Question

6．为探索工业废料的再利用，某化学兴趣小组设计了如图1实验流程，用含有铝、铁和铜的合金废料制取氯化铝、绿矾晶体（FeSO₄•7H₂O）和胆矾晶体请回答：
（1）写出步骤Ⅰ反应的离子方程式：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（2）试剂X是稀硫酸．步骤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中均需进行的实验操作是过滤．
（3）进行步骤Ⅱ时，该小组用如图2所示装置及试剂制取CO₂并将制得的气体通入溶液A中．一段时间后，观察到烧杯中产生的白色沉淀会逐渐减少．为了避免固体C减少，可采取的改进措施是在a、b之间添加盛放饱和NaHCO₃溶液的洗气瓶．
（4）由溶液E到绿矾晶体（FeSO₄•7H₂O），所需操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥．
（5）用固体F制备CuSO₄溶液，可设计如图3三种途径：写出途径①中反应的离子方程式3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，请选出你认为的最佳途径并说明选择的理由途径②最佳，理由是原料利用率高，环境污染小．

Answer 1

分析 铝、铁和铜的合金中只有金属铝可以和氢氧化钠反应，过滤后，得到溶液A含有NaAlO₂，固体B为Cu和Fe．溶液A中通入过量的二氧化碳可以得到氢氧化铝沉淀与碳酸氢钠，过滤分离，得到C为Al（OH）₃，D为NaHCO₃溶液，C和碳酸氢钠溶液D．固体B用试剂X反应，过滤分离得到溶液E，溶液E蒸发浓缩、冷却结晶可以获得绿矾晶体，可知试剂X为稀硫酸，E为FeSO₄，F为Cu，Cu转化得到硫酸铜，CuSO₄溶液蒸发浓缩、冷却结晶可以获得胆矾晶体．
（1）步骤Ⅰ中铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠与氢气；
（3）盐酸具有挥发性，挥发出的HCl导致氢氧化铝溶液，用饱和NaHCO₃溶液除去；
（4）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；
（5）途径①中Cu与混酸反应生成铜盐、NO与水；根据消耗原料用量、产物对环境污染分析判断．

解答 解：铝、铁和铜的合金中只有金属铝可以和氢氧化钠反应，过滤后，得到溶液A含有NaAlO₂，固体B为Cu和Fe．溶液A中通入过量的二氧化碳可以得到氢氧化铝沉淀与碳酸氢钠，过滤分离，得到C为Al（OH）₃，D为NaHCO₃溶液，C和碳酸氢钠溶液D．固体B用试剂X反应，过滤分离得到溶液E，溶液E蒸发浓缩、冷却结晶可以获得绿矾晶体，可知试剂X为稀硫酸，E为FeSO₄，F为Cu，Cu转化得到硫酸铜，CuSO₄溶液蒸发浓缩、冷却结晶可以获得胆矾晶体．
（1）步骤Ⅰ中铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠与氢气，反应离子方程式为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，
故答案为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（2）由上述分析可知，试剂X为稀硫酸，步骤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均是固体和液体的分离操作，应该是过滤，故答案为：稀硫酸；过滤；
（3）盐酸具有挥发性，挥发出的HCl导致氢氧化铝溶液，应在a、b之间添加盛放饱和NaHCO₃溶液的洗气瓶，除去二氧化碳中的HCl，
故答案为：在a、b之间添加盛放饱和NaHCO₃溶液的洗气瓶；
（4）从硫酸铜溶液中获得晶体，需要经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等操作，故答案为：蒸发浓缩；冷却结晶；过滤；
（5）途径①中Cu与混酸反应生成铜盐、NO与水，反应离子方程式为：3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；
途径①产生NO，途径③中会生成二氧化硫，NO、二氧化硫均污染空气，铜不能和稀硫酸反应，但是当加热并通入空气之后，铜和氧气反应生成氧化铜，然后氧化铜会和硫酸反应生成硫酸铜，不会产生污染大气的气体，该过程原料利用率高，所以途径②最佳，
故答案为：3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；途径②最佳，理由是原料利用率高，环境污染小．

点评 本题考查实验制备方案、物质的分离和提纯、对方案的分析评价等，关键是理解工艺流程原理，是对学生综合能力的考查，题目难度中等．