Question

3．從明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程如下：

已知：明礬焙燒的化學方程式為：4[KAl（SO₄）₂•12H₂O]+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O
請回答下列問題：
（1）在焙燒明礬的反應中，氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為：1：2．
（2）步驟②中，為提高浸出率，可采取的措施有AC．
A．粉碎固體混合物　　B．降低溫度      C．不斷攪拌　D．縮短浸泡時間
（3）明礬焙燒完全后，從步驟②的濾液中得到K₂SO₄晶體的方法是蒸發(fā)結(jié)晶．
（4）步驟③電解的化學方程式是2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃電解}$4Al+3O₂↑，電解池的電極是用碳素材料做成，電解過程中，陽極材料需要定期更換，原因是：陽極中碳被氧化成CO₂（CO）．
（5）以Al和NiO（OH）為電極，NaOH溶液為電解液組成一種新型電池，放電時NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，則該電池的正極電極反應式是NiO（OH）+H₂O+e^-=Ni（OH）₂+OH^-．
（6）焙燒a噸明礬（摩爾質(zhì)量為b g/mol），若SO₂ 的轉(zhuǎn)化率為96%，可生產(chǎn)質(zhì)量分數(shù)為98%的H₂SO₄質(zhì)量為$\frac{a×1{0}^{6}g/t}{bg/mol}$=$\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}$=$\frac{216a}$噸（列出計算表達式）．

Answer 1

分析 從明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程：過程①明礬和硫焙燒，4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，氣體二氧化硫與氧氣在五氧化二礬作催化劑的作用下生成三氧化硫，三氧化硫用98.3%的濃硫酸吸收，SO₃+H₂O=H₂SO₄，制得硫酸；過程②焙燒所得固體混合物，用水浸，為提高浸出率，可采取粉碎固體混合物、不斷攪拌，從水浸后的濾液中蒸發(fā)結(jié)晶得到K₂SO₄晶體，步驟③電解Al₂O₃，制得Al．
（1）依據(jù)化學方程式中元素化合價變化分析判斷，元素化合價降低的做氧化劑，元素化合價升高的做還原劑，氧化劑發(fā)生還原反應后的產(chǎn)物為還原產(chǎn)物，還原劑發(fā)生氧化反應后的產(chǎn)物為氧化產(chǎn)物，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，判斷反應中氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比；
（2）礦石的顆粒大小、溫度及是否攪拌等會影響浸取率；
（3）從水浸后的濾液中得到K₂SO₄晶體運用蒸發(fā)溶劑水的方法得到；
（4）步驟③電解Al₂O₃，制得Al，陽極材料需要定期地進行更換，原因是該極材料不斷被消耗；
（5）放電時NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價降低，被還原，應為原電池正極反應；
（6）依據(jù)硫元素守恒計算得到．

解答 解：（1）明礬焙燒的化學方程式為：4[KAl（SO₄）₂•12H₂O]+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O反應中，硫單質(zhì)硫元素化合價0價，升高到SO₂中為+4價，則S為還原劑，被氧化（1個硫轉(zhuǎn)移4個電子），SO₂為氧化產(chǎn)物，硫酸根離子中硫元素化合價從+6價變化為SO₂中+4價，KAl（SO₄）₂•12H₂O為氧化劑，被還原（1個硫轉(zhuǎn)移2個電子），SO₂為還原產(chǎn)物，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，被氧化的S和被還原的S的物質(zhì)的量之比1：2，氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1：2；
故答案為：1：2；
（2）由于酸浸時礦石顆粒大小影響浸取率，可以通過粉碎礦石提高浸取率，還可以適當升高溫度或者攪拌提高浸取率，
故答案為：AC；
（3）從水浸后的濾液中得到K₂SO₄晶體運用蒸發(fā)結(jié)晶的方法得到，需要蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥，
故答案為：蒸發(fā)結(jié)晶；
（4）電解熔融氧化鋁，陽極氯離子放電生成氯氣，陰極是鋁離子放電生成鋁，反應的化學方程式為2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃電解}$4Al+3O₂↑，在冶煉過程中，陽極材料碳被氧氣氧化成一氧化碳，反應為C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO₂或2C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2CO，所以需定期地進行更換，
故答案為：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃電解}$4Al+3O₂↑；陽極中碳被氧化成CO₂（CO）；
（5）放電時NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價降低，被還原，應為原電池正極反應，電極方程式為NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-，
故答案為：NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-；
（6）焙燒a噸明礬（摩爾質(zhì)量為b g/mol），4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，生成SO₂物質(zhì)的量為$\frac{a×1{0}^{6}g}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$，SO₂ 的轉(zhuǎn)化率為96%，物質(zhì)的量為$\frac{a×1{0}^{6}g}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$×96%，可生產(chǎn)質(zhì)量分數(shù)為98%的H₂SO₄質(zhì)量為$\frac{a×1{0}^{6}g/t}{bg/mol}$=$\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}$=$\frac{216a}$，
故答案為：$\frac{a×1{0}^{6}g/t}{bg/mol}$=$\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}$=$\frac{216a}$．

點評 本題以鋁的化合物為載體考查了物質(zhì)間的反應、物質(zhì)的分離和提純等知識點，明確物質(zhì)之間的反應是解本題關(guān)鍵，再結(jié)合原子守恒來分析解答，這種綜合性較強的題型是高考熱點，需利用基礎(chǔ)知識細心分析解答，題目難度中等．