Question

2．某化学兴趣小组试利用镁铝合金废料制备硫酸铝晶体，并对硫酸铝晶体进行热重分析，其实验流程如下：

（1）在镁铝合金中加入NaOH溶液，发生反应的化学反应方程式为2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，固体B的化学式Al（OH）₃．
（2）操作Ⅱ包含的实验步骤有：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥．
（3）操作Ⅱ中常用无水乙醇对晶体进行洗涤，选用无水乙醇的原因是可以减少晶体的溶解，有利于晶体的干燥．
（4）若初始时称取的镁铝合金废料的质量为9.00g，得到固体A的质量为4.95g，硫酸铝晶体的质量为49.95g（假设每一步的转化率均为100%，合金废料中不含溶于碱的杂质）．计算得硫酸铝晶体的化学式为Al₂（SO₄）₃.18H₂O．
（5）取上述硫酸铝晶体进行热重分析，其热分解主要分为三个阶段：323K～523K，553K～687K，当温度在1043K以上不再失重，其热分解的TG曲线见图，

已知：失重%=$\frac{加热减少的质量}{原晶体样品的总质量}$×100%
根据图示数据计算确定每步分解的产物，写出：
①失重第一阶段分解产物的化学式Al₂（SO₄）₃.3H₂O，
②失重第三阶段反应化学方程式Al₂（SO₄）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3SO₃↑．

Answer 1

分析 向镁铝合金中加入足量氢氧化钠溶液，发生反应：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，镁不反应，固体A为Mg，采用过滤的方法进行分离，向滤液中通入二氧化碳，发生反应：NaAlO₂+CO₂+2H₂O═Al（OH）₃
↓+NaHCO₃，再通过过量进行分离，固体B为氢氧化铝，氢氧化铝与硫酸反应得到硫酸铝溶液，再经过蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、干燥得到硫酸铝晶体；
（1）Al和氢氧化钠溶液生成可溶性的偏铝酸钠，镁不反应；
（2）从溶液中获得晶体，需要经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等操作；
（3）用乙醇洗涤，可以减少晶体的溶解，有利于晶体的干燥；
（4）Al的质量为9g-4.95g=4.05g，设硫酸铝晶体化学式为：Al₂（SO₄）₃．nH₂O，根据Al元素守恒计算硫酸铝晶体的物质的量，再计算硫酸铝晶体的相对分子质量，进而计算n的值，确定化学式；
（5）根据（4）中计算可知，晶体中结晶水的质量分数，低温加热，首先失去结晶水，高温下，最终硫酸铝分解，根据失重%计算判断各阶段分解产物，再书写化学方程式．

解答 解：向镁铝合金中加入足量氢氧化钠溶液，发生反应：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，镁不反应，固体A为Mg，采用过滤的方法进行分离，向滤液中通入二氧化碳，发生反应：NaAlO₂+CO₂+2H₂O═Al（OH）₃
↓+NaHCO₃，再通过过量进行分离，固体B为氢氧化铝，氢氧化铝与硫酸反应得到硫酸铝溶液，再经过蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、干燥得到硫酸铝晶体；
（1）Al和氢氧化钠溶液生成可溶性的偏铝酸钠与氢气，镁不反应，反应方程式为：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑，由上述分析可知，固体B为Al（OH）₃，
故答案为：2Al+2NaOH+2H₂O═2NaAlO₂+3H₂↑；Al（OH）₃；
（2）从溶液中获得晶体，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：冷却结晶、过滤；
（3）用乙醇洗涤，可以减少晶体的溶解，有利于晶体的干燥，
故答案为：可以减少晶体的溶解，有利于晶体的干燥；
（4）Al的质量为9g-4.95g=4.05g，其物质的量为$\frac{4.05g}{27g/mol}$=0.15mol，设硫酸铝晶体化学式为：Al₂（SO₄）₃．nH₂O，根据Al元素守恒，硫酸铝晶体的物质的量为$\frac{0.15mol}{2}$=0.075mol，故硫酸铝晶体的相对分子质量为$\frac{49.95}{0.075}$=666，则54+96×3+18n=666，解得n=18，故该硫酸铝晶体的化学式为：Al₂（SO₄）₃.18H₂O，
故答案为：Al₂（SO₄）₃.18H₂O；
（5）晶体中结晶水的含量为$\frac{18×18}{666}$=48.65%，故第二阶段完全失去结晶水，得到物质为Al₂（SO₄）₃，第一阶段失去部分结晶水，失去结晶水数目为$\frac{666×40.54%}{18}$=15，故第一阶段得到的物质为Al₂（SO₄）₃.3H₂O，
第三阶段剩余物质的相对分子质量为666×（1-84.68%）=102，应是Al₂O₃，故硫酸铝反应生成氧化铝与三氧化硫，反应方程式为：Al₂（SO₄）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3SO₃↑，
故答案为：Al₂（SO₄）₃.3H₂O；Al₂（SO₄）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3SO₃↑．

点评 本题考查实验制备方案、物质分离提纯、方案分析评价、物质组成测定等，是对学生综合能力的考查，注意（5）中充分利用硫酸铝晶体相对分子质量进行计算解答，难度中等．