Question

17．分子篩具有均勻的微孔，其應用非常廣泛，可以作高效干燥劑、選擇性吸附劑、催化劑、離子交換劑等．常用分子篩為結晶態的硅酸鹽或硅鋁酸鹽，其一種功能是具有篩分功能：只有分子直徑小于孔穴直徑的分子才能通過分子篩的孔穴，如圖，
因此其可用于物質的分離提純．某種型號的分子篩的工業生產簡單流程如圖所示：

 
圖中在加NH₃•H₂O調節pH的過程中，若pH＞9會有某種沉淀雜質生成，假設生產流程中鋁元素和硅元素均沒有損耗，鈉原子的利用率為10%．
請回答下列問題：
（1）寫出硫酸鋁溶液中加入硅酸鈉發生反應的離子方程式2Al³⁺+3SiO₃^2-+6H₂O=2Al（OH）₃↓+3H₂SiO₃↓．
（2）圖中加NH₃•H₂O調節pH=9的目的是想抑制氫氧化鋁（填名稱）沉淀生成．
（3）生產流程中所得濾液中含有的主要離子有Na⁺、NH₄⁺、SO₄^2-．
（4）該分子篩的化學式為Na₂O•Al₂O₃•10SiO₂•6H₂O或Na₂（Al₂Si₁₀O₂₄）•6H₂O．
（5）分子篩的孔道直徑為4稱為4A型分子篩，當Na⁺被Ca²⁺[r（Ca²⁺）=2.2r（Na⁺）]取代時就制得5A型分子篩，當Na⁺被K⁺取代時就制得3A型分子篩，要高效分離正丁烷（分子直徑為4.65）和異丁烷（分子直徑為5.6）應該選用5A型分子篩，鈉離子的分子篩為＞（填“＞”“＜”或“=”）5A型分子篩．

Answer 1

分析 工業生產分子篩的簡單流程：Al₂（SO₄）₃與Na₂SiO₃在去離子水的作用下發生雙水解：2Al³⁺+3SiO₃^2-+6H₂O=2Al（OH）_{3（膠體）}+3H₂SiO_{3（膠體）}，得到Al（OH）₃、H₂SiO₃（膠體），加MH₃•H₂O調節pH后，加熱到90℃促進膠體聚沉，趁熱過濾可以防止氫氧化鋁雜質結晶析出，由鈉原子的利用率為10%，且加入氨水，則濾液中一定含有硫酸鈉和硫酸銨，晶體洗滌干燥即為分子篩．
（1）Al₂（SO₄）₃溶液與Na₂SiO₃溶液反應發生雙水解反應生成氫氧化鋁沉淀和硅酸沉淀；
（2）在加NH₃•H₂O調節pH的過程中，若pH控制不當會有Al（OH）₃生成；
（3）由鈉原子的利用率為10%，且加入氨水，則濾液中一定含有硫酸鈉和硫酸銨；
（4）計算n[Al₂（SO₄）₃]、n（Na₂SiO₃），結合鈉原子的利用率為10%，以及分子篩的質量計算水的質量，進而計算物質的量，可確定分子式；
（5）分離正丁烷和異丁烷，應選用分子篩的型號介于4.65A～5.6A之間，Ca²⁺與K⁺，為同核外電子排布的離子，核電荷數大的離子半徑小，鉀、鈉為同族元素．

解答 解：（1）Al₂（SO₄）₃溶液與Na₂SiO₃溶液反應發生雙水解反應生成氫氧化鋁沉淀和硅酸沉淀，反應的離子方程式為2Al³⁺+3SiO₃^2-+6H₂O=2Al（OH）₃↓+3H₂SiO₃↓，
故答案為：2Al³⁺+3SiO₃^2-+6H₂O=2Al（OH）₃↓+3H₂SiO₃↓；
（2）氫氧化鋁為兩性氫氧化物，加MH₃•H₂O調節pH=9防止氫氧化鋁雜質結晶析出，故答案為：氫氧化鋁；
（3）由鈉原子的利用率為10%，且加入氨水，則濾液中一定含有硫酸鈉和硫酸銨，生產流程中所得濾液里含有的離子除H⁺、OH^-外含有：Na⁺、NH₄⁺、SO₄^2-，
故答案為：Na⁺、NH₄⁺、SO₄^2-；
（4）n（Al₂O₃）=0.1mol，n（SiO₂）=1mol，因鈉原子的利用率為10%，則n（Na₂O）=1mol×10%=0.1mol，又分子篩的質量為87.2g，
則n（H₂O）=$\frac{87.2g-0.1mol×102g/mol-1mol×60g/mol-0.1mol×62g/mol}{18g/mol}$=0.6mol，
則n（Na₂O）：n（Al₂O₃）：n（SiO₂）：n（H₂O）=0.1mol：0.1mol：1mol：0.6mol═1：1：10：6，
所以分子篩的化學式為Na₂O•Al₂O₃•10SiO₂•6H₂O或Na₂（Al₂Si₁₀O₂₄）•6H₂O，
故答案為：Na₂O•Al₂O₃•10SiO₂•6H₂O或Na₂（Al₂Si₁₀O₂₄）•6H₂O；
（5）分離正丁烷和異丁烷，應選用分子篩的型號介于4.65A～5.6A之間，應選用5A型；Ca²⁺半徑小于K⁺，當Na⁺被Ca²⁺[r（Ca²⁺）=2.2r（Na⁺）]取代時就制得5A型分子篩，當Na⁺被K⁺取代時就制得3A型分子篩，所以鈉離子的分子篩為大于5A型分子篩，
故答案為：5A；＞．

點評 本題考查較為綜合，側重于學生的分析能力、實驗能力和計算能力的考查，為高考常見題型和高頻考點，注意把握題給信息，把握信息抽去能力的培養，從質量守恒的角度計算分子篩的化學式，題目難度中等．