Question

17．铝是重要的金属材料，铝土矿（主要成分是Al₂O₃和少量的SiO₂、Fe₂O₃杂质）是工业上制取铝的原料．实验室模拟工业上以铝土矿为原料制取Al₂（SO₄）₃和铵明矾晶体[NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O]的工艺流程如图所示：

请回答下列问题：
（1）固体a的化学式为SiO₂．
（2）由图中Ⅴ制取铵明矾溶液的化学方程式为Al₂O₃+4H₂SO₄+2NH₃═2NH₄Al（SO₄）₂+3H₂O，从铵明矾溶液中获得铵明矾晶体的实验操作依次为（填操作名称）蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤．
（3）以1 000kg含氧化铝36%的铝土矿为原料制取Al₂（SO₄）₃，需消耗质量分数为98%的硫酸（密度1.84g•cm^-3）575.4L（保留一位小数）．
（4）若同时制取铵明矾和硫酸铝，通过控制硫酸的用量调节两种产品的产量．若欲使制得的铵明矾和硫酸铝的物质的量之比为1：1，则投料时铝土矿中的Al₂O₃和H₂SO₄的物质的量之比为3：10．

Answer 1

分析 铝土矿用盐酸溶解，Al₂O₃、Fe₂O₃反应得到AlCl₃、FeCl₃，SiO₂不与盐酸反应，过滤得到固体a为SiO₂，滤液中含有AlCl₃、FeCl₃及剩余的HCl，再加入过量的烧碱，反应得到氢氧化铁沉淀、偏铝酸钠、氯化钠，过滤，红褐色沉淀b为氢氧化铁，溶液中含有偏铝酸钠、氯化钠及剩余的NaOH，通入过量的二氧化碳，反应生成氢氧化铝沉淀与碳酸氢钠，过滤，滤液c中含有氯化钠、碳酸氢钠，将沉淀加热分解得到氧化铝，用硫酸溶解得到硫酸铝溶液，再通入氨气，得到铵明矾溶液，最后经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作得到铵明矾晶体．
（3）根据Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O计算消耗溶质硫酸的质量，再计算需要硫酸溶液的质量，根据V=$\frac{m}{ρ}$计算硫酸溶液的体积；
（4）设制得的Al₂（SO₄）₃和NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O的物质的量都是1 mol，根据Al³⁺和SO₄^2-守恒计算．

解答 解：铝土矿用盐酸溶解，Al₂O₃、Fe₂O₃反应得到AlCl₃、FeCl₃，SiO₂不与盐酸反应，过滤得到固体a为SiO₂，滤液中含有AlCl₃、FeCl₃及剩余的HCl，再加入过量的烧碱，反应得到氢氧化铁沉淀、偏铝酸钠、氯化钠，过滤，红褐色沉淀b为氢氧化铁，溶液中含有偏铝酸钠、氯化钠及剩余的NaOH，通入过量的二氧化碳，反应生成氢氧化铝沉淀与碳酸氢钠，过滤，滤液c中含有氯化钠、碳酸氢钠，将沉淀加热分解得到氧化铝，用硫酸溶解得到硫酸铝溶液，再通入氨气，得到铵明矾溶液，最后经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作得到铵明矾晶体．
（1）由上述分析可知，固体a的化学式为SiO₂，故答案为：SiO₂；
（2）由图中Ⅴ制取铵明矾溶液的化学方程式为：Al₂O₃+4H₂SO₄+2NH₃═2NH₄Al（SO₄）₂+3H₂O，从铵明矾溶液中获得铵明矾晶体的实验操作依次为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤，
故答案为：Al₂O₃+4H₂SO₄+2NH₃═2NH₄Al（SO₄）₂+3H₂O；蒸发浓缩；
（3）m（Al₂O₃）=1 000 kg×36%=360 Kg，
Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O
102   294
360Kg m（H₂SO₄）
故m（H₂SO₄）=$\frac{294×360Kg}{102}$=1037.6 Kg，
需消耗质量分数98%的硫酸（密度1.84 g•cm^-3）为=$\frac{1037.6Kg÷98%}{18400kg/L}$=575.4 L，
故答案为：575.4；
（4）设制得的Al₂（SO₄）₃和NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O的物质的量都是1 mol，则Al³⁺共3 mol，SO₄^2-共5 mol，根据Al³⁺和SO₄^2-守恒可得，加入Al₂O₃和H₂SO₄的物质的量之比为$\frac{3}{2}$：5=3：10，故答案为：3：10．

点评 本题考查化学工艺流程、物质的分离提纯、化学计算等，需要学生具备综合运用知识分析问题解决问题能力，难度中等．