Question

15．某研究性学习小组模拟工业生产过程进行试验．请回答下列问题：

（1）用如图1所示的装置向500-600℃的铁屑中通入氯气制取无水氯化铁的实验中，实验开始前应如何检查装置的气密性把B、D中导管下端浸入水中，用洒精灯给烧瓶微热，看到B、D中导管下口有气泡冒出，停止加热后，有一段稳定的水柱，说明装置不漏气．
（2）用如图2所示的装置向炽热铁屑中通入氯化氢制取无水氯化亚铁的实验中，装置A用来制取HCl．若仍用D的装置进行尾气处理，存在的问题是易发生倒吸、缺少防止水蒸汽进入C中装置．
若操作不当，制得的FeCl₂ 会含有少量FeCl₃．欲制得纯净的FeCl₂，在实验操作中应先通入氯化氢（赶尽装置中的空气），再点燃C处的酒精灯．
（3）从明矾[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制备Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程如下：
①反应①的化学方程式是4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O．
②从水浸后的滤液中得到K₂SO₄晶体的方法是蒸发、结晶．步骤③的化学方程式是2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃电解}$4Al+3O₂↑．
③焙烧a吨明矾（摩尔质量为b g/mol），若SO₂ 的转化率为96%，可生产质量分数为98%的H₂SO₄质量为$\frac{216a}{b}$吨（列出计算表达式）．

Answer 1

分析 （1）装置气密性检验的原理是：通过气体发生器与附设的液体构成封闭体系，依据改变体系内压强时产生的现象（如气泡的生成、水柱的形成、液面的升降等）来判断装置气密性的好坏；
（2）制取无水氯化亚铁，需要HCl气体，尾气的成分是剩余HCl和生成的氢气，HCl极易溶解于水，缺少防止水蒸汽进入C中装置，氢气不能溶于水；若要制取纯净的FeCl₂，需先点燃A处的酒精灯排除装置中的空气，再点燃C处的酒精灯；
（3）从明矾[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制备Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程：过程①明矾和硫焙烧，4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，气体二氧化硫与氧气在五氧化二矾作催化剂的作用下生成三氧化硫，三氧化硫用98.3%的浓硫酸吸收，SO₃+H₂O=H₂SO₄，制得硫酸；过程②焙烧所得固体混合物，用水浸，为提高浸出率，可采取粉碎固体混合物、不断搅拌，从水浸后的滤液中蒸发结晶得到K₂SO₄晶体，步骤③电解Al₂O₃，制得Al．
①“焙烧”过程中得到SO₂与固体混合物，而固体混合物进行水浸，过滤得到Al₂O₃与K₂SO₄，则焙烧”过程中得到SO₂、Al₂O₃、K₂SO₄，同时有水生成，配平是化学方程式；
②从溶液中获得晶体，需要经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作；步骤③为氧化铝电解生成铝和氧气；
③将SO₂的利用率转化为KAl（SO₄）₂•12H₂O的利用率，由焙烧”过程中反应方程式，及硫元素守恒，可得关系式：4KAl（SO₄）₂•12H₂O～9H₂SO₄，据此计算．

解答 解：（1）装置气密性检验的原理是：通过气体发生器与附设的液体构成封闭体系，改变体系内压强，生成气泡或形成水柱是常用的方法，所以图1装置，检查装置的气密性，把B、D中导管下端浸入水中，用洒精灯给烧瓶微热，看到B、D中导管下口有气泡冒出，停止加热后，有一段稳定的水柱，说明装置不漏气，
故答案为：把B、D中导管下端浸入水中，用洒精灯给烧瓶微热，看到B、D中导管下口有气泡冒出，停止加热后，有一段稳定的水柱，说明装置不漏气；
（2）制取无水氯化亚铁，需要HCl气体，故A装置制取的是HCl，反应方程式为：Fe+2HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$FeCl₂+H₂，故尾气的成分为未反应的HCl和生成的氢气，由于HCl极易溶于水，故若仍然采用D装置进行尾气处理，很容易造成倒吸，且缺少防止水蒸汽进入C中装置，氢气不溶于水，不利于氢气的吸收，氢气易燃，造成安全隐患，若要制取纯净的FeCl₂，需先排净装置中的空气，防止在加热时Fe与O₂反应，故先点燃A处的酒精灯，再点燃C处的酒精灯，
故答案为：HCl； 易发生倒吸，缺少防止水蒸汽进入C中装置； 通入氯化氢（赶尽装置中的空气）；
（3）①“焙烧”过程中得到SO₂与固体混合物，而固体混合物进行水浸，过滤得到Al₂O₃与K₂SO₄，则焙烧”过程中得到SO₂、Al₂O₃、K₂SO₄，同时有水生成，发生反应为：4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Al₂O₃+2K₂SO₄+9SO₂↑+48H₂O，
故答案为：4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O；
②从溶液中获得晶体，需要经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作，步骤③为电解氧化铝，氧化铝熔点高，用冰晶石作助熔剂，电解氧化铝生成铝和氧气，反应为：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃电解}$4Al+3O₂↑，
故答案为：蒸发、结晶；2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃电解}$4Al+3O₂↑；
③设可生产x吨质量分数为98%的硫酸，则：
4KAl（SO₄）₂•12H₂O～9H₂SO₄，
4×b              9×98
at×96%          xt×98%    解得：x=$\frac{216a}{b}$，
故答案为：$\frac{216a}{b}$．

点评 本题以氯化铁以及氯化亚铁、Al、K₂SO₄和H₂SO₄制取为载体，考查的是实验室中氯气的制取方法、常见尾气的处理方法以及铁离子的检验等，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础，题目难度中等．