Question

10．某研究小組將一批廢棄的線路板經濃硝酸和稀硫酸處理后得到一混合溶液，其中含有Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Al³⁺等金屬離子，并設計了以下兩種流程以分別制取CuSO₄•5H₂O晶體和AlCl₃溶液：

已知：相關金屬離子開始沉淀至完全沉淀時的pH范圍為：

離子	Fe3+	Fe2+	Al3+	Cu2+
pH范圍	2.2～3.2	5.5～9.0	4.1～5.0	5.3～6.6

請回答下列問題：
（1）加入H₂O₂的作用是將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，欲使制取的CuSO₄•5H₂O晶體較為純凈，pH至少應調至5.0；
（2）寫出H₂O₂與Fe²⁺離子方程式H₂O₂+2Fe²⁺+2H⁺═2Fe³⁺+2H₂O；
（3）流程②中加入適量Al粉起的作用是與酸浸液中Fe³⁺和H⁺反應生成Al³⁺；
（4）根據你所學的化學知識，由AlCl₃溶液（不添加其他化學試劑）能否制得無水AlCl₃不能（填：能或不能），原因是直接加熱AlCl₃溶液，會發生水解反應，最終得到氧化鋁；
（5）取體積為V（L）的酸浸液，向其中滴加a mol•L^-1的NaOH溶液，生成沉淀的物質的量與所加的NaOH溶液的體積（L）關系如圖2．請用V1、V2、V3表示所取的酸浸液中n（Fe³⁺）：n（Al³⁺）$\frac{4{V}_{2}-{V}_{1}-3{V}_{3}}{3（{V}_{3}-{V}_{2}）}$．

Answer 1

分析 加H₂O₂把Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加氫氧化鈉調節pH，生成氫氧化鐵和氫氧化鋁沉淀，過濾得濾渣中含氫氧化鐵和氫氧化鋁，加過量鹽酸生成氯化鋁、氯化鐵，酸浸液加入適量鋁把鐵置換出來，過濾得到氯化鋁；對于濾液I，含硫酸銅，通過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾洗滌得到硫酸銅晶體，
（1）加H₂O₂的作用是把Fe²⁺氧化為Fe³⁺，該氧化劑的優點是不引入雜質，產物對環境物污染；濾渣c是氫氧化鋁，根據部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時溶液的pH表，選擇使氫氧化鋁沉淀完全且氫氧化銅不沉淀的pH；
（2）雙氧水具有氧化性，能夠將亞鐵離子氧化成鐵離子；
（3）加入金屬鋁可以將溶液中鐵離子、氫離子除去；
（4）氯化鋁屬于強酸弱堿鹽，會發生水解生成氫氧化鋁和氯化氫，氯化氫具有揮發性，最終生成氧化鋁；
（5）根據圖象曲線變化及發生反應原理進行計算．

解答 解：加H₂O₂把Fe²⁺氧化為Fe³⁺，加氫氧化鈉調節pH，生成氫氧化鐵和氫氧化鋁沉淀，過濾得濾渣中含氫氧化鐵和氫氧化鋁，加過量鹽酸生成氯化鋁、氯化鐵，酸浸液加入適量鋁把鐵置換出來，過濾得到氯化鋁；對于濾液I，含硫酸銅，通過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾洗滌得到硫酸銅晶體，
（1）第②步加H₂O₂的作用是將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，過氧化氫做氧化劑不引入雜質，對環境無污染；
加入氫氧化鈉溶液調節PH=x，目的是生成氫氧化鋁沉淀，氫氧化鋁開始沉淀PH=4，沉淀完全PH=5.0，氫氧化銅開始沉淀PH=5.4，所以選擇的PH范圍是：5.0≤X＜5.4，pH至少應調至5.0，
故答案為：將Fe²⁺氧化為Fe³⁺；5.0；
（2）亞鐵離子被雙氧水氧化成鐵離子，反應的離子方程式為：H₂O₂+2Fe²⁺+2H⁺═2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：H₂O₂+2Fe²⁺+2H⁺═2Fe³⁺+2H₂O；
（3）流程②中加入適量Al粉，將酸浸液中的鐵離子和氫離子反應，從而除去鐵離子和氫離子，
故答案為：與酸浸液中Fe³⁺和H⁺反應生成Al³⁺；
（4）氯化鋁為強酸弱堿鹽，水解反應方程式為：AlCl₃+3H₂O?Al（OH）₃+3HCl水解為吸熱反應，加熱使水解平衡向水解方向移動，蒸干，氯化氫揮發，得到氫氧化鋁，灼燒氫氧化鋁得到氧化鋁，
故答案為：不能；直接加熱AlCl₃溶液，會發生水解反應，最終得到氧化鋁；
（5）0-V₁階段，滴加的NaOH用于中和剩余的HCl，發生反應為：HCl+NaOH=NaCl+H₂O，
設Fe³⁺、Al³⁺物質的量分別為y、x，
V₁-V₂階段，繼續滴加的NaOH與Fe³⁺、Al³⁺反應：
Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓
x    3x    x        y    3y 
則：①3x+3y=（V₂-V₁）×a，
V₂-V₃階段，繼續滴加的NaOH與Al（OH）₃反應，沉淀量開始減少，發生反應：
Al（OH）₃+NaOH=NaAlO₂+2H₂O
x          x
則②x=（V₃-V₂）×a=（V₃-V₂）amol，
①②解得：y=$\frac{4{V}_{2}-{V}_{1}-{3V}_{3}}{3}$amol，
y：x=$\frac{4{V}_{2}-{V}_{1}-{3V}_{3}}{3}$amol：（V₃-V₂）amol=$\frac{4{V}_{2}-{V}_{1}-3{V}_{3}}{3（{V}_{3}-{V}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{4{V}_{2}-{V}_{1}-3{V}_{3}}{3（{V}_{3}-{V}_{2}）}$．

點評 本題考查性質實驗方案的設計、物質的分離與提純方法的綜合應用，題目難度較大，明確實驗目的為解答關鍵，注意掌握物質分離和提純的操作方法，試題培養了學生的分析、理解能力及化學實驗能力．