其重要化合物对环境的影响。
3．以上各部分知识的综合应用。
硅单质及其重要化合物
[知识梳理]
1．硅的存在及原子结构
硅元素位于元素周期表第三周期第ⅣA族，原子结构示意图为
；在自然界中均以化合态存在，在地壳中的含量仅次于氧元素。
2.单质硅
（1）物理性质,晶体硅是灰黑色的固体，有金属光泽，硬度大，熔、沸点高，导电性介于导体和绝缘体之间。
（2）化学性质——还原性
（3）工业制法
（4）用途
①作为半导体材料；
②生产硅合金；
③制造太阳能电池。
3．二氧化硅
（1）物理性质：
熔点高，硬度大，不溶于水。
（2）化学性质
（3）主要用途
①制造信息高速公路的骨架——光导纤维；
②制造石英坩埚、石英玻璃、石英钟表等；
③制造电子工业的重要部件、光学仪器；
④用作工艺饰品，如水晶、玛瑙等。
4．硅酸（H2SiO3）
（1）工业上制备硅的流程
①石英（SiO2）
Si（粗）
SiCl4
Si（纯）；
②制粗硅时必须隔绝空气在电炉中进行。
（2）SiO2晶体是由Si原子和O原子按1∶2的比例组成的立体网状结构的晶体，不存在单个分子。
CO2晶体存在单个CO2分子。
（3）不能依据反应2C＋SiO2
Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2对应水化物H2SiO3的酸性比H2CO3强。
（4）计算机芯片的主要成分是晶体硅，光导纤维的主要成分是SiO2。
[自我检测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
（1）SiO2为酸性氧化物，不与任何酸反应。
（ ）
（2）加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应。
（ ）
（3）工业上用焦炭和石英制取粗硅反应的化学方程式为SiO2＋C
Si＋CO2↑。
（ ）
（4）不能用SiO2与水反应的方法来制取硅酸，不能用瓷坩埚来加热烧碱或纯碱使其熔化。
（ ）
答案：
（1）×
（2）√ （3）× （4）√
2．如何用所提供的试剂和方法除去各粉末状混合物中的杂质（括号内为杂质），将所选答案的编号填入下表相应的空格内（如果不需要外加试剂，则对应答案栏可空着）。
可供选择的试剂：
A．盐酸；B．氢氧化钠溶液；C．氧气；D．水；E．二氧化碳。
可选用的操作：
①水洗；②加热；③高温灼烧；④过滤；⑤结晶。
序号
粉末状混合物
选择的试剂
选用的操作
（1）
CaCO3（SiO2）
（2）
NaCl（SiO2）
（3）
SiO2（Fe2O3）
（4）
SiO2（CaCO3）
（5）
SiO2（NH4Cl）
解析：
可根据二氧化硅是不溶于水的酸性氧化物，可跟强碱反应，不跟酸（氢氟酸除外）反应，受热不分解等性质来除杂。
而三氧化二铁、碳酸钙可跟盐酸反应，氯化铵受热能分解。
通过一定操作，除去杂质。
除杂过程中所发生反应的化学方程式如下：
（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；
（3）Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O；
（4）CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O；
（5）NH4Cl
NH3↑＋HCl↑。
答案：
（1）B ④
（2）D ④⑤ （3）A ④ （4）A ④ （5）②
（2018·榆林模拟）下列说法正确的是（ ）
A．单质
氧化物
酸或碱
盐，碳或硅单质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转化：
b→c→a
C．太阳能电池板中的硅在元素周期表中处于金属元素与非金属元素的交界位置
D．单质硅常用于制造光导纤维
[解析] A项，SiO2与H2O不反应，故无法实现氧化物
酸的转化；B项，SiO2不能通过一步反应转化为H2SiO3，H2SiO3不能通过一步反应转化为Si；D项，SiO2为光导纤维的主要成分。
[答案] C
题组 硅及其化合物的考查
1．下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是（ ）
A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐
B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸
C．CO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物
D．CO2和SiO2都是由相应的分子组成的
解析：
选A。
SiO2不能与水反应，B项错；SiO2是酸性氧化物，C项错；SiO2中不存在分子，其化学式仅代表Si、O原子个数比为1∶2，D项错。
2．（2018·长春统考）如图是利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程。
容器A中发生的反应为Si（粗）＋3HCl
SiHCl3＋H2，容器B中发生的反应为SiHCl3＋H2
Si（纯）＋3HCl。
下列说法正确的是（ ）
A．该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用
B．最好用分液的方法分离Si和SiHCl3
C．反应②和③中HCl均作氧化剂
D．反应①说明还原性：
C>Si
