Question

5．石墨在材料领域有重要应用，某初级石墨中含SiO₂（7.8%）、Al₂O₃（5.1%）、Fe₂O₃（3.1%）和MgO（0.5%）等杂质，设计的提纯与综合利用工艺如图1：

（注：SiCl₄的沸点为57.6℃，金属氯化物的沸点均高于150℃）
（1）向反应器中通入Cl₂前，需通一段时间N₂，主要目的是排出空气，作为保护气，防止石墨被空气中的氧气氧化而损耗．
（2）高温反应后，石墨中氧化物杂质均转变为相应的氯化物，写出由气体II中某物质得到水玻璃的化学反应方程式为SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O．
（3）步骤①为：搅拌、过滤，所得溶液IV中的三种阴离子是Cl^-、AlO₂^-、OH^-．
（4）由溶液IV生成沉淀V的反应的离子方程式为AlO₂^-+CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$HCO₃^-+Al（OH）₃↓，100kg初级石墨最多可获得V的质量为7.8kg．
（5）使用上面提纯得到的石墨电极电解NO可制得 NH₄NO₃酸性溶液，其工作原理如图2所示，
①试写出电解池阴极的电极反应式NO+5e^-+6H⁺═NH₄⁺+H₂O．
②为使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充物质A，A是氨气或氨水，说明理由：根据反应8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，电解产生的HNO₃多．

Answer 1

分析 高温反应后，石墨中氧化物杂质均转变为相应的氯化物，根据杂质的含量可知，气体I中氯化物主要为SiCl₄、AlCl₃、FeCl₃等，气体I中碳氧化物主要为CO，SiCl₄的沸点为57.6℃，金属氯化物的沸点均高于150℃，80℃冷却得到的气体Ⅱ含有SiCl₄及CO，SiCl₄与氢氧化钠溶液反应得到硅酸钠与氯化钠，固体Ⅲ存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂与过量的氢氧化钠溶液反应得到沉淀，而氯化铝与过量的氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠，过滤得到的溶液中含有偏铝酸钠、过量的氢氧化钠，在溶液中通入过量二氧化碳生成氢氧化铝沉淀，过滤得到沉淀为氢氧化铝，据此答题．
（1）石墨化学性质在常温下稳定，而在高温下可与氧气发生反应，所以通入氮气排尽装置中的空气，防止石墨发生氧化反应；
（2）高温反应后，石墨中氧化物杂质均转变为相应的氯化物，根据杂质的含量可知，气体I中氯化物主要为SiCl₄、AlCl₃、FeCl₃等，气体I中碳氧化物主要为CO，SiCl₄的沸点为57.6℃，金属氯化物的沸点均高于150℃，80℃冷却得到的气体Ⅱ含有SiCl₄及CO，SiCl₄与氢氧化钠溶液反应得到硅酸钠与氯化钠；
（3）金属氯化物的沸点均高于150℃，则固体Ⅲ中存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂与过量的氢氧化钠溶液反应得到沉淀，而氯化铝与过量的氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠，过滤得到的溶液中含有偏铝酸钠、过量的氢氧化钠；
（4）偏铝酸钠发生水解，加入乙酸乙酯除去过量的氢氧化钠，且加热条件下水解平衡一直正向移动，得到氢氧化铝沉淀、醋酸钠、乙醇；
根据氧化铝的含量计算氧化铝质量，再根据Al元素守恒计算氢氧化铝的质量；
（5）工业上电解NO制备 NH₄NO₃，由装置图可知阳极发生氧化反应，NO被氧化生成NO₃^-，阴极发生还原反应，NO被还原生成NH₄⁺，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，结合电极方程式解答该题．

解答 解：（1）石墨化学性质在常温下稳定，而在高温下可与氧气发生反应，所以通入氮气排尽装置中的空气，防止石墨发生氧化反应，减少石墨损失，
故答案为：排除装置中的空气；
（2）石墨过量高温反应后，石墨中氧化物杂质均转变为相应的氯化物，根据杂质的含量可知，气体I中氯化物主要为SiCl₄、AlCl₃、FeCl₃等，气体I中碳氧化物主要为CO，SiCl₄的沸点为57.6℃，金属氯化物的沸点均高于150℃，80℃冷却得到的气体Ⅱ含有SiCl₄及CO，SiCl₄与氢氧化钠溶液反应得到硅酸钠与氯化钠，化学反应方程式为：SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O，
故答案为：CO；SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O；
（3）金属氯化物的沸点均高于150℃，则固体Ⅲ中存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂与过量的氢氧化钠溶液反应得到沉淀，而氯化铝与过量的氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠，搅拌、过滤得到溶液IV，故溶液IV中的阴离子有：AlO₂^-、OH^-、Cl^-，
故答案为：过滤；AlO₂^-、OH^-、Cl^-；
（4）偏铝酸钠发生水解，加入乙酸乙酯除去过量的氢氧化钠，且加热条件下水解平衡一直正向移动，得到氢氧化铝沉淀、醋酸钠、乙醇，由溶液IV生成沉淀V的总反应的离子方程式为AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓，
Al₂O₃的质量分数为5.1%，则100kg初级石墨中氧化铝的质量=100kg×5.1%=5.1kg，根据Al元素守恒，可知氢氧化铝的质量为 $\frac{5.1kg×\frac{54}{102}}{\frac{27}{78}}$=7.8kg，
故答案为：AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓；7.8．
（5）电解NO制备NH₄NO₃，阳极反应为NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，阴极反应为：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，从两极反应可看出，要使得失电子守恒，阳极产生的NO₃^-的物质的量大于阴极产生的NH₄⁺的物质的量，总反应方程式为：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使电解产物全部转化为NH₄NO₃，需补充NH₃，
故答案为：NO+5e^-+6H⁺═NH₄⁺+H₂O；氨气或氨水，根据反应8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，电解产生的HNO₃多．

点评 本题考查混合物分离提纯的综合应用，为高频考点，把握物质的性质、流程中的反应及混合物分离方法为解答的关键，侧重分析与实验能力的考查，题目难度不大．