Question

18．洗煤和选煤过程中排出的煤矸石（主要含Al₂O₃、SiO₂及Fe₂O₃）会占用大片土地，造成环境污染．
某课题组利用煤矸石制备聚合氯化铝流程如下：

已知：聚合氯化铝（[Al₂（OH）_nCl_6-n]_m（1≤n≤5，m≤10），商业代号PAC）是一种新型、高效絮凝剂和净水剂．
（1）酸浸的目的是将煤矸石中的Al₂O₃及Fe₂O₃溶解，与SiO₂分离；实验需要 的500mL3.0mol•L^-1的盐酸，配制时所需要的玻璃仪器除量筒、烧杯、玻璃棒外还有500mL容量瓶、胶头滴管．
（2）若m=n=2，则生成PAC的化学方程式是4AlCl₃+4NH₃•H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4NH₄Cl
（或4AlCl₃+4H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4HCl）．
（3）从含PAC的稀溶液中获得PAC固体的实验操作方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤．
（4）为了分析残渣2中铁元素的含量，某同学称取5.000g残渣2，先将其预处理使铁元素还原为Fe²⁺，并在容量瓶中配制成100mL溶液；然后移取25.00mL试样溶液，用1.000×10^-2 mol•L^-1KmnO₄标准溶液滴定，消耗标准溶液20.00mL．已知反应式为Fe²⁺+MnO₄^-+H⁺-Fe³⁺+Mn²⁺+H₂O（未配平）．判断滴定终点的依据是滴入最后一滴高锰酸钾溶液时，溶液出现紫红色且在半分钟内不褪；残渣2中铁元素的质量分数为4.480%．

Answer 1

分析 煤矸石（主要含Al₂O₃、SiO₂及Fe₂O₃）中加入稀盐酸并加热，发生的反应为Al₂O₃+6HCl=2AlCl₃+3H₂O、Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O，SiO₂不溶于稀盐酸，然后过滤得到的滤渣1中成分为SiO₂，滤液中溶质为AlCl₃、FeCl₃，向滤液中加入适量氨水溶液并加热，发生反应4AlCl₃+4NH₃•H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4NH₄Cl（或4AlCl₃+4H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4HCl）、FeCl₃+3NH₃．H₂O=Fe（OH）₃↓+3NH₄Cl，过滤得到滤渣2为Fe（OH）₃，滤液中成分为[Al₂（OH）₂Cl₄]₂、NH₄Cl，
（1）酸浸的目的是将氧化铝和氧化铁与二氧化硅分离；实验需要的500mL3.0mol•L^-1的盐酸，配制时所需要的玻璃仪器除量筒、烧杯、玻璃棒外还有500mL容量瓶、胶头滴管；
（2）若m=n=2，聚合氯化铝（[Al₂（OH）_nCl_6-n]_m的化学式为聚合氯化铝（[Al₂（OH）₂Cl₄]₂，氯化铝和一水合氨反应生成PAC和氯化铵；
（3）从溶液中获取固体采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤方法；
（4）Fe²⁺+MnO₄^-+H⁺-Fe³⁺+Mn²⁺+H₂O中Fe元素化合价由+2价变为+3价、Mn元素化合价由+7价变为+2价，转移电子数为5，离子反应方程式为5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，根据亚铁离子和高锰酸钾的关系式计算亚铁离子的物质的量，铁元素质量=nM，从而计算其质量分数；滴定终点为滴入最后一滴高锰酸钾溶液时，溶液出现紫红色且在半分钟内不褪．

解答 解：煤矸石（主要含Al₂O₃、SiO₂及Fe₂O₃）中加入稀盐酸并加热，发生的反应为Al₂O₃+6HCl=2AlCl₃+3H₂O、Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O，SiO₂不溶于稀盐酸，然后过滤得到的滤渣1中成分为SiO₂，滤液中溶质为AlCl₃、FeCl₃，向滤液中加入适量氨水溶液并加热，发生反应4AlCl₃+4NH₃•H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4NH₄Cl（或4AlCl₃+4H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4HCl）、FeCl₃+3NH₃．H₂O=Fe（OH）₃↓+3NH₄Cl，过滤得到滤渣2为Fe（OH）₃，滤液中成分为[Al₂（OH）₂Cl₄]₂、NH₄Cl，
（1）氧化铁、氧化铝都溶于稀盐酸，二氧化硅不溶于稀盐酸，所以酸浸的目的是将氧化铝和氧化铁与二氧化硅分离；实验需要的500mL3.0mol•L^-1的盐酸，配制时所需要的玻璃仪器除量筒、烧杯、玻璃棒外还有500mL容量瓶、用于定容的胶头滴管，
故答案为：将煤矸石中的Al₂O₃及Fe₂O₃溶解，与SiO₂分离；
（2）若m=n=2，聚合氯化铝（[Al₂（OH）_nCl_6-n]_m的化学式为聚合氯化铝（[Al₂（OH）₂Cl₄]₂，
氯化铝和一水合氨反应生成PAC和氯化铵，反应方程式为4AlCl₃+4NH₃•H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4NH₄Cl（或4AlCl₃+4H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4HCl），
故答案为：4AlCl₃+4NH₃•H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4NH₄Cl（或4AlCl₃+4H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$[Al₂（OH）₂Cl₄]₂+4HCl）；
（3）从溶液中获取固体采用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤方法，故答案为：蒸发浓缩；冷却结晶；过滤；
（4）Fe²⁺+MnO₄^-+H⁺-Fe³⁺+Mn²⁺+H₂O中Fe元素化合价由+2价变为+3价、Mn元素化合价由+7价变为+2价，转移电子数为5，离子反应方程式为5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，根据亚铁离子和高锰酸钾的关系式得n（Fe²⁺）=$\frac{1.000×1{0}^{-2}mol/L×0.020L}{1}×5$=1×10^-3 mol，100mL溶液中n（Fe²⁺）=1×10^-3 mol×4=4×10^-3 mol，铁元素质量=nM=4×10^-3 mol×56g/mol=0.224g，Fe元素质量分数=$\frac{0.224g}{5.000g}×100%$=4.480%；滴定终点为滴入最后一滴高锰酸钾溶液时，溶液出现紫红色且在半分钟内不褪，
故答案为：滴入最后一滴高锰酸钾溶液时，溶液出现紫红色且在半分钟内不褪；4.480%．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，涉及氧化还原反应及其计算、基本操作、仪器选取等知识点，明确实验原理是解本题关键，知道流程图中发生的反应及基本操作，注意选取容量瓶要注明规格，题目难度中等．