Question

20．奥地利化学家拜耳的“碱溶法”与法国化学家埃鲁的“电解法”相结合，奠定了现代电解冶炼铝工业方法的基础，电解铝的原料主要来自铝土矿（主要成分为Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂等），基本流程及装置图如下．
回答下列问题：
（1）操作①和操作②都是过滤（填操作名称），加入过量烧碱溶液时反应的离子方程式为Al³⁺+4OH^-=AlO₂^-+2H₂O，Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓．
（2）加入过量X，发生反应的化学方程式为NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃．
（3）电解时，阳极的电极反应式为2O^2--4e^-=O₂↑，实际生产中阳极需要定期更换，原因是阳极产生的氧气会与电极材料中的碳反应而使阳极损耗．
（4）在电解槽的钢板和阴极碳素材料之间需要放置a（选填字母序号）．
a、耐火绝缘   b、防爆导热    c、耐火导电   d、导热导电
（5）电解铝时，以氧化铝-冰晶石溶融液为电解质，其中也常加入少量的氟化钙，氟化钙的作用是帮助降低氧化铝的熔点．为制取冰晶石，工业上采用氢氧化铝、纯碱和氟化氢在一定条件下充分混合反应制取冰晶石，该反应的化学方程式为2Al（OH）₃+12HF+3Na₂CO₃=2Na₃AlF₆+3CO₂↑+9H₂O．
（6）上述流程生产1mol金属铝耗电能约1.8×10⁶J．某铝土矿中氧化铝的质量分数为51%，则1吨该铝土矿冶炼金属铝耗电能1.8×10¹⁰J；已知每个铝制易拉罐约15g，其中铝的质量分数为90%，由一只易拉罐回收生产金属铝耗电能约4.5×10⁴J，则制得等量金属铝的能耗为上述流程生产方法的5%；通过对计算数据的分析，你能得到什么结论易拉罐的回收利用有利于节约能源．

Answer 1

分析 铝土矿（主要成分为Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂等），加入过量稀硫酸，氧化铝、氧化铁溶解，二氧化硅不溶，过滤得到滤液1是氯化铝溶液、氯化铁溶液，加入过量氢氧化钠溶液发生反应生成氢氧化铁沉淀、偏铝酸钠溶液，过滤得到滤液2为偏铝酸钠溶液，通入过量的X为二氧化碳反应生成碳酸氢钠、氢氧化铝沉淀，过滤得到氢氧化铝沉淀受热分解生成氧化铝，通过加入冰晶石恒容氟化钙降低氧化铝熔点，以碳素做阴阳极，电解生成电解铝，净化、澄清、精炼得到铝锭，
（1）分析可知操作1和操作2是分离固体和溶液的操作为过滤，加入过量氢氧化钠溶液是铁离子生成氢氧化铁沉淀，铝离子和过量氢氧化钠反应生成偏铝酸钠和水；
（2）加入过量X为二氧化碳，二氧化碳和偏铝酸钠溶液反应生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠；
（3）电解原理可知阳极失氧化铝熔融后电离出的氧离子失电子生成氧气发生氧化反应，实际生产中阳极需要定期更换是因为阳极上生成氧气会和材料中碳发生反应消耗电极；
（4）依据电解原理分析可知，在电解槽的钢板和阴极碳素材料之间需要耐火绝缘；
（5）Al为活泼金属，电解铝时的电解质为氧化铝-冰晶石熔融液，常加入少量氯化钙的目的是降低熔点，Al₂O₃的熔点很高，熔化需要较多能量，加入冰晶石可以降低Al₂O₃的熔化温度．根据质量守恒定律书写该化学方程式；
（6）某铝土矿中氧化铝的质量分数为51%，则1吨该铝土矿中氧化铝质量=1×10⁶g，含铝物质的量=$\frac{1×1{0}^{6}g×51%}{102g/mol}$=10000mol，计算得到冶炼金属铝耗电能，已知每个铝制易拉罐约15g，其中铝的质量分数为90%，其中铝的物质的量=$\frac{15g×90%}{27g/mol}$=0.5mol，由一只易拉罐回收生产金属铝耗电能约4.5×10⁴J，生产1molAl耗电能=4.5×10⁴J×$\frac{1}{0.5}$=9×10⁴J，制得等量金属铝的能耗和上述流程生产方法耗能之比计算得到，易拉罐的回收利用可以节约能源．

