Question

9．为探索工业废料的再利用，某化学兴趣小组设计了如图甲实验流程，用含有铝、铁和铜的合金废料制取氯化铝、绿矾晶体（FeSO₄•7H₂O）和胆矾晶体．
请回答：
（1）写出步骤Ⅰ反应的离子方程式：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（2）试剂X是稀硫酸或H₂SO₄．步骤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中均需进行的实验操作是过滤．
（3）进行步骤Ⅱ时，该小组用如图乙所示装置及试剂制取CO₂并将制得的气体通入溶液A中．一段时间后，观察到烧杯中产生的白色沉淀会逐渐减少．为了避免固体C减少，可采取的改进措施是在装置a和b之间增加一个盛有饱和碳酸氢钠溶液的洗气瓶．
（4）用固体F制备CuSO₄溶液，可设计如图丙三种途径：写出途径①中反应的离子方程式3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，请选出你认为的最佳途径并说明理由途径②最佳，理由是原料利用率高，环境污染小．

Answer 1

分析 铝、铁和铜的合金中只有金属铝可以和氢氧化钠之间反应生成溶液A偏铝酸钠，固体B是金属铁和金属铜，A中通入过量的二氧化碳可以得到氢氧化铝沉淀C和碳酸氢钠溶液D，金属铁可以和硫酸之间发生反应生成硫酸亚铁和氢气，但是金属铜和稀硫酸之间不反应，所以F是金属铜，硫酸亚铁溶液蒸发浓缩、冷却结晶可以获得绿矾晶体，金属铜可以获得胆矾晶体，
（1）铝、铁和铜的合金中，只有金属铝是能溶于氢氧化钠的固体物质；
（2）固体B为铁和铜，根据流程加入X后溶解铁制备硫酸亚铁，则X为稀硫酸；不溶物与溶液分离的方法为过滤；
（3）制得的CO₂气体中混有氯化氢气体，用饱和的碳酸氢钠除去；
（4）金属铜可以和硝酸之间反应生成硝酸铜、一氧化氮和水，但是一氧化氮是有毒的，根据铜、稀硫酸的性质来判断反应的发生．

解答 解：铝、铁和铜的合金中只有金属铝可以和氢氧化钠之间反应生成溶液A偏铝酸钠，固体B是金属铁和金属铜，A中通入过量的二氧化碳可以得到氢氧化铝沉淀C和碳酸氢钠溶液D，金属铁可以和硫酸之间发生反应生成硫酸亚铁和氢气，但是金属铜和稀硫酸之间不反应，硫酸亚铁溶液蒸发浓缩、冷却结晶可以获得绿矾晶体，金属铜可以获得胆矾晶体，
（1）步骤Ⅰ加过量的氢氧化钠，金属铝和氢氧化钠反应，金属铝溶解其中生成偏铝酸钠溶液，即2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，
故答案为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（2）金属铁和金属铜不与氢氧化钠反应，金属铜和稀硫酸之间不反应，但是金属铁可以和稀硫酸之间反应生成硫酸亚铁和氢气，进而制的绿矾晶体，所以试剂X为稀硫酸；步骤Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均是固体和液体的分离操作，应该是过滤，
故答案为：稀硫酸或H₂SO₄；过滤；
（3）进行步骤Ⅱ时，该小组用如图2所示装置及试剂将制得的CO₂气体通入溶液A中．一段时间后，观察到烧杯中产生的白色沉淀逐渐减少，其原因是二氧化碳气体中含有从盐酸中挥发出的氯化氢气体，氯化氢在水中溶解了部分沉淀氢氧化铝，发生的反应为Al（OH）₃+3H⁺=Al³⁺+3H₂O，为了避免固体C减少，可在制取二氧化碳的收集装置中增加一个洗去氯化氢的装置，二氧化碳在饱和碳酸氢钠中不溶，氯化氢和碳酸氢钠反应生成二氧化碳气体，所以可在装置a和b之间增加一个盛有饱和碳酸氢钠溶液的洗气瓶，除去二氧化碳中的氯化氢，
故答案为：在装置a和b之间增加一个盛有饱和碳酸氢钠溶液的洗气瓶；
（4）金属铜可以和硝酸之间反应生成硝酸铜、一氧化氮和水，即3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，铜不能和稀硫酸反应，但是当加热并通入空气之后，铜和氧气反应生成氧化铜，然后氧化铜会和硫酸反应生成硫酸铜，不会产生污染大气的气体，该过程原料利用率高，所以途径②最佳，
故答案为：3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；途径②最佳，理由是原料利用率高，环境污染小．

点评 本题考查物质制备方案的设计，题目难度中等，明确工艺流程原理是解答本题的关键，注意掌握物质制备方案的设计与评价原则，试题培养了学生的分析、理解能力及化学实验能力．