解析：
选A。
该工艺流程中，HCl和H2可循环使用，A项正确；可用过滤的方法分离Si与SiHCl3，B项错误；反应③中HCl是氧化产物，C项错误；由于碳的非金属性强于硅，故碳的还原性弱于硅，D项错误。
3．下列反应中含硅化合物表现出了不同的作用或性质。
根据要求，填写下列空白：
A．SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
B．Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓
C．SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
D．SiO2＋2C
Si＋2CO↑
（1）体现SiO2具有酸性氧化物通性的反应是________（填序号，下同）。
（2）体现强酸制弱酸原理的反应是________。
（3）可表示刻蚀玻璃原理的反应是________。
（4）体现SiO2弱氧化性的反应是________。
解析：
由于酸性：
HCl>H2SiO3，故Na2SiO3可与HCl反应制取H2SiO3。
玻璃中含有SiO2，HF可与SiO2反应生成SiF4气体，因而可用HF刻蚀玻璃。
答案：
（1）C
（2）B （3）A （4）D
硅及其化合物的特征
物质
一般规律
硅及其化合物的特征
Si
硅的还原性比碳强，但C在高温下能还原SiO2生成Si
SiO2＋2C
Si＋2CO↑
非金属单质与强碱反应一般不生成氢气
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
非金属单质一般不与非氧化性酸反应
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
一般非金属单质为绝缘体
硅为半导体
SiO2
酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸
SiO2不溶于水，不与水反应
酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律，碳酸酸性大于硅酸
Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下：
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
H2SiO3
无机酸一般易溶于水
硅酸和原硅酸难溶于水
硅酸盐及无机非金属材料
[知识梳理]
1．硅酸盐
（1）概念：
由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
（2）表示方法：
硅酸盐矿物的成分复杂，常用氧化物的形式表示它们的组成，如硅酸钠（Na2SiO3）可写成Na2O·SiO2，钾云母（KH2Al3Si3O12）可写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。
（3）硅酸钠（Na2SiO3）
①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。
②它能与较强的酸反应，如与盐酸反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓；与CO2水溶液
反应的化学方程式为Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3（或Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3）。
③用途：
黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。
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
石灰石、黏土
纯碱、石灰石和石英
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃熔炉
陶瓷窑
主要成分
3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
硅酸盐
生产条件
高温
（2）玻璃的生产
反应原理：
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑，
CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑。
（3）特殊功能的含硅物质
①碳化硅具有金刚石结构，可用作磨料。
②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
③硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。
（4）新型无机非金属材料
如高温结构陶瓷、压电陶瓷、生物陶瓷、光导纤维等。
（1）硅酸盐用氧化物形式表示时，氧化物的顺序为活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→二氧化硅→水。
应注意各元素的化合价不变，各元素的原子个数比不变。
（2）氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。
（3）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。
