Question

8．高纯氧化铝可用于制高压钠灯的陶瓷管．工业上常用铝土矿（主要成分为Al₂O₃和少量的 SiO₂、Fe₂O₃杂质）先生产铵明矾晶体，再热分解铵明矾晶体得到高纯氧化铝．其工艺流程图如下：

（1）废渣a成分是：二氧化硅；（写名称）从铵明矾溶液中获得铵明矾晶体的操作“结晶”操作中，母液经蒸发浓缩至溶液表面刚出现薄层的结晶为止，冷却结晶，得到铵明矾（含结晶水）．母液不能蒸干的原因是减少可溶性杂质的析出及Al³⁺水解；
（2）反应Ⅶ的化学方程式为：（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=2NH₄HSO₄+H₂O₂；
（3）测定铵明矾组成的方法是：
a．称取90.6g铵明矾样品，高温灼烧，得Al₂O₃残留固体10.2g；
b．称取90.6g铵明矾样品，用适量蒸馏水溶解，再加入稍过量的BaCl₂溶液，经静置、过滤、洗净，得BaSO₄93.2g；
c．称取90.6g样品，加入足量的NaOH溶液，加热，产生气体依次通过碱石灰和浓硫酸，浓硫酸增重3.40g．则铵明矾的化学式为NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O；
（4）有同学认为，第（3）问测定铵明矾组成的方法a、b、c三个试验中，有一个实验不必实施也能推导出铵明矾的化学式，您认为合理吗？若合理，请在下列空格写出不必实施的实验代号（即填上a、b、或c）；若不合理，则在下列空格填上“不合理”，并说明原因．你的结论是a或c；
（5）过硫酸铵[（NH₄）₂S₂O₈]在工业生产中有广泛的用途，可以作为氧化剂和漂白剂，广泛地用于蓄电池工业；还用作聚合的引发剂、纤维工业的脱浆剂．在上述的工艺流程中用惰性电极电解X与反应Ⅵ所得物质的混合溶液可以得到过硫酸铵．写出阳极反应式：2SO₄^2--2e^-=S₂O₈^2-．

Answer 1

分析 铝土矿（主要成分为Al₂O₃和少量的 SiO₂、Fe₂O₃杂质）铝土矿的主要成分是氧化铝，根据题中流程图可知，在反应Ⅲ中通入二氧化碳，而流程最后要得到硫酸盐，所以为了除去杂质，先在铝土矿中加入过量的稀硫酸，得废渣a为SiO₂，滤液中含有Al³⁺、Fe³⁺，所以X为稀硫酸，再加过量的氢氧化钠溶液，生成偏铝酸钠溶液和氢氧化铁沉淀，所以废渣b为氢氧化铁，Y为氢氧化钠，反应Ⅲ为偏铝酸钠溶液与过量二氧化碳反应生成氢氧化铝沉淀和废液，反应Ⅳ为氢氧化铝中加上硫酸可以制得Al₂（SO₄）₃，反应Ⅵ中氨气与硫酸反应生成（NH₄）₂SO₄，反应Ⅴ中（NH₄）₂SO₄转化为铵明矾，电解硫酸和硫酸铵的混合溶液，在阴极上得氢气，阳极上得（NH₄）₂S₂O₈，反应ⅤⅡ为（NH₄）₂S₂O₈与水反应生成双氧水和NH₄HSO₄，据此答题．
（1）由上述分析可知，废渣a为SiO₂，母液不能蒸干的原因是减少可溶性杂质的析出及Al³⁺水解；
（2）反应ⅤⅡ为（NH₄）₂S₂O₈与水反应生成双氧水和NH₄HSO₄；
（3）根据题中数据，计算出铝元素质量、硫酸根离子质量，再根据总质量计算出水的质量，最后计算出铵明矾的化学式；
（4）依据电荷守恒可以计算另一种离子物质的量分析．（3）NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O；
（5）根据电解原理阳极失电子发生氧化反应，SO₄²?失电子生成S₂O₈^2-，结合电荷守恒写出电极反应．

解答 解：（1）由上述分析可知，废渣a为SiO₂，名称为二氧化硅，母液经蒸发浓缩至溶液表面刚出现薄层的结晶为止，冷却结晶，得到铵明矾（含结晶水）．母液不能蒸干的原因是减少可溶性杂质的析出及Al³⁺水解，
故答案为：二氧化硅，减少可溶性杂质的析出及Al³⁺水解
（2）根据元素守恒和题中信息可知，反应ⅤⅡ为（NH₄）₂S₂O₈与水反应生成双氧水和NH₄HSO₄，反应Ⅶ的化学方程式为（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=2NH₄HSO₄+H₂O₂，
故答案为：（NH₄）₂S₂O₈+2H₂O=2NH₄HSO₄+H₂O₂
（3）a．称取90.6g铵明矾样品，高温灼烧，得Al₂O₃残留固体10.20g，氧化铝的物质的量为：$\frac{10.20g}{102g/mol}$=0.1mol，含有0.2mol铝离子，质量为5.4g
b．称取90.6g铵明矾样品，用适量蒸馏水溶解，再加入稍过量的BaCl₂溶液，经陈化、过滤、灰化，得BaSO₄93.2g；硫酸钡的物质的量为：$\frac{93.2g}{233g/mol}$=0.4mol，含有硫酸根离子的物质的量为0.4mol，质量为38.4g，
c．称取90.6g样品，加入足量的NaOH溶液，加热，产生气体依次通过碱石灰和浓硫酸，浓硫酸增重3.40g，浓硫酸增重的质量为氨气质量，氨气的物质的量为：$\frac{3.40g}{17g/mol}$=0.2mol，铵离子的物质的量为0.2mol，质量为3.6g，
90.6g样品中，含有水的质量为：90.6g-5.4-38.4-3.6=43.2g，水的物质的量为：$\frac{43.2g}{18g/mol}$=2.4mol，
n（NH₄⁺）：n（Al³⁺）：n（SO₄^2-））：n（H₂O）=0.2：0.2：0.4：2.4=1：1：2：12，
所以铵明矾的化学式：NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O
故答案为：NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O；
（7）第（3）问测定铵明矾组成的方法a、b、c三个试验中，有一个实验不必实施也能推导出铵明矾的化学式，合理，铵根离子和氯离子只需测定一种，按照电荷守恒计算另一种阳离子的物质的量，所以合理，填a或c，
故答案为：a或c；
（5）根据电解原理阳极失电子发生氧化反应，SO₄²?失电子生成S₂O₈^2-，电极方程式为2SO₄^2--2e^-═S₂O₈^2-，
故答案为：2SO₄^2--2e^-=S₂O₈^2-．

点评 本题考查制备实验方案的设计，为高频考点，侧重考查化学流程的分析、基本操作、电解原理、离子浓度比较、化学反应的判断，把握工艺流程及发生的反应、混合物分离提纯等为解答的关键，题目难度中等，需要学生具备阅读获取信息能力、综合运用知识、信息分析问题解决问题能力．