Question

7．现有一包铝热剂是铝粉和氧化铁粉末的混合物，在高温下使之充分反应，将反应后的固体分为两等份，进行如下实验（计算pH时假定溶液体积没有变化，均在常温下测定）：
①向其中一份固体中加入100mL 2.0mol-L^-1的NaOH溶液，加热使其充分反应后过滤，测得滤液的pH=14；
②向另一份固体中加入140mL 4.0mol-L^-1的溶液，使固体全部溶解，测得反应后所得溶液中只有H⁺、Fe²⁺和Al³⁺三种阳离子且pH=0．
（1）实验①所得溶液中含铝元素的离子在溶液中的物质的量浓度为1mol/L．
（2）元铝热剂混合物中氧化铁粉末的质量为9.6g．
（3）实验②产生气体标准状况下的体积为2.688L．

Answer 1

分析 ①反应后溶液显碱性，说明溶液中元素Al都以AlO₂^-形式存在，Fe及其氧化物和碱不反应，则溶液里的物质就是NaAlO₂、NaOH，其中OH^-浓度是1mol/L，则根据钠离子守恒可知，AlO₂^-的物质的量就是0.1mol；
②反应后pH=0，则反应后氢离子的物质的量是0.14mol，由①可知，在第二个反应中Al³⁺的物质的量是0.1mol，氯离子的物质的量是0.56mol，所以亚铁离子的物质的量为：（0.56-0.14-0.1×3）mol÷2=0.06mol；
根据反应式2Al+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+Al₂O₃可知，反应后每一份中单质铁的物质的量是0.06mol，反应后每一份中单质铝的物质的量是：0.1mol-0.06mol=0.04mol，所以Al再和盐酸的反应生成的氢气，据此进行解答．

解答 解：①反应后溶液显碱性，说明溶液中元素Al都以AlO₂^-形式存在，Fe及其氧化物和碱不反应，则溶液里的物质就是NaAlO₂、NaOH，其中OH^-浓度是1mol/L，则根据钠离子守恒可知，AlO₂^-的物质的量就是0.1mol；
②反应后pH=0，则反应后氢离子的物质的量是0.14mol，由①可知，在第二个反应中Al³⁺的物质的量是0.1mol，氯离子的物质的量是0.56mol，所以亚铁离子的物质的量为：（0.56-0.14-0.1×3）mol÷2=0.06mol；
根据反应式2Al+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+Al₂O₃可知，反应后每一份中单质铁的物质的量是0.06mol，反应后每一份中单质铝的物质的量是：0.1mol-0.06mol=0.04mol，所以Al再和盐酸的反应生成的氢气，
（1）反应①中反应后氢氧根离子的物质的量为：1mol/L×0.1L=0.1mol，反应中消耗的氢氧化钠的物质的量为：2mol/L×0.1L-0.1mol=0.1mol，氢氧化钠与铝反应生成偏铝酸钠，则偏铝酸钠的物质的量为0.1mol，偏铝酸根离子浓度为：$\frac{0.1mol}{0.1L}$=1mol/L，
故答案为：1mol/L；
（2）由Fe元素守恒可知，每份铝热剂中n（Fe₂O₃）=$\frac{1}{2}$n（Fe²⁺），故整包铝热剂中n（Fe₂O₃）=0.06mol×$\frac{1}{2}$×2=0.06mol，故整包铝热剂中m（Fe₂O₃）=0.06mol×160g/mol=9.6g，
故答案为：9.6g；
（3）反应后每一份中单质铁的物质的量是0.06mol，反应后每一份中单质铝的物质的量为：0.1mol-0.06mol=0.04mol，Fe、Al再和盐酸的反应生成的氢气，
    2Al～3H₂↑，Fe～H₂↑，
0.04mol 0.06mol 0.06mol 0.06mol
实验②产生气体的体积为：V=nVm=0.06mol×2×22.4L/mol=2.688L，
故答案为：2.688L．

点评 本题考查混合物计算、铝热反应、金属溶于酸碱的有关计算等，该题难度较大题，既要根据电荷守恒，计算离子的浓度，还要判断铝热反应中反应物的过量问题，对学生的思维能力和审题能力都提出了较高的要求．