Question

18．國家發展改革委員會于數年前就發出“遏制鋁冶煉投資反彈”的緊急通知．原因是鋁冶煉屬高耗能產業，而且某些鋁冶煉企業以污染環境為代價，得不償失．下面是鋁和氧化鋁生產的流程圖：

已知：①鋁土礦的主要成分是Al₂O₃，此外還含有少量SiO₂、Fe₂O₃等雜質；
②溶液中的硅酸鈉與四羥基合鋁酸鈉（偏鋁酸鈉在水溶液中以Na[Al（OH）₄]的形式存在）反應，能生成硅鋁酸鹽沉淀，化學方程式為：2Na₂SiO₃+2Na[Al（OH）₄]=Na₂Al₂Si₂O₃↓+4NaOH+2H₂O
請回答下列問題：
（1）在工業電解鋁的過程中，用石油煉制和煤的干餾產品中的石墨（填物質名稱）作電解鋁的陰極和陽極材料．
（2）氧化鋁的熔點高達2050℃，工業上為了降低能量消耗，在金屬鋁的冶煉中采取的措施是加入冰晶石（物質名稱）．
（3）在冶煉過程中，陽極材料需要定期進行更換，原因是在電解過程中該電極材料不斷被消耗，當生成2.16t鋁時，最多消耗陽極1.44t．
（4）圖中濾液A的主要成分為Fe₂O₃、Na₂Al₂Si₂O₈；濾渣A的用途有作為煉鐵的原料或生產硅酸鹽產品（寫一種）．
（5）在生產氧化鋁流程第三步“酸化”中，加入的最佳物質A是CO₂．理由是二氧化碳過量時氫氧化鋁不會溶解，反應易控制且廉價．
（6）鎂和鋁都是活潑金屬，在電解冶煉鎂、鋁原料的選取中，鎂用氯化物、鋁用氧化物的原因是因為氧化鎂熔點太高，氯化鎂熔點低，熔化時能發生電離導電，氯化鋁是共價化合物熔化時不發生電離不能導電．

Answer 1

分析 鋁土礦的主要成分是Al₂O₃，此外還含有少量SiO₂、Fe₂O₃等雜質，加入足量的氫氧化鈉，氧化鋁、二氧化硅與NaOH溶液反應均生成鹽和水，只有氧化鐵與堿不反應，結合信息②可知還生成Na₂Al₂Si₂O₈沉淀，過濾后得濾渣Fe₂O₃、Na₂Al₂Si₂O₈；濾液用二氧化碳酸化時，將NaAlO₂完全轉化為Al（OH）₃，反應的離子方程式為：AlO₂^-+2H₂O+CO₂═HCO₃^-+Al（OH）₃↓；過濾得氫氧化鋁沉淀，灼燒得氧化鋁，電解氧化鋁得單質鋁．
（1）冶煉鋁的電解槽中的陰極和陽極材料均為惰性電極；
（2）氧化鋁的熔點很高，在鋁的冶煉中要加入冰晶石可以降低氧化鋁的熔化溫度；
（3）依據電極反應和電子守恒計算，陽極消耗是因為電解過程中生成的氧氣和電極材料碳發生反應當生成一氧化碳時消耗碳最多；
（4）只有氧化鐵與堿不反應，結合信息②可知還生成Na₂Al₂Si₂O₈，依據濾渣的組成分析判斷A的用途；
（5）第三步中，選用二氧化碳作酸化劑，可將Al元素全部轉化為沉淀，氫氧化鋁不溶于弱酸；
（6）氧化鎂熔點高，氯化鎂熔點低，氯化鋁為共價化合物，熔化后不導電，而氧化鋁為離子化合物．

解答 解：鋁土礦的主要成分是Al₂O₃，此外還含有少量SiO₂、Fe₂O₃等雜質，加入足量的氫氧化鈉，氧化鋁、二氧化硅與NaOH溶液反應均生成鹽和水，只有氧化鐵與堿不反應，結合信息②可知還生成Na₂Al₂Si₂O₈沉淀，過濾后得濾渣Fe₂O₃、Na₂Al₂Si₂O₈；濾液用二氧化碳酸化時，將NaAlO₂完全轉化為Al（OH）₃，反應的離子方程式為：AlO₂^-+2H₂O+CO₂═HCO₃^-+Al（OH）₃↓；過濾得氫氧化鋁沉淀，灼燒得氧化鋁，電解氧化鋁得單質鋁．
（1）冶煉鋁的電解槽中的陰極和陽極材料均為惰性電極，在工業電解鋁的過程中，用石油煉制和煤的干餾產品中的石墨作電解鋁的陰極和陽極材料，
故答案為：石墨；
（2）氧化鋁的熔點很高，工業上為了降低能量消耗，在鋁的冶煉中要加入冰晶石可以降低氧化鋁的熔化溫度，
故答案為：冰晶石；
（3）陽極消耗是因為電解過程中生成的氧氣和電極材料碳發生反應生成二氧化碳，陽極電極反應為：2O^2--4e-=O₂↑，陰極電極反應為Al³⁺+3e^-=Al，結合電子守恒得到3O₂～4Al，電極消耗反應生成一氧化碳時壓強消耗的碳最多，2C+O₂=2CO，
當生成2.16t鋁時消耗陽極
6C～3O₂～4Al
6×12     4×27
m         2.16t
m=1.44t，
故答案為：1.44；
（4）只有氧化鐵與堿不反應，結合信息②可知還生成Na₂Al₂Si₂O₈，圖中濾液A的主要成分為Fe₂O₃、Na₂Al₂Si₂O₈ ，依據濾渣的組成分析判斷A的用途可以做煉鐵的原料或生產硅酸鹽產品，
故答案為：Fe₂O₃、Na₂Al₂Si₂O₈ ，煉鐵的原料或生產硅酸鹽產品；
（5）第三步“酸化”中，選用二氧化碳作酸化劑，過量的二氧化碳通入偏鋁酸鈉溶液中可將Al元素全部轉化為氫氧化鋁沉淀，因為氫氧化鋁不溶于弱酸碳酸，且二氧化碳來源廣，反應易控制廉價，
故答案為：CO₂，二氧化碳過量時氫氧化鋁不會溶解，反應易控制且廉價；
（6）氧化鎂熔點高，氯化鎂熔點低，熔融后電離出離子能導電，工業冶煉鎂是電解熔融的氯化鎂，氯化鋁為共價化合物，熔化后不導電，而氧化鋁為離子化合物熔融可以電離出離子能導電，工業冶煉鋁是電解熔融的氧化鋁冰晶石熔融體，
故答案為：因為氧化鎂熔點太高，氯化鎂熔點低，熔化時能發生電離導電，氯化鋁是共價化合物熔化時不發生電離不能導電．

點評 本題考查Al及其化合物的化學性質、物質分離提純方法和基本操作的綜合應用，注意把握流程中發生的化學反應為解答的關鍵，注重信息與所學知識的結合分析解決問題，側重知識遷移應用能力的考查，題目難度中等．