Question

18．鋁是人類生活中繼銅、鐵之后又一個(gè)重要的金屬．工業(yè)上冶煉金屬鋁的原料來源于自然界中重要的礦物質(zhì)釩土（主要成分：Al₂O₃；還有SiO₂、Fe₂O₃、FeCO₃、MgCO₃等雜質(zhì)）．從釩土中提取得到Al₂O₃的工藝流程如圖所示：

請(qǐng)回答下列問題：
（1）固體A所含物質(zhì)的化學(xué)式（或分子式）是Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂．
（2）寫出溶液A與足量氣體B反應(yīng)的離子方程式CO₂+OH^-═HCO₃^-、AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-．
（3）工業(yè)冶煉金屬鋁通常用石墨碳?jí)K作電解槽的陽極，請(qǐng)你根據(jù)電解原理解釋電解冶煉鋁的過程中，需要定期補(bǔ)充陽極碳?jí)K的原因電解冶煉鋁的陽極產(chǎn)物為O₂，在高溫條件下，O₂與陽極碳發(fā)生反應(yīng)消耗陽極碳?jí)K．
（4）Al₂O₃的熔點(diǎn)很高，因而在工業(yè)冶煉時(shí)，需將Al₂O₃熔于熔化的冰晶石（Na₃AlF₆）中進(jìn)行電解．請(qǐng)寫出電解過程中陰極的電極反應(yīng)式Al³⁺+3e^-═Al．工業(yè)上通常將Al（OH）₃和Na₂CO₃一同溶于氫氟酸來制取冰晶石，反應(yīng)時(shí)放出CO₂氣體，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式2Al（OH）₃+3Na₂CO₃+12HF═2Na₃AlF₆+3CO₂↑+9H₂O．
（5）有一位同學(xué)查閱資料發(fā)現(xiàn)，AlCl₃的熔點(diǎn)很低．他提出：可通過電解熔融狀態(tài)的AlCl₃制取金屬鋁．你認(rèn)為他提出的方案是否可行？為什么？不可行，AlCl₃是共價(jià)化合物，熔融狀態(tài)的AlCl₃不導(dǎo)電．
（6）某企業(yè)用上述工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，每10.0t釩土可得到金屬鋁1.35t．如果不考慮生產(chǎn)過程的損耗，請(qǐng)你計(jì)算釩土中Al₂O₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.5%．

Answer 1

分析 釩土主要成分是Al₂O₃，還有SiO₂、Fe₂O₃、FeCO₃、MgCO₃等雜質(zhì)，除SiO₂不反應(yīng)外，與鹽酸反應(yīng)生成的金屬陽離子有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺等，這些金屬陽離子再與足量氫氧化鈉反應(yīng)后生成的可溶物為NaAlO₂，不溶物固體A為Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂，溶液A為NaAlO₂溶液和氫氧化鈉溶液的混合物，溶液中通入足量B為二氧化碳?xì)怏w，二氧化碳和氫氧化鈉反應(yīng)生成碳酸氫鈉，二氧化碳和偏氯酸鈉溶液反應(yīng)生成氫氧化鋁和碳酸氫鈉，過濾得到固體B為氫氧化鋁，溶液B為碳酸氫鈉溶液，固體B受熱分解生成氧化鋁，
（1）礬土與稀鹽酸反應(yīng)生成金屬陽離子后再和氫氧化鈉反應(yīng)生成的沉淀就是固體A；
（2）溶液A的溶質(zhì)就是礬土與稀鹽酸反應(yīng)生成金屬陽離子后再和氫氧化鈉反應(yīng)生成的可溶性物質(zhì)含有AlO₂^-；
（3）電解時(shí)陽極失電子生成氧氣，氧氣在高溫時(shí)會(huì)氧化碳?jí)K，使碳?jí)K消耗；
（4）電解氧化鋁，陰極上是鋁離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成鋁，將Al（OH）₃和Na₂CO₃一同溶于氫氟酸來制取冰晶石，反應(yīng)時(shí)放出CO₂氣體，根據(jù)元素守恒可寫出化學(xué)方程式；
（5）AlCl₃是共價(jià)化合物，在熔融狀態(tài)下不導(dǎo)電，不能用來電解；
（6）根據(jù)Al元素質(zhì)量守恒，1molAl生成0.5molAl₂O₃計(jì)算．

解答 解：（1）釩土主要成分是Al₂O₃，還有SiO₂、Fe₂O₃、FeCO₃、MgCO₃等雜質(zhì)，除SiO₂不反應(yīng)外，與鹽酸反應(yīng)生成的金屬陽離子有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺等，這些金屬陽離子再與氫氧化鈉反應(yīng)后生成的可溶物為NaAlO₂，不溶物為Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂；
故答案為：Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂；
（2）由（1）知溶液A主要為NaAlO₂溶液和剩余的氫氧化鈉溶液，通入二氧化碳?xì)怏w首先和氫氧化鈉反應(yīng)CO₂+OH^-═HCO₃^-，還有和NaAlO₂的反應(yīng)AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-；
故答案為：CO₂+OH^-═HCO₃^-、AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-；
（3）電解時(shí)陽極失電子生成氧氣，氧氣在高溫條件下會(huì)氧化碳?jí)K，使碳?jí)K消耗，所以需要定期補(bǔ)充陽極碳?jí)K；
故答案為：電解冶煉鋁的陽極產(chǎn)物為O₂，在高溫條件下，O₂與陽極碳發(fā)生反應(yīng)消耗陽極碳?jí)K；
（4）電解氧化鋁，陰極上是鋁離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成鋁，電極反應(yīng)式為Al³⁺+3e^-═Al，將Al（OH）₃和Na₂CO₃一同溶于氫氟酸來制取冰晶石，反應(yīng)時(shí)放出CO₂氣體，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2Al（OH）₃+3Na₂CO₃+12HF═2Na₃AlF₆+3CO₂↑+9H₂，
故答案為：Al³⁺+3e^-═Al；2Al（OH）₃+3Na₂CO₃+12HF═2Na₃AlF₆+3CO₂↑+9H₂O；
（5）AlCl₃是共價(jià)化合物，在熔融狀態(tài)下不導(dǎo)電，不能用來電解，而氧化鋁為離子化合物，在熔融狀態(tài)下可導(dǎo)電，可以用來電解；
故答案為：不可行，AlCl₃是共價(jià)化合物，熔融狀態(tài)的AlCl₃不導(dǎo)電；
（6）根據(jù)元素守恒，礬土中每1molAl會(huì)生成0.5molAl₂O₃，則以Al₂O₃表示的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{\frac{1.35t×10{\;}^{6}g/t}{27g/mol}×102g/mol}{10t×10{\;}^{6}g/t}$=25.5%，故答案為：25.5%．

點(diǎn)評(píng) 本題為生產(chǎn)工藝流程題，涉及電解、計(jì)算等問題，題目較為綜合，做題時(shí)注意仔細(xì)審題，從題目中獲取關(guān)鍵信息，本題中等．