Question

2．石墨在材料領域有重要應用．某初級石墨中含SiO₂（7.8%）、Al₂O₃（5.1%）、Fe₂O₃（3.1%）和MgO（0.5%）等雜質．設計的提純與綜合利用工藝如下：

（注：SiCl₄的沸點為57.6℃，金屬氯化物的沸點均高于150℃）
（1）向反應器中通入Cl₂前，需通一段時間N₂，主要目的是排除裝置中的空氣．
（2）高溫反應后，石墨中氧化物雜質均轉變為相應的氯化物，氧元素主要轉化為CO（填化學式）．氣體Ⅱ中某物質反應得到水玻璃的化學方程式為SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O．
（3）溶液Ⅳ含有的陰離子有AlO₂^-、OH^-、Cl^-．
（4）100kg初級石墨最多可能獲得沉淀Ⅴ的質量為7.8kg．

Answer 1

分析 （1）石墨化學性質在常溫下穩定，而在高溫下可與氧氣發生反應，所以通入氮氣排盡裝置中的空氣，防止石墨發生氧化反應；
（2）高溫反應后，石墨中氧化物雜質均轉變為相應的氯化物，根據雜質的含量可知，氣體I中氯化物主要為SiCl₄、AlCl₃、FeCl₃等，氣體I中碳氧化物主要為CO，SiCl₄的沸點為57.6℃，金屬氯化物的沸點均高于150℃，80℃冷卻得到的氣體Ⅱ含有SiCl₄及CO，SiCl₄與氫氧化鈉溶液反應得到硅酸鈉與氯化鈉；
（3）金屬氯化物的沸點均高于150℃，則固體Ⅲ中存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂與過量的氫氧化鈉溶液反應得到沉淀，而氯化鋁與過量的氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉，過濾得到的溶液中含有偏鋁酸鈉、過量的氫氧化鈉；
（4）偏鋁酸鈉發生水解，加入乙酸乙酯除去過量的氫氧化鈉，且加熱條件下水解平衡一直正向移動，得到氫氧化鋁沉淀、醋酸鈉、乙醇；根據氧化鋁的含量計算氧化鋁質量，再根據Al元素守恒計算氫氧化鋁的質量．

解答 解：（1）石墨化學性質在常溫下穩定，而在高溫下可與氧氣發生反應，所以通入氮氣排盡裝置中的空氣，防止石墨發生氧化反應，減少石墨損失，
故答案為：排除裝置中的空氣；
（2）石墨過量高溫反應后，石墨中氧化物雜質均轉變為相應的氯化物，根據雜質的含量可知，氣體I中氯化物主要為SiCl₄、AlCl₃、FeCl₃等，氣體I中碳氧化物主要為CO，SiCl₄的沸點為57.6℃，金屬氯化物的沸點均高于150℃，80℃冷卻得到的氣體Ⅱ含有SiCl₄及CO，SiCl₄與氫氧化鈉溶液反應得到硅酸鈉與氯化鈉，化學反應方程式為：SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O，
故答案為：CO；SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O；
（3）金屬氯化物的沸點均高于150℃，則固體Ⅲ中存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂與過量的氫氧化鈉溶液反應得到沉淀，而氯化鋁與過量的氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉，攪拌、過濾得到溶液IV，故溶液IV中的陰離子有：AlO₂^-、OH^-、Cl^-，
故答案為：AlO₂^-、OH^-、Cl^-；
（4）偏鋁酸鈉發生水解，加入乙酸乙酯除去過量的氫氧化鈉，且加熱條件下水解平衡一直正向移動，得到氫氧化鋁沉淀、醋酸鈉、乙醇，由溶液IV生成沉淀V的反應為：AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓，
Al₂O₃的質量分數為5.1%，則100kg初級石墨中氧化鋁的質量=100kg×5.1%=5.1kg，根據Al元素守恒，可知氫氧化鋁的質量為：$\frac{5.1kg×\frac{54}{102}}{\frac{27}{28}}$=7.8kg，
故答案為：7.8．

點評 本題考查混合物分離提純的綜合應用，為高頻考點，題目難度中等，把握物質的性質、流程中的反應及混合物分離方法為解答的關鍵，側重分析與實驗能力的考查．