Question

3．用含有Al₂O₃、SiO₂和少量FeO•xFe₂O₃的铝灰制备Al₂（SO₄）₃•18H₂O，工艺流程如下（部分操作和条件略）：
Ⅰ．向铝灰中加入过量稀H₂SO₄，过滤；
Ⅱ．向滤液中加入过量KMnO₄溶液，调节溶液的pH约为3；
Ⅲ．加热，产生大量棕色沉淀，静置，上层溶液呈紫红色；
Ⅳ．加入MnSO₄至紫红色消失，过滤；
Ⅴ．再经过一系列操作，分离得到产品．
（1）步骤Ⅰ中过滤所得滤渣主要成分为：SiO₂，H₂SO₄溶解Al₂O₃的离子方程式为：Al₂O₃+6H⁺=2Al³⁺+3H₂O．
（2）步骤Ⅱ中加入KMnO₄时发生反应的离子方程式为：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O．
（3）已知：生成氢氧化物沉淀的pH

	Al（OH）3	Fe（OH）2	Fe（OH）3
开始沉淀时	3.4	6.3	1.5
完全沉淀时	4.7	8.3	2.8

注：金属离子的起始浓度均为0.1mol•L^-1
①根据表中数据解释步骤Ⅱ的目的：pH约为3时，Fe²⁺和Al³⁺不能形成沉淀，将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，可使铁完全沉淀，
②当Al³⁺开始沉淀时，Fe³⁺的浓度约为：10^-6.7 mol•L^-1．
（4）已知：一定条件下，MnO₄^-可与Mn²⁺反应生成MnO₂．
①向Ⅲ的沉淀中加入浓盐酸并加热，能说明沉淀中存在MnO₂的现象是：生成黄绿色气体．
②步骤Ⅳ中加入MnSO₄的目的是：除去过量的MnO₄^-；．
（5）步骤Ⅴ中“一系列操作”是蒸发浓缩、冷却结晶．

Answer 1

分析 （1）Al₂O₃、FeO•xFe₂O₃能与硫酸反应，而SiO₂不与硫酸反应，硫酸溶解氧化铝生成硫酸铝和水；
（2）依据氧化还原反应电子守恒和原子守恒，结合元素化合价变化分析产物和反应物，据此书写离子方程式；
（3）①铁离子开始沉淀和沉淀完全的溶液pH为1.5～2.8，铝离子开始沉淀pH为3.4，亚铁离子开始沉淀的溶液pH大于铝离子完全沉淀pH，向滤液中加入过量KMnO₄溶液，目的是氧化亚铁离子为三价铁离子，依据图表数据分析可知，所以调节溶液的pH约为3，可以使铁离子全部沉淀，铝离子不沉淀分离；
②浓度为0.1mol•L^-1的Fe³⁺开始沉淀时，溶液pH为1.5，所以Ksp[Fe（OH）₃]=0.1×（10^-14+1.5）³=1×10^-38.5，当Al³⁺开始沉淀时，溶液pH为3.4，据此计算Fe³⁺的浓度；
（4）①向Ⅲ的沉淀中加入浓HCl并加热，二氧化锰和浓盐酸在加热条件下反应生成氯化锰、氯气和水；
②MnO₄^-可与Mn²⁺反应生成MnO₂，过滤除去，所以可以利用MnSO₄的溶液和高锰酸钾溶液反应生成二氧化锰，把过量高锰酸根离子除去；
（5）从溶液中获得Al₂（SO₄）₃•18H₂O晶体，可以通过蒸发浓缩、冷却结晶的方法；

解答 解：（1）Al₂O₃、FeO•xFe₂O₃能与硫酸反应，而SiO₂不与硫酸反应，步骤Ⅰ过滤得到沉淀的主要成分为：SiO₂，硫酸溶解氧化铝生成硫酸铝和水，反应的离子方程式为：Al₂O₃+6H⁺=2Al³⁺+3H₂O；
故答案为：SiO₂；Al₂O₃+6H⁺=2Al³⁺+3H₂O；
（2）高锰酸根离子在酸溶液中被还原为锰离子，亚铁离子被氧化为铁离子，反应的离子方程式为：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，
故答案为：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O；
（3）①铁离子开始沉淀和沉淀完全的溶液pH为1.5～2.8，铝离子开始沉淀pH为3.4，亚铁离子开始沉淀的溶液pH大于铝离子完全沉淀pH，向滤液中加入过量KMnO₄溶液，目的是氧化亚铁离子为三价铁离子，依据图表数据分析可知，所以调节溶液的pH约为3，可以使铁离子全部沉淀，铝离子不沉淀分离，步骤II的目的：pH约为3时，Fe²⁺和Al³⁺不能形成沉淀，将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，可使铁完全沉淀，
故答案为：pH约为3时，Fe²⁺和Al³⁺不能形成沉淀，将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，可使铁完全沉淀；
②浓度为0.1mol•L^-1的Fe³⁺开始沉淀时，溶液pH为1.5，所以Ksp[Fe（OH）₃]=0.1×（10^-14+1.5）³=1×10^-38.5，当Al³⁺开始沉淀时，溶液pH为3.4，即溶液中氢氧根离子的浓度为1×10^-14+3.4 mol•L^-1=1×10^-10.6 mol•L^-1，所以Fe³⁺的浓度为$\frac{1×10{\;}^{-38.5}}{（1×10{\;}^{-10.6}）^{3}}$=10^-6.7 mol•L^-1，
故答案为：10^-6.7 mol•L^-1；
（4）①向Ⅲ的沉淀中加入浓HCl并加热，二氧化锰和浓盐酸在加热条件下反应生成氯化锰、氯气和水生成的氯气是黄绿色气体，能说明沉淀中存在MnO₂，
故答案为：生成黄绿色气体；
②MnO₄^-可与Mn²⁺反应生成MnO₂，过滤除去，所以可以利用MnSO₄的溶液和高锰酸钾溶液反应生成二氧化锰，把过量高锰酸根离子除去，
故答案为：除去过量的MnO₄^-；
（5）从溶液中获得Al₂（SO₄）₃•18H₂O晶体，可以通过蒸发浓缩、冷却结晶的方法，
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶．

点评 本题考查实验制备方案，侧重考查学生对原理及操作的分析评价、对数据的分析运用、物质的分离提纯等，需要学生具备知识的基础，难度中等．