Question

9．如圖是傳統的工業生產金屬鋁的基本流程圖．結合鋁生產的流程圖回答下列問題：
（1）工業冶煉金屬鋁用的是鋁土礦，鋁土礦的主要成分是Al₂O₃（填化學式）．石油煉制和煤的干餾產品石墨（或碳）（填物質名稱）作電解鋁的陰極和陽極材料．
（2）在金屬鋁的冶煉中加入冰晶石和氟化鈣的目的是降低Al₂O₃的熔融溫度，減少熔融電解質的能耗．
（3）在冶煉過程中，陽極材料需要定期進行更換，原因是氧化鋁溶解并和部分冰晶石發生反應生成Al₂OF₆^2-，寫出該反應的離子方程式Al₂O₃+4AlF₆^3-═3Al₂OF₆^2-+6F^-．若電解的總反應為2Al₂O₃+3C$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$3CO₂+4Al，則陽極的電極反應式為C+2Al₂OF₆^2-+12F^--4e^-═CO₂+4AlF₆^3-．
（4）冰晶石能在堿性溶液中分解，寫出冰晶石與足量NaOH溶液反應生成兩種鈉鹽的化學方程式Na₃AlF₆+4NaOH═6NaF+NaAlO₂+2H₂O．
（5）已知生產1mol鋁消耗的電能為1.8×10⁶J，9g鋁制飲料罐可回收能量為0.2kJ，則鋁制飲料罐的熱回收效率η=0.033%．（熱回收效率=回收能量/生產耗能×100%）

Answer 1

分析 傳統的工業生產金屬鋁的基本流程為：螢石主要成分為氟化鈣，螢石中加入冰晶石和氟化鈣，降低三氧二化鋁熔化時所需的溫度，電解氧化鋁得到鋁和氧氣，石油煉制和煤的干餾產品中石墨（或碳）可以作為惰性電極電解冶煉鋁，電解得到的鋁凈化、澄清鑄錠．
（1）工業上用氧化鋁冶煉金屬鋁，據此確定鋁土礦的成分；冶煉鋁的電解槽中的陰極和陽極材料均為惰性電極；
（2）冰晶石能溶解Al₂O₃晶體，被用作助熔劑降低Al₂O₃的熔點；
（3）氧化鋁溶解并和部分冰晶石發生反應生成Al₂OF₆^2-，依據電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式；
（4）冰晶石能在堿性溶液中分解，冰晶石與足量NaOH溶液反應生成兩種鈉鹽分別為偏鋁酸鈉和氟化鈉，結合原則守恒配平書寫化學方程式；
（5）生產9g鋁制飲料罐消耗的電能=$\frac{9g}{27g/mol}$×1.8×10³KJ，熱回收效率=$\frac{回收能量}{生產耗能}$×100%．

解答 解：傳統的工業生產金屬鋁的基本流程為：螢石主要成分為氟化鈣，螢石中加入冰晶石和氟化鈣，降低三氧二化鋁熔化時所需的溫度，電解氧化鋁得到鋁和氧氣，石油煉制和煤的干餾產品中石墨（或碳）可以作為惰性電極電解冶煉鋁，電解得到的鋁凈化、澄清鑄錠．
（1）工業上用電解熔融氧化鋁的方法冶煉鋁，冶煉金屬鋁時用的主要冶煉是鋁土礦，說明鋁土礦的主要成分是Al₂O₃，電解法冶煉金屬鋁需要使用惰性電極，石油煉制和煤的干餾產品中石墨（或碳）可以作為惰性電極電解冶煉鋁；
故答案為：Al₂O₃；石墨（或碳）；
（2）Al₂O₃屬于離子晶體，熔點較高，加入冰晶石和氟化鈣，熔融的冰晶石和氟化鈣能溶解Al₂O₃晶體，所以其在電解冶煉鋁時被用作助熔劑，降低三氧二化鋁熔化時所需的溫度，在金屬鋁的冶煉中加入冰晶石和氟化鈣的目的是降低Al₂O₃的熔點，減少熔融電解質的能耗；
故答案為：降低Al₂O₃的熔點，減少熔融電解質的能耗；
（3）氧化鋁溶解并和部分冰晶石發生反應生成Al₂OF₆^2-，依據電荷守恒和原子守恒配平書寫離子方程式為：Al₂O₃+4AlF₆^3-═3Al₂OF₆^2-+6F^-； 若電解的總反應為2Al₂O₃+3C$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$3CO₂+4Al，電解池中陽極上是元素化合價升高失電子發生氧化反應，則陽極的電極反應式：C+2 Al₂OF₆^2-+12F^--4e^-═CO₂+4 AlF₆^3-；
故答案為：Al₂O₃+4AlF₆^3-═3Al₂OF₆^2-+6F^-；C+2Al₂OF₆^2-+12F^--4e^-═CO₂+4AlF₆^3-；
（4）冰晶石與足量NaOH溶液反應生成兩種鈉鹽分別為偏鋁酸鈉和氟化鈉，結合原則守恒配平書寫化學方程式為：Na₃AlF₆+4NaOH═6NaF+NaAlO₂+2H₂O；
故答案為：Na₃AlF₆+4NaOH═6NaF+NaAlO₂+2H₂O；
（5）已知生產1mol鋁消耗的電能為1.8×10⁶J，9g鋁制飲料罐可回收能量為0.2kJ，生產9g鋁制飲料罐消耗的電能=$\frac{9g}{27g/mol}$×1.8×10³KJ，則鋁制飲料罐的熱回收效率η=$\frac{回收能量}{生產耗能}$×100%=$\frac{0.2KJ}{\frac{9}{27}×1.8×1{0}^{3}KJ}$×100%=0.033%，
故答案為：0.033%．

點評 本題考查化學工藝流程、電解原理等，題目難度中等，理解工藝流程是解題的關鍵，需要學生基本扎實的據此與運用知識分析解決問題的能力．注意復雜離子方程式和化學方程式的書寫方法應用．