Question

2．某化學興趣小組試利用鎂鋁合金廢料制備硫酸鋁晶體，并對硫酸鋁晶體進行熱重分析，其實驗流程如下：

（1）在鎂鋁合金中加入NaOH溶液，發生反應的化學反應方程式為2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，固體B的化學式Al（OH）₃．
（2）操作Ⅱ包含的實驗步驟有：蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥．
（3）操作Ⅱ中常用無水乙醇對晶體進行洗滌，選用無水乙醇的原因是可以減少晶體的溶解，有利于晶體的干燥．
（4）若初始時稱取的鎂鋁合金廢料的質量為9.00g，得到固體A的質量為4.95g，硫酸鋁晶體的質量為49.95g（假設每一步的轉化率均為100%，合金廢料中不含溶于堿的雜質）．計算得硫酸鋁晶體的化學式為Al₂（SO₄）₃.18H₂O．
（5）取上述硫酸鋁晶體進行熱重分析，其熱分解主要分為三個階段：323K～523K，553K～687K，當溫度在1043K以上不再失重，其熱分解的TG曲線見圖，

已知：失重%=$\frac{加熱減少的質量}{原晶體樣品的總質量}$×100%
根據圖示數據計算確定每步分解的產物，寫出：
①失重第一階段分解產物的化學式Al₂（SO₄）₃.3H₂O，
②失重第三階段反應化學方程式Al₂（SO₄）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3SO₃↑．

Answer 1

分析 向鎂鋁合金中加入足量氫氧化鈉溶液，發生反應：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，鎂不反應，固體A為Mg，采用過濾的方法進行分離，向濾液中通入二氧化碳，發生反應：NaAlO₂+CO₂+2H₂O═Al（OH）₃
↓+NaHCO₃，再通過過量進行分離，固體B為氫氧化鋁，氫氧化鋁與硫酸反應得到硫酸鋁溶液，再經過蒸發濃縮、冷卻結晶、洗滌、干燥得到硫酸鋁晶體；
（1）Al和氫氧化鈉溶液生成可溶性的偏鋁酸鈉，鎂不反應；
（2）從溶液中獲得晶體，需要經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥等操作；
（3）用乙醇洗滌，可以減少晶體的溶解，有利于晶體的干燥；
（4）Al的質量為9g-4.95g=4.05g，設硫酸鋁晶體化學式為：Al₂（SO₄）₃．nH₂O，根據Al元素守恒計算硫酸鋁晶體的物質的量，再計算硫酸鋁晶體的相對分子質量，進而計算n的值，確定化學式；
（5）根據（4）中計算可知，晶體中結晶水的質量分數，低溫加熱，首先失去結晶水，高溫下，最終硫酸鋁分解，根據失重%計算判斷各階段分解產物，再書寫化學方程式．

解答 解：向鎂鋁合金中加入足量氫氧化鈉溶液，發生反應：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，鎂不反應，固體A為Mg，采用過濾的方法進行分離，向濾液中通入二氧化碳，發生反應：NaAlO₂+CO₂+2H₂O═Al（OH）₃
↓+NaHCO₃，再通過過量進行分離，固體B為氫氧化鋁，氫氧化鋁與硫酸反應得到硫酸鋁溶液，再經過蒸發濃縮、冷卻結晶、洗滌、干燥得到硫酸鋁晶體；
（1）Al和氫氧化鈉溶液生成可溶性的偏鋁酸鈉與氫氣，鎂不反應，反應方程式為：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，由上述分析可知，固體B為Al（OH）₃，
故答案為：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑；Al（OH）₃；
（2）從溶液中獲得晶體，需要經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥等操作，
故答案為：冷卻結晶、過濾；
（3）用乙醇洗滌，可以減少晶體的溶解，有利于晶體的干燥，
故答案為：可以減少晶體的溶解，有利于晶體的干燥；
（4）Al的質量為9g-4.95g=4.05g，其物質的量為$\frac{4.05g}{27g/mol}$=0.15mol，設硫酸鋁晶體化學式為：Al₂（SO₄）₃．nH₂O，根據Al元素守恒，硫酸鋁晶體的物質的量為$\frac{0.15mol}{2}$=0.075mol，故硫酸鋁晶體的相對分子質量為$\frac{49.95}{0.075}$=666，則54+96×3+18n=666，解得n=18，故該硫酸鋁晶體的化學式為：Al₂（SO₄）₃.18H₂O，
故答案為：Al₂（SO₄）₃.18H₂O；
（5）晶體中結晶水的含量為$\frac{18×18}{666}$=48.65%，故第二階段完全失去結晶水，得到物質為Al₂（SO₄）₃，第一階段失去部分結晶水，失去結晶水數目為$\frac{666×40.54%}{18}$=15，故第一階段得到的物質為Al₂（SO₄）₃.3H₂O，
第三階段剩余物質的相對分子質量為666×（1-84.68%）=102，應是Al₂O₃，故硫酸鋁反應生成氧化鋁與三氧化硫，反應方程式為：Al₂（SO₄）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3SO₃↑，
故答案為：Al₂（SO₄）₃.3H₂O；Al₂（SO₄）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3SO₃↑．

點評 本題考查實驗制備方案、物質分離提純、方案分析評價、物質組成測定等，是對學生綜合能力的考查，注意（5）中充分利用硫酸鋁晶體相對分子質量進行計算解答，難度中等．