Question

10．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铵明矾晶体[NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O]的工艺流程如图1所示：

请回答下列问题：
（1）固体a的化学式为SiO₂，固体b化学式为Fe（OH）₃，Ⅲ中通入足量CO₂气体发生反应的离子方程式为AlO₂^-+CO₂+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓．
（2）由Ⅴ制取铵明矾溶液的化学方程式为Al₂O₃+4H₂SO₄+2NH₃═2NH₄Al（SO₄）₂+3H₂O．
（3）由I→II→III→IV都要用到的分离方法是过滤，由铵明矾溶液中制铵明矾晶体的操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤．
（4）如果先向铝土矿加入过量氢氧化钠，再加入过量盐酸，此时首先出现的固体a是Fe₂O₃．
（5）向10gFe₂O₃、SiO₂和Al₂O₃的混合物中，加入100ml稀硫酸，过滤后，向滤液中加入10mol/L NaOH溶液，产生沉淀的质量和加入NaOH溶液体积的关系曲线如图2所示．则混合物中三氧化二铝的质量分数为51%．

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，以此解答该题．

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）由以上分析可知a为SiO₂，b为Fe（OH）₃，Ⅲ中通入足量CO₂气体发生反应的离子方程式为AlO₂^-+CO₂+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓，
故答案为：SiO₂；Fe（OH）₃；AlO₂^-+CO₂+2H₂O═HCO₃^-+Al（OH）₃↓；
（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，
故答案为：Al₂O₃+4H₂SO₄+2NH₃═2NH₄Al（SO₄）₂+3H₂O；
（3）I→II→III→IV都存在固体和液体的分离，应用过滤的方法，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：过滤；蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤；
（4）如果先向铝土矿加入过量氢氧化钠，因氧化铁与氢氧化钠不反应，则首先出现的固体a为Fe₂O₃，故答案为：Fe₂O₃；
（5）加入盐酸体积100mL～110mL时发生的反应为Al（OH）₃+OH^-=AlO₂^-+2H₂O，可知n（Al（OH）₃）=n（NaOH）=0.01L×10mol/L=0.1mol，则n（Al₂O₃）=0.05mol，
m（Al₂O₃）=0.05mol×102g/mol=5.1g，
则混合物中三氧化二铝的质量分数为$\frac{5.1g}{10g}×100%$=51%，
故答案为：51%．

点评 本题考查化学工艺流程、物质的分离提纯、化学计算等，为高考常见题型，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．