Question

1．鋁是重要的金屬材料，鋁土礦（主要成分是Al₂O₃和少量的SiO₂、Fe₂O₃雜質）是工業上制取鋁的原料．實驗室模擬工業上以鋁土礦為原料制取Al₂（SO₄）₃和銨明礬晶體[NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O]的工藝流程如圖所示；

請回答下列問題：
（1）固體a的化學式為SiO₂，Ⅲ中通入足量CO₂氣體發生反應的離子方程式為AlO₂^-+CO₂+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓．
（2）由Ⅴ制取銨明礬溶液的化學方程式為Al₂O₃+4H₂SO₄+2NH₃═2NH₄Al（SO₄）₂+3H₂O，
從銨明礬溶液中獲得銨明礬晶體的實驗操作依次為（填操作名稱）蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾洗滌．
（3）以1 000kg含氧化鋁36%的鋁土礦為原料制取Al₂（SO₄）₃，需消耗質量分數98%的硫酸（密度1.84g•cm^-1）575.4L（保留4位有效數字）．
（4）若同時制取銨明礬和硫酸鋁，通過控制硫酸的用量調節兩種產品的產量．若欲使制得的銨明礬和硫酸鋁的物質的量之比為1：1，則投料時鋁土礦中的Al₂O₃和H₂SO₄的物質的量之比為3：10．

Answer 1

分析 鋁土礦用鹽酸溶解，Al₂O₃、Fe₂O₃與鹽酸反應得到AlCl₃、FeCl₃，SiO₂不與鹽酸反應，過濾得到固體a為SiO₂，濾液中含有AlCl₃、FeCl₃及剩余的HCl，再加入過量的燒堿，反應得到氫氧化鐵沉淀、偏鋁酸鈉、氯化鈉，過濾，紅褐色固體b為氫氧化鐵，溶液Ⅲ中含有偏鋁酸鈉、氯化鈉及剩余的NaOH，通入過量的二氧化碳，反應生成氫氧化鋁沉淀與碳酸氫鈉，過濾，濾液c中含有氯化鈉、碳酸氫鈉，將沉淀加熱分解得到氧化鋁，用硫酸溶解得到硫酸鋁溶液，再通入氨氣，得到銨明礬溶液，最后經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾等操作得到銨明礬晶體．
（1）Al₂O₃和Fe₂O₃能溶于鹽酸，SiO₂不溶于鹽酸，碳酸的酸性強于偏鋁酸，故二氧化碳與偏鋁酸鈉生成氫氧化鋁沉淀；
（2）Al₂O₃與稀硫酸、氨氣反應生成銨明礬溶液；依據從可溶性溶液中獲取固體的實驗方法回答；
（3）依據化學反應方程式以及給出的數據計算即可；
（4）設制得的Al₂（SO₄）₃和NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O的物質的量都是1 mol，然后依據鋁離子與硫酸根的關系回答即可．

解答 解：鋁土礦用鹽酸溶解，Al₂O₃、Fe₂O₃與鹽酸反應得到AlCl₃、FeCl₃，SiO₂不與鹽酸反應，過濾得到固體a為SiO₂，濾液中含有AlCl₃、FeCl₃及剩余的HCl，再加入過量的燒堿，反應得到氫氧化鐵沉淀、偏鋁酸鈉、氯化鈉，過濾，紅褐色固體b為氫氧化鐵，溶液Ⅲ中含有偏鋁酸鈉、氯化鈉及剩余的NaOH，通入過量的二氧化碳，反應生成氫氧化鋁沉淀與碳酸氫鈉，過濾，濾液c中含有氯化鈉、碳酸氫鈉，將沉淀加熱分解得到氧化鋁，用硫酸溶解得到硫酸鋁溶液，再通入氨氣，得到銨明礬溶液，最后經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾等操作得到銨明礬晶體．
（1）鋁土礦中Al₂O₃和Fe₂O₃能溶于鹽酸，SiO₂不溶于鹽酸，所以固體a的化學式為SiO₂，Al₂O₃溶于燒堿生成NaAlO₂溶液，在其中通入CO₂生成Al（OH）₃沉淀，
故答案為：SiO₂； AlO₂^-+CO₂+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓；
（2）Al（OH）₃分解生成Al₂O₃，Al₂O₃與稀硫酸、氨氣反應生成銨明礬溶液，從銨明礬溶液中獲得銨明礬晶體的實驗操作依次為蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾洗滌，
故答案為：Al₂O₃+4H₂SO₄+2NH₃═2NH₄Al（SO₄）₂+3H₂O；蒸發濃縮；
（3）m（Al₂O₃）=1 000 kg×36%=360 kg，
依據：Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O
           102        294
          360kg    m（H₂SO₄）
故m（H₂SO₄）=$\frac{294×360}{102}$=1037.6 kg，需消耗質量分數98%的硫酸（密度1.84 g•cm^-3）為=$\frac{1037.6÷98%}{1.84}$=575.4 L，
故答案為：575.4；
（4）設制得的Al₂（SO₄）₃和NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O的物質的量都是1 mol，則Al³⁺共3 mol，SO₄^2-共5 mol，根據Al³⁺和SO₄^2-守恒原理可得，加入Al₂O₃和H₂SO₄的物質的量之比為：$\frac{3}{2}$：5=3：10，
故答案為：3：10．

點評 本題考查物質的分離和提純的方法和基本操作綜合應用，為高頻考點，側重于學生的分析能力的考查，題目注重氧化物與酸或堿的反應、化學計算和對工藝流程的理解、閱讀題目獲取信息的能力等，難度中等，需要學生具有扎實的基礎知識與靈活運用知識解決問題的能力．