解答 解：铝土矿（主要成分为Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂等），加入过量稀硫酸，氧化铝、氧化铁溶解，二氧化硅不溶，过滤得到滤液1是氯化铝溶液、氯化铁溶液，加入过量氢氧化钠溶液发生反应生成氢氧化铁沉淀、偏铝酸钠溶液，过滤得到滤液2为偏铝酸钠溶液，通入过量的X为二氧化碳反应生成碳酸氢钠、氢氧化铝沉淀，过滤得到氢氧化铝沉淀受热分解生成氧化铝，通过加入冰晶石恒容氟化钙降低氧化铝熔点，以碳素做阴阳极，电解生成电解铝，净化、澄清、精炼得到铝锭，
（1）分析可知操作1和操作2是分离固体和溶液的操作为过滤，加入过量氢氧化钠溶液是铁离子生成氢氧化铁沉淀，铝离子和过量氢氧化钠反应生成偏铝酸钠和水，反应的离子方程式为：Al³⁺+4OH^-=AlO₂^-+2H₂O，Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓，
故答案为：过滤；Al³⁺+4OH^-=AlO₂^-+2H₂O，Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓；
（2）NaAlO₂溶液中通入过量CO₂生成Al（OH）₃和NaHCO₃，反应的化学方程式为：NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，
故答案为：NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；
（3）电解原理可知阳极失氧化铝熔融后电离出的氧离子失电子生成氧气发生氧化反应，电极反应为：2O^2--4e^-=O₂↑，实际生产中阳极需要定期更换是因为阳极上生成氧气会和材料中碳发生反应消耗电极，
故答案为：2O^2--4e^-=O₂↑；阳极产生的氧气会与电极材料中的碳反应而使阳极损耗；
（4）依据电解原理分析可知，在电解槽的钢板和阴极碳素材料之间需要耐火绝缘，故选a，
故答案为：a；
（5）Al₂O₃的熔点很高，熔化需要较多能量，电解铝时，以氧化铝-冰晶石溶融液为电解质，其中也常加入少量的氟化钙，氟化钙的作用是帮助降低Al₂O₃的熔化温度；工业上可以用氟化氢气体、氢氧化铝和纯碱在高温条件下发生反应来制取冰晶石，根据质量守恒定律书写该化学方程式为：2Al（OH）₃+12HF+3Na₂CO₃ =2Na₃AlF₆+3CO₂+9H₂O；
故答案为：帮助降低氧化铝的熔点；2Al（OH）₃+12HF+3Na₂CO₃ =2Na₃AlF₆+3CO₂+9H₂O；
（6）某铝土矿中氧化铝的质量分数为51%，则1吨该铝土矿中氧化铝质量=1×10⁶g，含铝物质的量=$\frac{1×1{0}^{6}g×51%}{102g/mol}$=10000mol，生产1mol金属铝耗电能约1.8×10⁶J．则1吨该铝土矿冶炼金属铝耗电能=1.8×10⁶J×10000=1.8×10¹⁰J，已知每个铝制易拉罐约15g，其中铝的质量分数为90%，其中铝的物质的量=$\frac{15g×90%}{27g/mol}$=0.5mol，由一只易拉罐回收生，产金属铝耗电能约4.5×10⁴J，生产1molAl耗电能=4.5×10⁴J×$\frac{1}{0.5}$=9×10⁴J，制得等量金属铝的能耗为上述流程生产方法耗能的$\frac{9×1{0}^{4}}{1.8×1{0}^{6}}$=5，通过对计算数据的分析，易拉罐的回收利用可以节约能源，
故答案为：1.8×10¹⁰；5；易拉罐的回收利用有利于节约能源；

点评 本题考查了物质分离提纯的流程分析判断、电解原理和电极反应书写、元素守恒的计算等知识点，主要是铝及其化合物性质的理解应用，题目难度中等．