可用玻璃瓶盛放NaOH溶液，但不能使用磨口玻璃塞。
（4）水晶、石英、玛瑙等主要成分是SiO2，而不是硅酸盐。
[自我检测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
（1）玻璃容器可长期盛放各种酸。
（ ）
（2）氢氟酸刻蚀玻璃的过程不涉及化学变化。
（ ）
（3）向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2出现白色沉淀，证明H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性强。
（ ）
（4）依据Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑，说明H2SiO3的酸性比H2CO3强。
（ ）
（5）传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料。
（ ）
（6）合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。
（ ）
（7）水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐工业产品。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）× （7）×
2．下列关于材料的叙述中正确的是（ ）
A．氮化硅陶瓷耐高温，可用来制造汽车发动机
B．钢化玻璃属于新型无机非金属材料
C．水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料都不溶于水，所以所有的硅酸盐都不溶于水
D．新型陶瓷材料种类很多，其中高温结构陶瓷具有耐高温、耐氧化、不耐腐蚀等特点
解析：
选A。
钢化玻璃是把普通玻璃高温软化，迅速降温获得的机械强度增大的玻璃，成分还是硅酸盐，属于传统无机非金属材料，所以B错误；大多数硅酸盐都难溶于水，但是Na2SiO3是可溶的，所以C错误；高温结构陶瓷具有耐腐蚀的优良特性，所以D错误。
氮化硅可用作高温陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。
由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示：
其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。
请回答下列问题：
（1）石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH为例，用化学反应方程式表示其原因：
________________________________________________________________________。
（2）图示①～⑤的变化中，属于氧化还原反应的是___________________________。
（3）SiCl4在潮湿的空气中剧烈水解，产生白雾，军事工业中用于制造烟雾剂。
SiCl4水解的化学反应方程式为___________________________________________。
（4）在反应⑤中，3molSi（NH2）4在高温下加热可得1mol氮化硅粉末和8molA气体，则氮化硅的化学式为________。
（5）在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B和C两种气体在一定条件下化合生成A。
写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式：
________________________________________________________________________。
[解析]
（1）石英砂不能与碱性物质共同存放的实质是SiO2与碱性物质可以发生反应。
（2）反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应，反应②是硅单质与Cl2反应，也是氧化还原反应。
（3）SiCl4水解可以看作Si结合四个OH－生成H4SiO4，H4SiO4不稳定失水生成H2SiO3，Cl－结合H＋生成HCl。
（4）氮化硅的化学式可通过题目信息运用质量守恒求得。
（5）结合题给信息，SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。
[答案]
（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
（2）①②
（3）SiCl4＋3H2O===4HCl↑＋H2SiO3↓
（4）Si3N4 （5）3SiCl4＋2N2＋6H2
Si3N4＋12HCl
（1）与SiCl4水解原理类似，试写出PCl5水解反应的化学方程式：
______________________________________________。
（2）在反应⑤中，3molSi（NH2）4在高温下加热可得1mol氮化硅粉末和8molA气体，该反应的化学方程式为__________________________________。
答案：
（1）PCl5＋4H2O===5HCl＋H3PO4
（2）3Si（NH2）4
