Question

8．榴石礦石可以看作CaO、Fe₂O₃、A1₂O₃、SiO₂組成，由榴石礦石制取氯化鈣和氧化鋁的實驗步驟如圖1：

（1）榴石礦加鹽酸溶解后，溶液里除了Ca²⁺外，還含有的金屬離子是Fe³⁺、Al³⁺．
（2）對溶液進行操作時，控制溶液pH=9～10（有關氫氧化物沉淀的pH見下表）NaOH不能過量，若NaOH過量可能會導致Al（OH）₃溶解，Ca（OH）₂沉淀．

氫氧化物	Fe（OH）3	Al（OH）3	Ca（OH）2
開始沉淀pH	1.5	3.3	12.0

（3）①某同學在實驗室中用圖2甲裝置制取CO₂氣體并通入溶液圖2乙中，結果沒有沉淀產生，可能的原因是鹽酸揮發，制取的二氧化碳中含有鹽酸；為了能產生沉淀該同學對圖甲裝置進行了改進，改進的方法為在甲與乙之間加一盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣瓶．
②若將二氧化碳氣體通人澄清石灰水中，石灰  水變渾濁，混合體系中除存在電離平衡、水解平衡外，還存在溶解平衡，用方程式表示CaCO₃（s）?Ca²⁺（aq）+CO₃^2-（aq）．

Answer 1

分析 CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃和HCl反應溶解，而SiO₂和HCl不反應，不能溶解，此時溶液中除了Ca²⁺外，還含有Fe³⁺、Al³⁺雜質，需除去Fe³⁺、Al³⁺但不能損失Ca²⁺，加NaOH，Fe³⁺+3OH^-═Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-═Al（OH）₃↓，除去Fe³⁺、Al³⁺，加NaOH需將溶液的pH控制在9～10，否則氫氧化鈣沉淀，過濾得沉淀氫氧化鋁和氫氧化鐵的混合物，然后向混合體系中加入過量的氫氧化鈉，氫氧化鋁溶解得到偏鋁酸鹽，向濾液中通入過量的二氧化碳氣體得氫氧化鋁沉淀，然后灼燒得到氧化鋁；
（1）榴石礦可以看做CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂組成，榴石礦加鹽酸溶解后，CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃和HCl反應溶解，而SiO₂和HCl不反應，不能溶解；
（2）當NaOH過量時，溶液堿性增強，Al（OH）₃會溶解，從氫氧化物沉淀的pH表中可看出，Ca（OH）₂在pH為12時開始沉淀，所以堿性增強Ca（OH）₂會沉淀；
（3）①濃鹽酸易揮發出氯化氫氣體溶于水得到稀鹽酸，可以和難溶于水的碳酸鈣反應生成易溶于水的氯化鈣；在實驗裝置甲和裝置乙之間增加除去CO₂中含有HCl氣體的裝置，根據NaHCO₃溶液能與HCl氣體反應，而不與二氧化碳反應分析；
②根據沉淀溶解平衡的書寫方法寫出，注意固體稀溶液的標注方法．

解答 解：（1）榴石礦加鹽酸溶解，CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃和HCl反應溶解，反應方程式分別為：MgO+2HCl=MgCl₂+H₂O，Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O，Al₂O₃+6HCl=2AlCl₃+3H₂O．而SiO₂不與鹽酸反應，以沉淀的形式除去，故答案為：Fe³⁺、Al³⁺；
（2）由（1）知，此時溶液中除了Ca²⁺外，還含有Fe³⁺、Al³⁺雜質，需除去Fe³⁺、Al³⁺但不能損失Ca²⁺，加NaOH，Fe³⁺+3OH^-═Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-═Al（OH）₃↓，除去Fe³⁺、Al³⁺，加NaOH需將溶液的pH控制在9～10，若pH過高，會導致生成的Al（OH）₃發生反應Al（OH）₃+OH^-=AlO₂^-+2H₂O溶解，Ca（OH）₂在pH為12時開始沉淀，所以堿性增強Ca（OH）₂會沉淀，同時Ca²⁺也因轉化為沉淀而損失，
故答案為：Al（OH）₃；Ca（OH）₂；
（3）①實驗室通常用稀鹽酸與大理石（或石灰石）反應制取二氧化碳，反應的方程式：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，因鹽酸易揮發出，鹽酸是強酸，通入裝置乙中的二氧化碳中含有鹽酸，溶于水得到稀鹽酸可以和難溶于水的碳酸鈣反應生成易溶于水的氯化鈣，所以沒有沉淀產生，在實驗裝置甲和裝置乙之間增加除去CO₂中含有HCl氣體的裝置，NaHCO₃溶液能與鹽酸反應生成氯化鈉、水和二氧化碳，在除去氯化氫的同時增加了二氧化碳的量，
故答案為：鹽酸揮發，制取的二氧化碳中含有鹽酸；在甲與乙之間加一盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣瓶；
②將二氧化碳氣體通入澄清石灰水中，石灰水變渾濁，得到碳酸鈣沉淀，碳酸鈣的溶解平衡為CaCO₃（s）?Ca²⁺（aq）+CO₃^2-（aq），
故答案為：CaCO₃（s）?Ca²⁺（aq）+CO₃^2-（aq）．

點評 本題主要考查了元素化合物中金屬鋁、鐵、非金屬碳的性質，解題時不僅需熟知物質間的反應原理，還需靈活運用于實驗的設計，題目難度中等．