Question

8．明矾石经处理后得到明矾[KAl（SO₄）₂•12H₂O]．从明矾制备Al、K₂SO₄和H₂SO₄的工艺过程如图1所示：
焙烧明矾的化学方程式为：4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O，请回答下列问题：
（1）在焙烧明矾的反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比是1：1．
（2）写出冶炼Al的化学方程式：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$4Al+3O₂↑．
（3）写出明矾水溶液中离子浓度由大到小的关系：c（SO₄^2-）＞c（K⁺）＞c（Al³⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）．
（4）Al₂O₃在一定条件下可制得AlN，其晶体结构如图2所示，该晶体中Al的杂化轨道方式是sp³，N原子的配位数是4
（5）以Al和NiO（OH）为电极，NaOH溶液为电解液组成一种新型电池，放电时NiO（OH）转化为Ni（OH）₂．请写出：
①放电时负极反应式：Al-3e^-+4OH^-=AlO-2+2H₂O．②若将该电池充电，充电时阳极反应式为：Ni（OH）₂-e^-+OH^-=NiO（OH）+H₂O．
（6）焙烧产生的SO₂可用于制硫酸．已知25℃、101kPa时：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H₁=-197kJ/mol；H₂O（g）=H₂O（1）△H₂=-44kJ/mol；2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（g）=2H₂SO₄（l）△H₂=-545kJ/mol．则SO₃（g）与H₂O（l）反应的热化学方程式是：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130kJ/mol．焙烧948t明矾（M=474g/mol ），SO₂ 的利用率为96%，可生产质量分数为98%的浓硫酸432t．

Answer 1

分析 （1）依据化学方程式中元素化合价变化分析判断，元素化合价升高的做还原剂发生氧化反应，化合价降低做氧化剂，发生还原反应；
（2）用电解熔融的三氧化二铝制得铝；
（3）明矾是强酸弱碱盐，水解溶液呈酸性，二元微粒离子浓度＞一元不水解的离子浓度＞一元水解的离子浓度＞显性离子＞隐性离子；
（4）由图可知一个铝与4个氮原子成键，所以晶体中Al的杂化轨道方式为sp³，依据晶体晶胞结构分析，结合配位数含义可知，每个氮原子和四个铝原子相连，所以氮原子的配位数为4；
（5）①以Al和NiO（OH）为电极，铝做原电池 负极失电子发生氧化反应，NiO（OH）得到电子发生还原反应，结合原子守恒和电子守恒写出反应化学方程式；
②充电时阳极反应式是放电时正极的逆过程；
（6）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；依据硫元素守恒计算得到．

解答 解；（1）4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O反应硫单质中硫元素化合价升高为+4价．硫酸根离子中硫元素化合价从+6价变化为+4价，复印纸还原剂是硫单质，而氧化剂是6mol的硫酸根离子，即3mol的4KAl（SO₄）₂•12H₂O，所以氧化剂和还原剂的物质的量之比为1：1，故答案为：1：1；
（2）用电解熔融的三氧化二铝制得铝，方程式为：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$4Al+3O₂↑，故答案为：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$4Al+3O₂↑；
（3）明矾是强酸弱碱盐，水解溶液呈酸性，所以离子浓度大小顺序为：c（SO₄^2-）＞c（K⁺）＞c（Al³⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-），故答案为：c（SO₄^2-）＞c（K⁺）＞c（Al³⁺）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；
（4）由图可知一个铝与4个氮原子成键，所以晶体中Al的杂化轨道方式为sp³，依据晶体晶胞结构分析，结合配位数含义可知，每个氮原子和四个铝原子相连，所以氮原子的配位数为4，故答案为：sp³； 4；
（5）①以Al和NiO（OH）为电极，铝做原电池 负极失电子发生氧化反应，电极反应式为：Al-3e^-+4OH^-=AlO₂-+2H₂O；正极NiO（OH）得到电子发生还原反应，所以阳极反应为：Ni（OH）₂-e^-+OH^-=NiO（OH）+H₂O，故答案为：①Al-3e^-+4OH^-=AlO-2+2H₂O②Ni（OH）₂-e^-+OH^-=NiO（OH）+H₂O；
（6）2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H₁=一197kJ/mol；          ①
2H₂O（g）=2H₂O（1）△H₂=一44kJ/mol；                        ②
2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（g）=2H₂SO₄（l）△H₃=一545kJ/mol．    ③
依据盖斯定律③-①-②得到：2SO₃（g）+2H₂O（l）=2H₂SO₄（l）△H=-304KJ/mol，
即反应的热化学方程式为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130KJ/mol；
948 t明矾生成SO₂物质的量为4500mol 故生成硫酸的质量m=4500×0.96×98÷0.98=432000Kg=432t．
故答案为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130 kJ/mol；432．

点评 本题考查了氧化还原反应概念分析判断，晶体结构的理解分析，原电池反应的实质应用，热化学方程式和盖斯定律的计算，元素守恒的计算应用，题目难度中等．