Question

4．1．某废水中可能含有下列离子中的若干种：Fe³⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Cl^-、CO₃^2-、NO₃^-、SO₄^2-、SiO₃^2-．现进行如下实验：
Ⅰ．取少量溶液，加入KSCN溶液，无明显变化
Ⅱ．另取溶液加入少量盐酸，有无色气体生成，该无色气体遇空气变成红棕色
Ⅲ．向Ⅱ中所得溶液中加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成
Ⅳ．向Ⅱ中所得溶液中加入过量浓氨水，仅有红褪色沉淀生成，过滤，在所得溶液中加入盐酸至酸性时，再加入氢氧化钠溶液，有蓝色沉淀生成
请回答下列问题：
（1）该废水一定含有的离子是Fe²⁺、Cu²⁺、NO₃^-、SO₄^2-；
（2）实验Ⅱ中加入盐酸生成无色气体的离子方程式是3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
（3）过滤除去Ⅳ中的蓝色沉淀，调整溶液的pH为10.7左右时，加入铝粉，反应产生氨气和氮气的体积比为1：4，其离子方程式为Al+NO₃^-+OH^-AlO₂^-+NH₃+N₂+H₂O（未配平）．若除去0.2molNO₃^-，消耗铝9.6g．
2．某混合液中，可能大量含有的离子如表：

阳离子	H+、K+、Al3+、NH4+、Mg2+
阴离子	Cl-、Br-、OH-、CO32-、AlO2-

为探究其成分，某同学将Na₂O₂逐渐加入到上述混合溶液中并微热，产生沉淀和气体的物质的量与加入Na₂O₂的物质的量的关系分别如图所示：
（1）该溶液中一定含有的阳离子是H⁺、Al³⁺、NH₄⁺、Mg²⁺，其对应物质的量浓度之比为2：2：2：3，溶液中一定不存在的阴离子是OH^-、CO₃^2-、AlO₂^-．
（2）请写出沉淀减少的离子方程式Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O．

Answer 1

分析 1．I．取少量溶液，加入KSCN溶液时无明显变化，证明溶液中不含铁离子：
Ⅱ．另取溶液加入盐酸，有无色气体生成，该无色气体遇空气变成红棕色，说明是一氧化氮氧化为二氧化氮，证明原溶液中一定含有NO₃^-和Fe²⁺；则不能有CO₃^2-、SiO₃^2-；
Ⅲ．向Ⅱ中所得溶液中加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，取原溶液加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，证明溶液中有SO₄^2-；
Ⅳ．向Ⅱ中所得溶液中加入过量浓氨水，生成氢氧化铁红褐色沉淀，溶液中没有Al³⁺，过滤，在所得溶液中加入盐酸至酸性时，再加入氢氧化钠溶液，有蓝色沉淀生成，积生成氢氧化铜沉淀，则溶液中含有Cu²⁺；
据此分析；
2．（1）根据生成的沉淀总物质的量最大量为5mol、最终得到3mol可知，最终得到的沉淀为3mol氢氧化镁沉淀，溶解的2mol沉淀为氢氧化铝；根据气体的物质的量最后有增加可知，增加的气体为氨气，溶液中一定存在铵离子；根据开始加入过氧化钠时没有沉淀生成，说明原溶液中存在氢离子，根据题中数据计算出氢离子的物质的量；
（2）沉淀中氢氧化铝沉淀能够与氢氧化钠溶液反应而导致沉淀减少，据此写出反应的离子方程式．

