Question

8．明礬石經處理后得到明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]．從明礬制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的工藝過程如圖1所示：
焙燒明礬的化學方程式為：4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O，請回答下列問題：
（1）在焙燒明礬的反應中，氧化劑與還原劑的物質的量之比是1：1．
（2）寫出冶煉Al的化學方程式：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑．
（3）寫出明礬水溶液中離子濃度由大到小的關系：c（SO₄^2-）＞c（K⁺）＞c（Al³⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）．
（4）Al₂O₃在一定條件下可制得AlN，其晶體結構如圖2所示，該晶體中Al的雜化軌道方式是sp³，N原子的配位數是4
（5）以Al和NiO（OH）為電極，NaOH溶液為電解液組成一種新型電池，放電時NiO（OH）轉化為Ni（OH）₂．請寫出：
①放電時負極反應式：Al-3e^-+4OH^-=AlO-2+2H₂O．②若將該電池充電，充電時陽極反應式為：Ni（OH）₂-e^-+OH^-=NiO（OH）+H₂O．
（6）焙燒產生的SO₂可用于制硫酸．已知25℃、101kPa時：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H₁=-197kJ/mol；H₂O（g）=H₂O（1）△H₂=-44kJ/mol；2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（g）=2H₂SO₄（l）△H₂=-545kJ/mol．則SO₃（g）與H₂O（l）反應的熱化學方程式是：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130kJ/mol．焙燒948t明礬（M=474g/mol ），SO₂ 的利用率為96%，可生產質量分數為98%的濃硫酸432t．

Answer 1

分析 （1）依據化學方程式中元素化合價變化分析判斷，元素化合價升高的做還原劑發生氧化反應，化合價降低做氧化劑，發生還原反應；
（2）用電解熔融的三氧化二鋁制得鋁；
（3）明礬是強酸弱堿鹽，水解溶液呈酸性，二元微粒離子濃度＞一元不水解的離子濃度＞一元水解的離子濃度＞顯性離子＞隱性離子；
（4）由圖可知一個鋁與4個氮原子成鍵，所以晶體中Al的雜化軌道方式為sp³，依據晶體晶胞結構分析，結合配位數含義可知，每個氮原子和四個鋁原子相連，所以氮原子的配位數為4；
（5）①以Al和NiO（OH）為電極，鋁做原電池 負極失電子發生氧化反應，NiO（OH）得到電子發生還原反應，結合原子守恒和電子守恒寫出反應化學方程式；
②充電時陽極反應式是放電時正極的逆過程；
（6）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到；依據硫元素守恒計算得到．

解答 解；（1）4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O反應硫單質中硫元素化合價升高為+4價．硫酸根離子中硫元素化合價從+6價變化為+4價，復印紙還原劑是硫單質，而氧化劑是6mol的硫酸根離子，即3mol的4KAl（SO₄）₂•12H₂O，所以氧化劑和還原劑的物質的量之比為1：1，故答案為：1：1；
（2）用電解熔融的三氧化二鋁制得鋁，方程式為：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑，故答案為：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$4Al+3O₂↑；
（3）明礬是強酸弱堿鹽，水解溶液呈酸性，所以離子濃度大小順序為：c（SO₄^2-）＞c（K⁺）＞c（Al³⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-），故答案為：c（SO₄^2-）＞c（K⁺）＞c（Al³⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（4）由圖可知一個鋁與4個氮原子成鍵，所以晶體中Al的雜化軌道方式為sp³，依據晶體晶胞結構分析，結合配位數含義可知，每個氮原子和四個鋁原子相連，所以氮原子的配位數為4，故答案為：sp³； 4；
（5）①以Al和NiO（OH）為電極，鋁做原電池 負極失電子發生氧化反應，電極反應式為：Al-3e^-+4OH^-=AlO₂-+2H₂O；正極NiO（OH）得到電子發生還原反應，所以陽極反應為：Ni（OH）₂-e^-+OH^-=NiO（OH）+H₂O，故答案為：①Al-3e^-+4OH^-=AlO-2+2H₂O②Ni（OH）₂-e^-+OH^-=NiO（OH）+H₂O；
（6）2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H₁=一197kJ/mol；          ①
2H₂O（g）=2H₂O（1）△H₂=一44kJ/mol；                        ②
2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（g）=2H₂SO₄（l）△H₃=一545kJ/mol．    ③
依據蓋斯定律③-①-②得到：2SO₃（g）+2H₂O（l）=2H₂SO₄（l）△H=-304KJ/mol，
即反應的熱化學方程式為：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130KJ/mol；
948 t明礬生成SO₂物質的量為4500mol 故生成硫酸的質量m=4500×0.96×98÷0.98=432000Kg=432t．
故答案為：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130 kJ/mol；432．

點評 本題考查了氧化還原反應概念分析判斷，晶體結構的理解分析，原電池反應的實質應用，熱化學方程式和蓋斯定律的計算，元素守恒的計算應用，題目難度中等．