Question

3．铝是地壳中含量最多的金属元素，其单质和化合物广泛应用于日常生活中．
（1）工业上以铝土矿（Al₂O₃•H₂O）为原料生产铝，主要包括下列过程：
i．将粉粹、筛选后的铝土矿溶解在NaOH溶液中；
ii．通入过量的试剂A使所得溶液中析出Al（OH）₃固体；
iii．使Al（OH）₃脱水生成Al₂O₃；
iv．电解熔融Al₂O₃生成Al．
①铝土矿粉粹的目的是增大接触面积，加快反应速率．
②试剂A的化学式是CO₂，该反应的离子方程式是CO₂+AlO₂^-+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓．
（2）NaOH溶液可以除去铝表面的氧化膜，在处理过程中常会产生H₂，产生H₂的离子方程式是2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（3）明矾化学式为KAl（SO₄）₂•12H₂O，向明矾溶液中加入Ba（OH）₂溶液，当溶液中的SO₄^2-恰好沉淀时，铝元素的存在形式是AlO₂^-．
（4）工业上利用铝粉除去含氮废水中的NO₃^-，当控制溶液pH在10.7左右时，反应过程中生成[Al（OH）₄]^-、N₂和NH₃，若N₂和NH₃的体积比为4：1，则还原剂和氧化剂的物质的量之比为16：9，若氮气和氨气的体积比为1：1，则除去0.1molNO₃^-，消耗铝5.4g．

Answer 1

分析 （1）铝土矿粉粹是增大固体与溶液接触面积，加快反应速率，氧化铝溶于氢氧化钠溶液反应生成偏氯酸钠，加入过量的试剂A使所得溶液中析出Al（OH）₃固体，碳酸酸性大于氢氧化铝，说明是通入二氧化碳生成；
（2）铝和氢氧化钠溶液反应生成偏氯酸钠和氢气；
（3）设明矾KAl（SO₄）₂•12H₂O为1mol，则溶液中含有1molK⁺、1molAl³⁺、2molSO₄^2-，根据反应：SO₄^2-+Ba²⁺═BaSO₄↓，当溶液中的SO₄^2-完全沉淀时，需要2molBa²⁺，即2molBa（OH）₂，2molBa（OH）₂中含有4molOH^-，1molAl³⁺和4molOH^-发生反应：Al³⁺+4OH^-═AlO₂^-+2H₂O；铝元素的存在形式为：AlO₂^-；
（4）设生成的氮气的物质的量为4mol，则氨气为mol，根据由NO₃^-还原为氮气和氨气的化合价变化可知，生成4xmol氮气和xmol氨气NO₃^-共得40mol+8mol=48mol电子，根据得失电子数守恒求出反应的铝的物质的量，然后根据铝做还原剂，NO₃^-做氧化剂来分析物质的量之比．

解答 解：（1）①铝土矿粉粹是增大固体与溶液接触面积，加快反应速率，故答案为：增大接触面积，加快反应速率；
②氧化铝溶于氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠，加入过量的试剂A使所得溶液中析出Al（OH）₃固体，碳酸酸性大于氢氧化铝，说明是通入二氧化碳生成，反应的离子方程式为：CO₂+AlO₂^-+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓；故答案为：CO₂；CO₂+AlO₂^-+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓；
（2）NaOH溶液可以除去铝表面的氧化膜，在处理过程中常会产生H₂，铝和氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，反应的离子方程式为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，故答案为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（3）设明矾KAl（SO₄）₂•12H₂O为1mol，则溶液中含有1molK⁺、1molAl³⁺、2molSO₄^2-，根据反应：SO₄^2-+Ba²⁺═BaSO₄↓，当溶液中的SO₄^2-完全沉淀时，需要2molBa²⁺，即2molBa（OH）₂，2molBa（OH）₂中含有4molOH^-，1molAl³⁺和4molOH^-发生反应：Al³⁺+4OH^-═AlO₂^-+2H₂O；
铝元素的存在形式为：AlO₂^-．
故答案为：AlO₂^-；
（4）设生成的氮气的物质的量为4mol，则氨气为1mol，由于氮气和氨气是由NO₃^-还原而来，故生成4mol氮气和1mol氨气时NO₃^-共得电子的物质的量为n=4×10mol+8mol=48mol电子，根据得失电子数守恒可知反应掉的铝的物质的量n=$\frac{48mol}{3}$=16mol，在此反应中，铝做还原剂，物质的量为16mol，而NO₃^-做氧化剂，物质的量为（4mol×2+1mol）=9mol，故还原剂和氧化剂的物质的量之比为16：9；
若氮气和氨气的体积比为1：1，设氮气和氨气的物质的量均为xmol，除去0.1mol NO₃^-，根据氮原子的守恒可知：2x+x=0.1，故x=$\frac{1}{30}$mol，则生成$\frac{1}{30}$mol氮气和$\frac{1}{30}$mol氨气所得到的电子的物质的量为n=$\frac{1}{30}$mol×2×5+$\frac{1}{30}$mol×8=$\frac{18}{30}$mol，根据得失电子数守恒可知消耗铝的物质的量为n=$\frac{18}{30}$=0.2mol，故所需铝的质量m=nM=0.2mol×27g/mol=5.4g．
故答案为：16：9，5.4．

点评 本题多角度考查元素化合物知识，为高频考点，侧重于学生的分析、实验能力，题目涉及镁铝性质的分析判断，物质反应产物判断等，注意相关基础知识的积累，题目难度中等．