Question

3．从明矾[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制备Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程如下：

已知：明矾焙烧的化学方程式为：4[KAl（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，氧化产物与还原产物的物质的量之比为：1：2．
（2）步骤②中，为提高浸出率，可采取的措施有AC．
A．粉碎固体混合物　　B．降低温度      C．不断搅拌　D．缩短浸泡时间
（3）明矾焙烧完全后，从步骤②的滤液中得到K₂SO₄晶体的方法是蒸发结晶．
（4）步骤③电解的化学方程式是2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃电解}$4Al+3O₂↑，电解池的电极是用碳素材料做成，电解过程中，阳极材料需要定期更换，原因是：阳极中碳被氧化成CO₂（CO）．
（5）以Al和NiO（OH）为电极，NaOH溶液为电解液组成一种新型电池，放电时NiO（OH）转化为Ni（OH）₂，则该电池的正极电极反应式是NiO（OH）+H₂O+e^-=Ni（OH）₂+OH^-．
（6）焙烧a吨明矾（摩尔质量为b g/mol），若SO₂ 的转化率为96%，可生产质量分数为98%的H₂SO₄质量为$\frac{a×1{0}^{6}g/t}{bg/mol}$=$\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}$=$\frac{216a}{b}$吨（列出计算表达式）．

Answer 1

分析 从明矾[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制备Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程：过程①明矾和硫焙烧，4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，气体二氧化硫与氧气在五氧化二矾作催化剂的作用下生成三氧化硫，三氧化硫用98.3%的浓硫酸吸收，SO₃+H₂O=H₂SO₄，制得硫酸；过程②焙烧所得固体混合物，用水浸，为提高浸出率，可采取粉碎固体混合物、不断搅拌，从水浸后的滤液中蒸发结晶得到K₂SO₄晶体，步骤③电解Al₂O₃，制得Al．
（1）依据化学方程式中元素化合价变化分析判断，元素化合价降低的做氧化剂，元素化合价升高的做还原剂，氧化剂发生还原反应后的产物为还原产物，还原剂发生氧化反应后的产物为氧化产物，根据电子转移守恒，判断反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比；
（2）矿石的颗粒大小、温度及是否搅拌等会影响浸取率；
（3）从水浸后的滤液中得到K₂SO₄晶体运用蒸发溶剂水的方法得到；
（4）步骤③电解Al₂O₃，制得Al，阳极材料需要定期地进行更换，原因是该极材料不断被消耗；
（5）放电时NiO（OH）转化为Ni（OH）₂，Ni元素化合价降低，被还原，应为原电池正极反应；
（6）依据硫元素守恒计算得到．

解答 解：（1）明矾焙烧的化学方程式为：4[KAl（SO₄）₂•12H₂O]+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O反应中，硫单质硫元素化合价0价，升高到SO₂中为+4价，则S为还原剂，被氧化（1个硫转移4个电子），SO₂为氧化产物，硫酸根离子中硫元素化合价从+6价变化为SO₂中+4价，KAl（SO₄）₂•12H₂O为氧化剂，被还原（1个硫转移2个电子），SO₂为还原产物，根据电子转移守恒，被氧化的S和被还原的S的物质的量之比1：2，氧化产物与还原产物的物质的量之比为1：2；
故答案为：1：2；
（2）由于酸浸时矿石颗粒大小影响浸取率，可以通过粉碎矿石提高浸取率，还可以适当升高温度或者搅拌提高浸取率，
故答案为：AC；
（3）从水浸后的滤液中得到K₂SO₄晶体运用蒸发结晶的方法得到，需要蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，
故答案为：蒸发结晶；
（4）电解熔融氧化铝，阳极氯离子放电生成氯气，阴极是铝离子放电生成铝，反应的化学方程式为2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃电解}$4Al+3O₂↑，在冶炼过程中，阳极材料碳被氧气氧化成一氧化碳，反应为C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO₂或2C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO，所以需定期地进行更换，
故答案为：2Al₂O₃$\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃电解}$4Al+3O₂↑；阳极中碳被氧化成CO₂（CO）；
（5）放电时NiO（OH）转化为Ni（OH）₂，Ni元素化合价降低，被还原，应为原电池正极反应，电极方程式为NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-，
故答案为：NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-；
（6）焙烧a吨明矾（摩尔质量为b g/mol），4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，生成SO₂物质的量为$\frac{a×1{0}^{6}g}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$，SO₂ 的转化率为96%，物质的量为$\frac{a×1{0}^{6}g}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$×96%，可生产质量分数为98%的H₂SO₄质量为$\frac{a×1{0}^{6}g/t}{bg/mol}$=$\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}$=$\frac{216a}{b}$，
故答案为：$\frac{a×1{0}^{6}g/t}{bg/mol}$=$\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}$=$\frac{216a}{b}$．

点评 本题以铝的化合物为载体考查了物质间的反应、物质的分离和提纯等知识点，明确物质之间的反应是解本题关键，再结合原子守恒来分析解答，这种综合性较强的题型是高考热点，需利用基础知识细心分析解答，题目难度中等．