Question

18．某地煤矸石经预处理后含SiO₂（ 63%）、Al₂O₃（ 25%）、Fe₂O₃（5%）及少量钙镁的化合物等，一种综合利用煤矸石的工艺流程如图所示．

（1）写出“酸浸”过程中主要反应的离子方程式（任写一个）：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O或Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O．
（2）物质X足量时，“转化”过程中发生反应的有关离子方程式为AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，OH^-+CO₂=HCO₃^-．
（3）已知Fe³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为2.1和3.7，A1³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为4.1和5.4．为了获得Al（ OH）₃产品，从煤矸石的盐酸浸取液开始，若只用CaCO₃一种试剂，后续的操作过程是加入CaCO₃调节pH到3.2，过滤除去Fe（OH）₃，然后再加入cacO，调节pHCaCO₃若只Ph到5.4，过滤得到Al（ OH）₃．
（4）以煤矸石为原料还可以开发其他产品，例如在煤矸石的盐酸浸取液除铁后，常温下向    A1Cl₃饱和溶液中不断通入HC1气体，可析出大量A1Cl₃•6H₂O晶体．结合化学平衡移动原理解释析出晶体的原因：AlCl₃饱和溶液中存在溶解平衡AlCl₃•6H₂O（s）?Al³⁺（aq）+3Cl^-（aq）+6H₂O（l），通入HCl气体使溶液中c（Cl^-）增大，平衡向析出固体的方向移动从而析出AlCl₃晶体．
（5）工业上电解冶炼铝的原料用Al₂O₃而不用A1Cl₃其原因是A1Cl₃是共价化合物，熔融时不能导电．电解Al₂O₃冶炼铝时，阳极材料是石墨或碳，阳极需要定期更换，其原因是电极材料碳和电解过程中生成的氧气发生反应使电极损耗．

Answer 1

分析 含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量钙镁的化合物用盐酸酸浸发生的反应为：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；则过滤的溶液为氯化铁和氯化铝的溶液，加碳酸钙消耗溶液中的氢离子使三价铁离子、三价铝离子都水解生成氢氧化铁、氢氧化铝的沉淀，所以再加入氢氧化钠，只要氢氧化铝溶解反应为：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液为偏铝酸钠溶液再通入二氧化碳进一步反应又生成氢氧化铝；
（1）能和酸反应的物质有氧化铝和氧化铁；
（2）根据碳酸钙和溶液中的氢离子反应生成二氧化碳，过量二氧化碳通入偏铝酸钠溶液中反应生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，二氧化碳和碱反应生成碳酸氢根离子；
（3）加入CaCO₃调节溶液的pH除去氢氧化铁；
（4）氯化铝溶液中水解显酸性，加入盐酸中氯化氢抑制氯化铝水解；
（5）氯化铝是共价化合物熔融时不能产生自由移动的离子，所以不能导电，电极材料选择惰性电极石墨，电极氧化铝制备铝，阳极是氧离子失电子发生氧化反应，生成的氧气会和电极材料碳发生反应．

解答 解：含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量钙镁的化合物用盐酸酸浸发生的反应为：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；则过滤的溶液为氯化铁和氯化铝的溶液，加碳酸钙消耗溶液中的氢离子使三价铁离子、三价铝离子都水解生成氢氧化铁、氢氧化铝的沉淀，所以再加入氢氧化钠，只要氢氧化铝溶解反应为：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液为偏铝酸钠溶液再通入二氧化碳进一步反应又生成氢氧化铝；
（1）氧化铝和氧化铁都能和盐酸反应生成盐和水，反应方程式分别是：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O、Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O，
故答案为：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O或Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；
（2）氯化铝和氯化铁水解都生成盐酸，碳酸钙和盐酸反应生成氯化钙和二氧化碳，所以物质X是二氧化碳，过量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，过量的二氧化碳和碱反应生成碳酸氢盐，反应的离子方程式为：AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，OH^-+CO₂=HCO₃^-；
故答案为：AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，OH^-+CO₂=HCO₃^-；
（3）Fe³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为2.1和3.2，Al³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为4.1和5.4，要使铁离子完全沉淀而铝离子不沉淀，则溶液的PH应该为3.2，过滤氢氧化铝沉淀时调节溶液pH为5.4，以使氢氧化铝完全沉淀，
故答案为：加入CaCO₃调节pH到3.2，过滤除去Fe（OH）₃；
（4）氯化铝在溶液中存在溶解平衡，AlCl₃•6H₂O（s）?Al³⁺（aq）+3Cl^-（aq）+6H₂O（l），通入氯化氢后溶液中氯离子浓度增大，抑制氯化铝溶解，所以促进氯化铝晶体析出；
故答案为：AlCl₃饱和溶液中存在溶解平衡AlCl₃•6H₂O（s）?Al³⁺（aq）+3Cl^-（aq）+6H₂O（l），通入HCl气体使溶液中c（Cl^-）增大，平衡向析出固体的方向移动从而析出AlCl₃晶体；
（5）氯化铝是共价化合物熔融时不能产生自由移动的离子，所以不能导电，电极材料选择惰性电极石墨，电极熔融氧化铝制备铝，阳极是氧离子失电子发生氧化反应生成氧气，生成的氧气在高温下会和电极材料碳发生反应，电极损耗，需要定期更换；
故答案为：AlCl₃是共价化合物，熔融时不能导电；石墨或碳；电极材料碳和电解过程中生成的氧气发生反应使电极损耗．

点评 本题以工艺流程为载体考查了溶解平衡原理、物质间的反应、除杂、电解原理分析判断、盐类水解的影响因素等知识点，这种题型是高考常考题型，综合性较强，涉及知识面较广，用教材基础知识采用知识迁移的方法分析解答，难度中等．