Si3N4＋8NH3↑
题组一 无机非金属材料的组成、性质及应用
1．据报道我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成的。
下列相关叙述不正确的是（ ）
A．它耐高温抗氧化
B．它比钢铁轻、硬，但质地较脆
C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
解析：
选B。
由题目信息中“连续纤维增韧”可知，该航空材料的韧性很好，B错误。
2．下列关于硅材料的说法不正确的是（ ）
A．钢化玻璃与普通玻璃的主要成分基本相同
B．制普通玻璃的原料是石灰石、纯碱和石英砂
C．陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料
D．水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
解析：
选D。
钢化玻璃是普通玻璃经一定物理方法处理后得到的，A项正确；水玻璃是Na2SiO3的水溶液，是混合物，D项不正确。
题组二 复杂硅酸盐的成分及性质
3．和田玉在我国至少有7000年的历史，也称为软玉，是我国玉文化的主体。
和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐，某种和田玉的化学成分为Ca2Mg3Fe2（Si4O11）2（OH）2，下列有关叙述正确的是（ ）
A．其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2O
B．它能够抵抗任何酸碱的腐蚀
C．其中铁元素的化合价为＋3
D．其中铁元素的化合价为＋2
解析：
选D。
假设和田玉中铁元素的化合价为＋x，根据化合物中各元素的化合价代数和为零，可得：
（＋2）×2＋（＋2）×3＋（＋x）×2＋（＋4）×8＋（－2）×22＋（－1）×2＝0，即x＝2，所以其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·2FeO·8SiO2·H2O；硅酸盐一般耐酸碱的腐蚀，但不是所有的酸碱都不能腐蚀它，如氢氟酸可以和其中的硅元素反应生成SiF4气体，浓硝酸可以将其中所含的Fe2＋氧化成Fe3＋。
硅酸盐改写成氧化物形式的方法
（1）氧化物的书写顺序：
活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。
（2）氧化物前计量数的配置原则：
除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。
（3）当计量数配置出现分数时应化为整数，如钾长石：
KAlSi3O8不能写成
K2O·
Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
题组三 含硅化合物间的转化
4．如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是（ ）
A．SiO2能与HCl反应
B．盛放Na2CO3溶液的试剂瓶能用玻璃塞
C．硅胶吸水后可重复再生
D．图中所示转化反应都是氧化还原反应
解析：
选C。
SiO2能与氢氟酸反应是其特殊性质，但不能与HCl反应，A错；在图示转化关系中只有第一行的变化是氧化还原反应，其余均为非氧化还原反应，D错。
5．硅酸钠被列为“我国优先发展的精细化学品”和“今后我国无机化工产品发展重点”之一。
如图是用海边的石英砂（含氯化钠、氧化铁等杂质）制备硅酸钠的工艺流程简图：
（1）要将洗出液中的溶质析出，采用的方法是蒸发结晶，则蒸发时用到的主要仪器有________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）图中加入NaOH溶液，发生反应的离子方程式为____________________________。
（3）洗涤石英砂的目的是_____________________________________________，过滤Ⅰ所得残渣为______________（写化学式）。
解析：
（2）NaOH与SiO2反应生成Na2SiO3。
（3）石英砂中含有易溶于水的NaCl，故水洗石英砂的目的是除去可溶性的NaCl杂质；氧化铁不溶于NaOH溶液，故过滤Ⅰ得到的残渣为氧化铁。
答案：
（1）蒸发皿、玻璃棒、酒精灯
（2）SiO2＋2OH－===SiO
＋H2O
（3）除去石英砂中可溶性的氯化钠 Fe2O3
含硅化合物间的重要转化关系
①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
②Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓（或SiO
＋2H＋===H2SiO3↓）
③H2SiO3
H2O＋SiO2
[课后达标检测][学生用书P266（单独成册）]
一、选择题
1．下列物质性质与用途对应关系正确的是（ ）
选项
性质
用途
A
硅酸钠化学性质稳定
用作木材防火剂
B
硅胶具有吸附水分的能力
用作半导体材料
C
二氧化硅硬度大、熔点高
用氢氟酸在玻璃上刻花纹
D
焦炭具有可燃性
焦炭还原二氧化硅冶炼粗硅
解析：
选A。
硅胶吸附水，可作干燥剂，B错误；二氧化硅硬度大，与氢氟酸和玻璃反应无关，C错误；焦炭具有可燃性，与焦炭还原二氧化硅无关，D错误。
