Question

8．铝元素是生产、生活中应用广泛的金属元素．
（1）氧化铝是一种耐高温材料，也是工业上制取铝的原料．由铝土矿（主要成分Al₂O₃，含SiO₂、Fe₂O₃、MgO等杂质）制取氧化铝的两种工艺流程如图所示（忽略滤液离子对固体的干扰）．

回答下列问题：
①固体X的成分是Fe₂O₃、MgO（填化学式）．
②固体A的用途是制玻璃、陶瓷、水泥、光导纤光导纤维等（答两条）；用A制粗硅的化学方程式为SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑．
③在滤液D中通入过量CO₂，写出D中含铝化合物与其反应的离子方程式2H₂O+AlO₂^-+CO₂=Al（OH）₃↓+HCO₃^-．
④工业上常用石墨作阳极电解氧化铝制铝，电解过程中，需要不断补充阳极材料，原因是阳极产生的氧气在高温下易与石墨反应从而不断消耗阳极材料．
（2）科学家制备出了一种室温下为熔融状态的盐，该盐由有机阳离子、Al₂Cl₇^-和AlCl₄^-组成，利用电解法电解该盐制铝能耗低、效益高．已知电解过程中不生成其他离子且有机阳离子不参与反应，则阴极的电极方程式为4Al₂Cl₇^-+3e^-=7AlCl₄^-+Al．
（3）试对上述制备氧化铝的甲、乙两流程进行简单评价流程甲所用试剂较乙多且操作较繁琐，但生成的Al₂O₃纯度高，流程乙所得Al₂O₃产率较甲高（含少量SiO₂）但纯度低．

Answer 1

分析 铝土矿（主要成分为Al₂O₃，还含有SiO₂、Fe₂O₃）是工业上制备氧化铝的主要原料，
流程甲：向铝土矿中加入过量稀盐酸，发生的反应为Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O、Al₂O₃+6HCl=2AlCl₃+3H₂O，MgO+2HCl=MgCl₂+H₂O，二氧化硅不反应，所以固体A为SiO₂，滤液中溶质为FeCl₃、AlCl₃、MgCl₂、HCl，向滤液B中加入过量NaOH，发生的反应为FeCl₃+3NaOH=3NaCl+Fe（OH）₃↓、AlCl₃+4NaOH=3NaCl+NaAlO₂+2H₂O、MgCl₂+2NaOH=2NaCl+Mg（OH）₂↓、HCl+NaOH=NaCl+H₂O，所以沉淀C是Fe（OH）₃、Mg（OH）₂，滤液D中溶质为NaCl、NaAlO₂、NaOH，向溶液中通入过量二氧化碳，发生的反应为NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃、NaOH+CO₂=NaHCO₃，所以沉淀F为Al（OH）₃，滤液E中溶质为NaHCO₃，灼烧沉淀F发生的化学反应方程式为2Al（OH）₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Al₂O₃+3H₂O；
向铝土矿中加入过量烧碱溶液，发生的反应为Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O、SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O，氧化铁、氧化镁不反应，所以固体X为Fe₂O₃、MgO，滤液Y中成分为NaAlO₂、Na₂SiO₃、NaOH，通入过量二氧化碳时，发生的反应为NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃、NaOH+CO₂=NaHCO₃、Na₂SiO₃+2CO₂+2H₂O=2NaHCO₃+H₂SiO₃↓，所以沉淀Z为Al（OH）₃、H₂SiO₃，滤液K中溶质为NaHCO₃，灼烧沉淀Z得到氧化铝，据此分析解答．

解答 解：（1）①向铝土矿中加入过量烧碱溶液，发生的反应为Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O、SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O，氧化铁、氧化镁不反应，所以固体X为Fe₂O₃、MgO；
故答案为：Fe₂O₃、MgO；
②固体A为SiO₂，可用于制玻璃、陶瓷、水泥、光导纤维等；用SiO₂制粗硅的化学方程式为SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑；
故答案为：制玻璃、陶瓷、水泥、光导纤光导纤维等；SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑；
③滤液D中溶质为NaCl、NaAlO₂、NaOH，向溶液中通入过量二氧化碳，含铝化合物与其反应的离子方程式为2H₂O+AlO₂^-+CO₂=Al（OH）₃↓+HCO₃^-；
故答案为：2H₂O+AlO₂^-+CO₂=Al（OH）₃↓+HCO₃^-；
④工业上常用石墨作阳极电解氧化铝制铝，电解过程中，需要不断补充阳极材料，原因是阳极产生的氧气在高温下易与石墨反应从而不断消耗阳极材料；
故答案为：阳极产生的氧气在高温下易与石墨反应从而不断消耗阳极材料；
（2 ）电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，则阴极反应生成铝是发生的还原反应，铝元素化合价降低，分析离子液体成分，结合电荷守恒分析可知是Al₂Cl₇^-得到电子生成，电极反应为：4Al₂Cl₇^-+3e^-=Al+7AlCl₄^-；
故答案为：4Al₂Cl₇^-+3e^-=7AlCl₄^-+Al；
（3）比较上述制备氧化铝的甲、乙两流程：流程甲所用试剂较乙多且操作较繁琐，但生成的Al₂O₃纯度高；流程乙所得Al₂O₃产率较甲高（含少量SiO₂）但纯度低；
故答案为：流程甲所用试剂较乙多且操作较繁琐，但生成的Al₂O₃纯度高，流程乙所得Al₂O₃产率较甲高（含少量SiO₂）但纯度低．

点评 本题考查物质分离和提纯的综合应用，为高频考点，明确流程图中发生的反应及物质性质是解本题关键，难点是正确书写离子方程式、各滤液成分的判断，题目难度中等．