Question

9．為探索工業廢料的再利用，某化學興趣小組設計了如圖甲實驗流程，用含有鋁、鐵和銅的合金廢料制取氯化鋁、綠礬晶體（FeSO₄•7H₂O）和膽礬晶體．
請回答：
（1）寫出步驟Ⅰ反應的離子方程式：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（2）試劑X是稀硫酸或H₂SO₄．步驟Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中均需進行的實驗操作是過濾．
（3）進行步驟Ⅱ時，該小組用如圖乙所示裝置及試劑制取CO₂并將制得的氣體通入溶液A中．一段時間后，觀察到燒杯中產生的白色沉淀會逐漸減少．為了避免固體C減少，可采取的改進措施是在裝置a和b之間增加一個盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣瓶．
（4）用固體F制備CuSO₄溶液，可設計如圖丙三種途徑：寫出途徑①中反應的離子方程式3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，請選出你認為的最佳途徑并說明理由途徑②最佳，理由是原料利用率高，環境污染小．

Answer 1

分析 鋁、鐵和銅的合金中只有金屬鋁可以和氫氧化鈉之間反應生成溶液A偏鋁酸鈉，固體B是金屬鐵和金屬銅，A中通入過量的二氧化碳可以得到氫氧化鋁沉淀C和碳酸氫鈉溶液D，金屬鐵可以和硫酸之間發生反應生成硫酸亞鐵和氫氣，但是金屬銅和稀硫酸之間不反應，所以F是金屬銅，硫酸亞鐵溶液蒸發濃縮、冷卻結晶可以獲得綠礬晶體，金屬銅可以獲得膽礬晶體，
（1）鋁、鐵和銅的合金中，只有金屬鋁是能溶于氫氧化鈉的固體物質；
（2）固體B為鐵和銅，根據流程加入X后溶解鐵制備硫酸亞鐵，則X為稀硫酸；不溶物與溶液分離的方法為過濾；
（3）制得的CO₂氣體中混有氯化氫氣體，用飽和的碳酸氫鈉除去；
（4）金屬銅可以和硝酸之間反應生成硝酸銅、一氧化氮和水，但是一氧化氮是有毒的，根據銅、稀硫酸的性質來判斷反應的發生．

解答 解：鋁、鐵和銅的合金中只有金屬鋁可以和氫氧化鈉之間反應生成溶液A偏鋁酸鈉，固體B是金屬鐵和金屬銅，A中通入過量的二氧化碳可以得到氫氧化鋁沉淀C和碳酸氫鈉溶液D，金屬鐵可以和硫酸之間發生反應生成硫酸亞鐵和氫氣，但是金屬銅和稀硫酸之間不反應，硫酸亞鐵溶液蒸發濃縮、冷卻結晶可以獲得綠礬晶體，金屬銅可以獲得膽礬晶體，
（1）步驟Ⅰ加過量的氫氧化鈉，金屬鋁和氫氧化鈉反應，金屬鋁溶解其中生成偏鋁酸鈉溶液，即2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，
故答案為：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（2）金屬鐵和金屬銅不與氫氧化鈉反應，金屬銅和稀硫酸之間不反應，但是金屬鐵可以和稀硫酸之間反應生成硫酸亞鐵和氫氣，進而制的綠礬晶體，所以試劑X為稀硫酸；步驟Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均是固體和液體的分離操作，應該是過濾，
故答案為：稀硫酸或H₂SO₄；過濾；
（3）進行步驟Ⅱ時，該小組用如圖2所示裝置及試劑將制得的CO₂氣體通入溶液A中．一段時間后，觀察到燒杯中產生的白色沉淀逐漸減少，其原因是二氧化碳氣體中含有從鹽酸中揮發出的氯化氫氣體，氯化氫在水中溶解了部分沉淀氫氧化鋁，發生的反應為Al（OH）₃+3H⁺=Al³⁺+3H₂O，為了避免固體C減少，可在制取二氧化碳的收集裝置中增加一個洗去氯化氫的裝置，二氧化碳在飽和碳酸氫鈉中不溶，氯化氫和碳酸氫鈉反應生成二氧化碳氣體，所以可在裝置a和b之間增加一個盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣瓶，除去二氧化碳中的氯化氫，
故答案為：在裝置a和b之間增加一個盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣瓶；
（4）金屬銅可以和硝酸之間反應生成硝酸銅、一氧化氮和水，即3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，銅不能和稀硫酸反應，但是當加熱并通入空氣之后，銅和氧氣反應生成氧化銅，然后氧化銅會和硫酸反應生成硫酸銅，不會產生污染大氣的氣體，該過程原料利用率高，所以途徑②最佳，
故答案為：3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；途徑②最佳，理由是原料利用率高，環境污染小．

點評 本題考查物質制備方案的設計，題目難度中等，明確工藝流程原理是解答本題的關鍵，注意掌握物質制備方案的設計與評價原則，試題培養了學生的分析、理解能力及化學實驗能力．