Question

4．（Ⅰ）明矾石的主要成分是K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•2Al₂O₃•6H₂O，还含有少量Fe₂O₃杂质．
利用明矾石制备氢氧化铝的流程如图1：
（1）焙烧炉中发生反应的化学方程式为2Al₂（SO₄）₃+3S  2Al₂O₃+9SO₂，该反应的氧化剂是Al₂（SO₄）₃．若生成1molAl₂O₃，则转移的电子数为3.612×10²⁴．
（2）将标准状况下1.12L炉气通入100mL0.5mol•L^-1NaOH溶液中，得到一种酸性溶液，则该溶液中各种离子浓度由大到小的排列顺序为c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（SO₃^2-）＞c（OH^-）．
（Ⅱ）某实验小组用图2装置测定SO₂转化率，装置中烧瓶内发生的化学反应方程式为：Na₂SO₃（s）+H₂SO₄（85%）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂SO₄+H₂O+SO₂↑
（已知SO₃的熔点是16.8℃，沸点是44.8℃）
（1）根据实验需要，应该在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ处连接合适的装置，请从图3中A～E装置中选择最适合装置并将其序号填放下面的空格中．
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ处连接的装置分别是B、E、A、C．
（2）为使SO₂有较高的转化率，实验中加热催化剂与滴加浓硫酸的顺序中，应采取的操作是先加热催化剂再滴入浓硫酸．
（3）有一小组在实验中发现，SO₂气体产生缓慢，以致后续实验现象不明显，但又不存在气密性问题．请你推测可能的原因．
①原因：Na₂SO₃变质．
②原因：浓硫酸的浓度不够．
（4）将SO₂通入含1mol氯酸的溶液中，可生成一种强酸和一种氧化物，并有6.02×10²³个电子转移，则该反应的化学方程式为SO₂+2HClO₃═H₂SO₄+2ClO₂．
（5）用n mol Na₂SO₃粉末与足量浓硫酸进行此实验，当反应结束时，继续通入O₂一段时间后，测得装置IV增重了m g，则实验中SO₂的转化率为$\frac{64n-m}{64n}$×100%．（用含m、n的代数式填写）

Answer 1

分析 （Ⅰ）焙烧炉中发生反应的化学方程式为2Al₂（SO₄）₃+3S$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Al₂O₃+9SO₂，故生成炉气中含二氧化硫，熟料中含氧化铝、氧化铁、硫酸钾等，加入氢氧化钠和水，氧化铝和氢氧化钠反应生成偏铝酸钠，氧化铁不反应，过滤，滤渣中含氧化铁，滤液中含偏铝酸钠和硫酸钾、氢氧化钠等；用硫酸调节pH，得到氢氧化铝沉淀和硫酸钠、硫酸钾，过滤得母液中含硫酸钾、硫酸钠溶质，
（1）所含元素化合价降低的反应物是氧化剂；
反应中硫单质中硫元素化合价由0价升高为SO₂中+4价，硫单质为还原剂，计算生成1molAl₂O₃需要硫的物质的量，转移电子是硫单质的4倍，再根据N=nN_A转移电子数目；
（2）根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算二氧化硫的物质的量，根据n（SO₂）：n（NaOH）确定反应产物，再结合溶液呈酸性进行判断；
（Ⅱ）烧瓶中浓硫酸与亚硫酸钠固体反应生成硫酸钠、二氧化硫气体和水，据此写出反应的化学方程式；
（1）从除杂、催化氧化、冷却、吸收未反应的SO₂，排除空气中水及二氧化碳的影响来分析；
（2）根据催化剂在一定的温度下催化效果好及反应速率来分析；
（3）SO₂气体产生缓慢，根据发生的化学反应及影响反应速率的因素来分析；
（4）SO₂通入含1mol氯酸的溶液中，可生成一种强酸和一种氧化物，有6.02×10²³个电子转移，则Cl元素的化合价由+5价降低为+4价，并利用质量守恒定律来书写反应方程式；
（5）IV增重了mg，为未反应的SO₂的质量，nmolNa₂SO₃粉末与足量浓硫酸反应生成nmolSO₂，以此来计算转化率．