2．常温下，下列不发生反应的一组物质是（ ）
①硅与NaOH溶液 ②硅与盐酸 ③硅与氢氟酸
④二氧化硅与碳酸钠 ⑤二氧化硅与NaOH溶液
⑥二氧化硅与浓硝酸
A．①②④ B．③④⑥
C．②⑤⑥D．②④⑥
解析：
选D。
常温下，①Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，③Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，⑤SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
3．下列变化中，不能一步实现的是（ ）
A．Na2SiO3―→H2SiO3B．H2SiO3―→SiO2
C．SiO2―→H2SiO3D．SiO2―→Na2SiO3
解析：
选C。
Na2SiO3
H2SiO3；H2SiO3
SiO2，SiO2
Na2SiO3，SiO2不与H2O反应，故不能一步转化为H2SiO3。
4．（2018·天津河西区质检）下列说法正确的是（ ）
A．SiO2和CO2都是酸性氧化物，都是共价化合物
B．为防止月饼等富脂食品氧化变质，可在包装袋中放入硅胶
C．NaHCO3溶液中含有Na2SiO3杂质，可通入少量CO2后过滤
D．SiO2中含Al2O3杂质，可加入足量NaOH溶液然后过滤除去
解析：
选A。
SiO2、CO2分别为H2SiO3、H2CO3对应的酸性氧化物，都是共价化合物，A项正确；硅胶具有吸水性，可以防止食品受潮，不能防止食品氧化变质，B项错误；除去NaHCO3溶液中的Na2SiO3杂质，应通入足量CO2，发生反应：
Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2SiO3↓，C项错误；SiO2、Al2O3均能与NaOH溶液反应，应加入稀盐酸后过滤，D项错误。
5．（2018·九江七校联考）下列叙述正确的是（ ）
A．利用高纯度二氧化硅可以制成光电池，将光能转化为电能
B．陶瓷、玻璃、水泥容器都能贮存氢氟酸
C．石灰抹墙、水泥砌墙的硬化过程原理相同
D．玻璃熔炉中出来的气体的主要成分是二氧化碳
解析：
选D。
光电池是利用高纯度硅制成；玻璃、陶瓷、水泥中均含有SiO2，会与氢氟酸反应；石灰抹墙发生反应CO2＋Ca（OH）2===CaCO3＋H2O，而水泥砌墙是水泥与水作用发生一系列变化而凝固变硬。
6．下列离子方程式不正确的是（ ）
A．石英与烧碱反应：
SiO2＋2OH－===SiO
＋H2O
B．硅与烧碱反应：
Si＋2OH－===SiO
＋H2↑
C．硅酸钠溶液中通入少量CO2：
SiO
＋CO2＋H2O===CO
＋H2SiO3↓
D．往水玻璃中加入盐酸：
2H＋＋SiO
===H2SiO3↓
解析：
选B。
硅与烧碱溶液反应时，H2O参与反应：
Si＋2OH－＋H2O===SiO
＋2H2↑。
7．（2018·临沂模拟）据报道，科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解，从中提取一种叫做生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料，将少量这种材料掺入混凝土中，即可制备出超高强度的高性能混凝土。
下列关于二氧化硅的说法正确的是（ ）
A．二氧化硅溶于水生成硅酸，所以二氧化硅属于酸性氧化物
B．将二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸
C．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸的强
D．水晶是比较纯净的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸盐
解析：
选B。
二氧化硅为酸性氧化物，但其不溶于水；硅酸的酸性比碳酸的弱；沙子的主要成分是二氧化硅。
8．在水玻璃中通入少量的CO2气体，充分反应后加热蒸干，再高温充分灼烧，冷却后所得的固体物质为（ ）
A．Na2SiO3
B．Na2SiO3与Na2CO3
C．SiO2与Na2CO3
D．SiO2、Na2SiO3及Na2CO3
解析：
选A。
通入少量CO2生成少量Na2CO3和H2SiO3，高温充分灼烧又发生反应：
H2SiO3
SiO2＋H2O，SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑。
9．（2018·郑州模拟）下列不能说明碳元素的非金属性比硅元素强的是（ ）
A．甲烷比甲硅烷稳定
B．硅酸钠溶液的碱性比碳酸钠溶液的碱性强
C．碳酸与硅酸钠溶液反应生成硅酸
D．高温下SiO2和Na2CO3反应
解析：
选D。
SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑是在高温下的反应，生成气体CO2不断逸出促进反应正向进行，不能说明C、Si非金属性的相对强弱。
二、非选择题
10．如图所示物质的转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色沉淀。
请回答下列问题：
（1）B的化学式是________，目前B已被用作________的主要原料。
（2）B和a溶液反应的离子方程式是_________
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