Question

15．铝是人类生活中继铜、铁之后又一个重要的金属．工业上冶炼金属铝的原料来源于自然界中重要的矿物质钒土（主要成分：Al₂O₃；还有SiO₂、Fe₂O₃、FeCO₃、MgCO₃等杂质）．从钒土中提取得到Al₂O₃的工艺流程如图所示：

请回答下列问题：
（1）固体A所含物质的化学式（或分子式）是Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂．
（2）写出溶液A与气体B反应的离子方程式CO₂+OH^-_{_}═HCO₃^-，AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-．
（3）工业冶炼金属铝通常用石墨碳块作电解槽的阳极，请你根据电解原理解释电解冶炼铝过程中，需要定期补充阳极碳块的原因电解冶炼铝的阳极产物为O₂气，在高温条件下，O₂气与阳极碳发生反应消耗阳极碳块．
（4）Al₂O₃的熔点很高，因而在工业冶炼时，需将Al₂O₃的熔于熔化的冰晶石（Na₃AlF₆）中进行电解．有一位同学查阅资料发现，AlCl₃的熔点很低．他提出：可通过电解熔融状态的AlCl₃制取金属铝．你认为他提出的方案是否可行？为什么？不可行，AlCl₃是共价化合物，受热时AlCl₃易升华．
（5）另一位同学分析了“从钒土中提取Al₂O₃的工艺流程”后指出：可以从“溶液B”中分离得到另一个重要的化工产品--小苏打．根据这位同学的想法，如果不考虑生产过程的损耗，请你计算每生产10.0t金属铝，理论上可得到小苏打产品最少31.1t．

Answer 1

分析 钒土主要成分是Al₂O₃，还有SiO₂、Fe₂O₃、FeCO₃、MgCO₃等杂质，除SiO₂不反应外，与盐酸反应生成的金属阳离子有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺等，这些金属阳离子再与足量氢氧化钠反应后生成的可溶物为NaAlO₂，不溶物固体A为Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂，溶液A为NaAlO₂溶液和氢氧化钠溶液的混合物，溶液中通入足量B为二氧化碳气体，二氧化碳和氢氧化钠反应生成碳酸氢钠，二氧化碳和偏氯酸钠溶液反应生成氢氧化铝和碳酸氢钠，过滤得到固体B为氢氧化铝，溶液B为碳酸氢钠溶液，固体B受热分解生成氧化铝，
（1）矾土与稀盐酸反应生成金属阳离子后，再和氢氧化钠反应生成的沉淀就是固体A为Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂；
（2）溶液A的溶质就是矾土与稀盐酸反应生成金属阳离子铝离子后，再和氢氧化钠反应生成的可溶性物质溶液A中含有AlO₂^-；
（3）电解时阳极上氧离子失电子生成氧气，氧气在高温时会氧化碳块，使碳块消耗；
（4）AlCl₃是共价化合物，在熔融状态下不能电离出离子，不导电，不能用来电解；
（5）根据Al元素质量守恒，AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，结合定量关系Al～AlO₂^-～HCO₃^-计算碳酸氢钠质量．

解答 解：（1）钒土主要成分是Al₂O₃，还有SiO₂、Fe₂O₃、FeCO₃、MgCO₃等杂质，除SiO₂不反应外，与盐酸反应生成的金属阳离子有Al³⁺、Fe³⁺、Fe²⁺、Mg²⁺等，这些金属阳离子再与足量氢氧化钠反应后生成的溶液A为NaAlO₂溶液和氢氧化钠溶液的混合溶液，不溶物固体A为Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂，
故答案为：Fe（OH）₂、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂；
（2）由分析可知溶液A主要为NaAlO₂溶液和剩余的氢氧化钠溶液，通入二氧化碳气体首先和氢氧化钠反应生成碳酸氢钠，反应的离子方程式为：CO₂+OH^-═HCO₃^-，二氧化碳和NaAlO₂溶液反应生成氢氧化铝程度和碳酸氢钠溶液，反应的离子方程式为：AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，
故答案为：CO₂+OH^-═HCO₃^-、AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-；
（3）电解时阳极上氧离子失电子生成氧气，氧气在高温条件下会氧化碳块，使碳块消耗，所以需要定期补充阳极碳块，
故答案为：电解冶炼铝的阳极产物为O₂，在高温条件下，O₂与阳极碳发生反应消耗阳极碳块；
（4）AlCl₃是共价化合物，受热时AlCl₃易升华，在熔融状态下不导电，不能用来电解，工业上是利用氧化铝为离子化合物，在熔融状态下可导电，可以用来电解制备铝，
故答案为：不可行；AlCl₃是共价化合物，受热时AlCl₃易升华，熔融状态的AlCl₃不导电；
（5）根据Al元素质量守恒，AlO₂^-+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，结合定量关系Al～AlO₂^-～HCO₃^-计算，
每生产10.0t金属铝，理论上可得到小苏打产品的质量最少为x，
  Al～AlO₂^-～NaHCO₃，
  27          84
 10.0t        x
x=31.1t
故答案为：最少31.1；

点评 本题为生产工艺流程题，涉及电解、计算等问题，题目较为综合，做题时注意仔细审题，从题目中获取关键信息．题目难度较大．