解答 解：（Ⅰ）（1）反应中硫元素化合价由Al₂（SO₄）₃中+6价降低为SO₂中+4价，故Al₂（SO₄）₃是氧化剂，反应中硫单质中硫元素化合价由0价升高为SO₂中+4价，硫单质为还原剂，生成1molAl₂O₃需要硫的物质的量为1mol×$\frac{3}{2}$=1.5mol，转移电子的物质的量为1.5mol×4=6mol，转移电子数目为6mol×6.02×10²³mol^-1=3.612×10²⁴，
故答案为：Al₂（SO₄）₃；3.612×10²⁴；
（2）1.12L二氧化硫的物质的量为：$\frac{1.12L}{22.4L/mol}$=0.05mol，n（NaOH）=0.1L×0.5mol/L=0.05mol，n（SO₂）：n（NaOH）=0.05mol：0.05mol=1：1，故反应后溶液中溶质为NaHSO₃，溶液呈酸性，说明HSO₃^-的电离程度大于水解程度，同时水电离生成氢离子，故c（H⁺）＞c（SO₃^2-），HSO₃^-电离程度不大，故c（HSO₃^-）＞c（H⁺），溶液c（OH^-）等于水电离生成，浓度很小，故溶液中离子浓度由大到小的排列顺序为c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（SO₃^2-）＞c（OH^-），
故答案为：c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（SO₃^2-）＞c（OH^-）；
（II）装置中烧瓶内发生的化学反应方程式为：Na₂SO₃（s）+H₂SO₄（85%）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂SO₄+H₂O+SO₂↑，
故答案为：Na₂SO₃（s）+H₂SO₄（85%）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Na₂SO₄+H₂O+SO₂↑；
（1）因从溶液中反应生成气体中混有水蒸气，则I处应选择B装置来吸收水进行气体的干燥，II中选E进行二氧化硫气体的催化氧化，S0₃的熔点是16.8℃，沸点是44.8℃，III中选A进行冷却，使三氧化硫与二氧化硫分离，在IV中选择C装置来吸收未反应的SO₂，
故答案为：BEAC；
（2）因催化剂在一定的温度下催化效果好，则应先加热催化剂，然后滴加浓硫酸，
故答案为：先加热催化剂再滴入浓硫酸；
（3）SO₂气体产生缓慢，可能为Na₂SO₃变质生成硫酸钠，也可能为浓硫酸的浓度不够，反应速率变慢，
故答案为：Na₂SO₃变质；浓硫酸的浓度不够；
（4）SO₂通入含1mol氯酸的溶液中，可生成一种强酸和一种氧化物，有6.02×10²³个电子转移，则Cl元素的化合价由+5价降低为+4价，由质量守恒定律可知反应的化学方程式为：SO₂+2HClO₃═H₂SO₄+2ClO₂，
故答案为：SO₂+2HClO₃═H₂SO₄+2ClO₂；
（5）IV增重了mg，为未反应的SO₂的质量，其物质的量为：$\frac{m}{64}$mol，nmolNa₂SO₃粉末与足量浓硫酸反应生成nmolSO₂，
则二氧化硫的转化率为：$\frac{n-\frac{m}{64}}{n}$×100%=$\frac{64n-m}{64n}$×100%，
故答案为：$\frac{64n-m}{64n}$×100%．

点评 本题考查了性质实验方案的设计，题目难度中等，涉及氧化还原反应的计算、离子浓度大小比较、性质实验方案的设计与评价等知识，明确实验目的及实验原理为解答关键，注意掌握性质实验方案设计的原则，试题知识点较多、综合性较强，充分考查学生的分析、理解能力及化学实验、化学计算能力．