解答 解：1．I．取少量溶液，加入KSCN溶液时无明显变化，证明溶液中不含铁离子：
Ⅱ．另取溶液加入盐酸，有无色气体生成，该无色气体遇空气变成红棕色，说明是一氧化氮氧化为二氧化氮，证明原溶液中一定含有NO₃^-和Fe²⁺；则不能有CO₃^2-、SiO₃^2-；
Ⅲ．向Ⅱ中所得溶液中加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，取原溶液加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，证明溶液中有SO₄^2-；
Ⅳ．向Ⅱ中所得溶液中加入过量浓氨水，生成氢氧化铁红褐色沉淀，溶液中没有Al³⁺，过滤，在所得溶液中加入盐酸至酸性时，再加入氢氧化钠溶液，有蓝色沉淀生成，积生成氢氧化铜沉淀，则溶液中含有Cu²⁺；
（1）综上可知，该废水一定含有的离子是Fe²⁺、Cu²⁺、NO₃^-、SO₄^2-，故答案为：Fe²⁺、Cu²⁺、NO₃^-、SO₄^2-；
（2）取溶液加入盐酸，有无色气体生成，该无色气体遇空气变成红棕色，说明是一氧化氮氧化为二氧化氮，则硝酸与亚铁离子反应生成NO和三价铁离子、水，其离子方程式为：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
故答案为：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
（3）反应产生氨气和氮气的体积比为1：4，则配平方程式为：16Al+9NO₃^-+7OH^-=16AlO₂^-+4N₂↑+NH₃↑+2H₂O；已知0.2molNO₃^-，
 16Al+9NO₃^-+7OH^-=16AlO₂^-+4N₂↑+NH₃↑+2H₂O
 16      9
n（Al） 0.2mol
n（Al）=$\frac{3.2}{9}$mol
则Al的质量为$\frac{3.2}{9}$mol×27 g•mol^-1=9.6g
故答案为：9.6；
2．（1）根据图象中沉淀先增加后部分溶解可知：溶液中一定含有：Mg²⁺和Al³⁺，所以一定不含CO₃^2-、AlO₂^-，并且含有镁离子的物质的量为3mol，氢氧化铝和氢氧化镁沉淀一共是5mol，根据元素守恒，所以含有铝离子的物质的量2mol；
加入8mol过氧化钠会生成4mol氧气，而图象中生成了6mol气体，说明生成的气体除了过氧化钠和溶液反应生成的氧气之外，还一定有2mol其他气体生成，而只能是氨气，所以一定含有2mol铵根离子，所以一定不含有氢氧根离子；图象中加入过氧化钠的物质的量在0～amol之间时，没有沉淀生成，所以溶液中含有H⁺，由于加入8mol过氧化钠时生成的沉淀达到最大量5mol，8mol过氧化钠会生成16mol氢氧化钠，而生成2mol氢氧化铝、3mol氢氧化镁、2mol氨气消耗的氢氧化钠为：2mol×3+3mol×2+2mol=14mol，所以有2mol氢氧化钠与氢离子反应，氢离子的物质的量为2mol；
并且物质的量为2mol，溶液中一定还含有阴离子，可能为氯离子或溴离子，钾离子不能确定是否存在，
根据电荷守恒：所以n（H⁺）+3n（Al³⁺）+n（NH₄⁺）+2n（Mg²⁺）≤2n（SO₄^2-），所以氯离子物质的量≥16mol，即：

离子种类	H+	Al3+	NH4+	Mg2+	Br-或Cl-
物质的量（mol）	2	2	2	3	≥16

所以溶液中一定存在的阳离子为：H⁺、Al³⁺、NH₄⁺、Mg²⁺；含有的阳离子的物质的量之比为：n（H⁺）：n（Al³⁺）：n（NH₄⁺）：n（Mg²⁺）=2：2：2：3；溶液中一定不存在的阴离子为：OH^-、CO₃^2-、AlO₂^-，
故答案为：H⁺、Al³⁺、NH₄⁺、Mg²⁺；2：2：2：3；OH^-、CO₃^2-、AlO₂^-．
（2）生成的沉淀为氢氧化镁和氢氧化铝，其中氢氧化铝能够与氢氧化钠溶液反应，反应的离子方程式为：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，
故答案为：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O．

点评 本题考查了离子检验的实验方法和反应现象分析、离子方程式的书写，掌握离子性质和溶液中电荷守恒计算判断存在的离子是解题关键，题目难度较大．