Question

7．铝及化合物是中学化学中常见物质，请用所学知识回答下列问题：
（1）氢氧化铝是两性氢氧化物，请用电离方程式表示其两性H⁺+AlO₂^-+H₂O?Al（OH）₃?Al³⁺+3OH^-
（2）NaAlH₄是重要的具有研究前景的络合金属络合氢化物，其电子式为，遇水剧烈反应产生大量气体，其反应化学方程式为NaAlH₄+2H₂O=NaAlO₂+4H₂↑．
（3）以铝土矿为原料，提取氧化铝、冶炼铝的工艺流程如图1

 ①滤渣1的主要成分为SiO₂，试剂B为NaOH溶液
②试剂C为过量CO₂气体，则生成沉淀的离子方程式为CO₂+AlO₂^-+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-
③电解氧化铝时阳极要定期补充碳粉，原因是电解氧化铝时阳极生成氧气，与碳反应生成二氧化碳
（4）2015年4月《Nature》上刊文，斯坦福大学华裔科学家戴宏杰的团队在实验室成功研制出了在1分钟内充满电，并且重复充放电7500次后仍不衰减的铝离子超级电池（普通锂离子电池只能充电1000多次）．该电池还具有能弯曲，不自燃，冲击不爆炸的优异特性．放电时其工作原理简化如图2表示
据此，请写出铝离子超级电池电极方程式
放电时正极：Cn（AlCl₄）+e^-=C_n+AlCl₄^-
充电时阴极：4Al₂Cl₇^-+3e^-=Al+7AlCl₄^-
（5）已知：K_sp[Al（OH）₃]=1×10^-33，K_sp[Fe（OH）₃]=3×10^-39，pH=7.1时Mn（OH）₂开始沉淀．室温下，除去MnSO₄溶液中的Fe³⁺、Al³⁺（使其浓度均小于1×10^-6 mol•L^-1），需调节溶液pH范围为5.0＜PH＜7.1．

Answer 1

分析 （1）氢氧化铝是两性氢氧化物，溶液中存在酸式电离和碱式电离，碱式电离生成铝离子和氢氧根离子，酸式电离是生成偏铝酸根离子和氢离子、水；
（2）NaAlH₄是离子化合物，铝和氢原子间形成四个共价键，据此写出电子式；遇水剧烈反应产生大量气体是与水反应，结合水电离出的氢氧根离子生成偏铝酸钠和氢气；
（3）由流程可知试剂A的目的是将铝土矿中的金属氧化物溶解，因此试剂A可以是稀硫酸或稀盐酸，滤渣1为二氧化硅，过滤后加入试剂B为NaOH，可除去溶液中的Mg²⁺、Fe³⁺，滤渣2为氢氧化镁、氢氧化铁等，滤液中含有NaAlO₂，可通入二氧化碳气体，生成氢氧化铝沉淀，经过滤、洗涤、灼烧得到氧化铝，电解熔融的氧化铝，得到铝，以此解答该题，
①由以上分析可知滤渣I的主要成分是SiO₂，试剂B为氢氧化钠溶液；
②试剂C为过量CO₂气体，和偏铝酸钠溶液反应生成氢氧化铝沉淀；
③电解氧化铝过程中在阳极生成氧气会消耗电极材料石墨
（4）由示意图可知放电时铝为负极，被氧化生成Al₂Cl₇^-，电极方程式为Al+7AlCl₄^--3e^-═4Al₂Cl₇^-，正极反应为3C_n[AlCl₄]+3e^-=3C_n+3AlCl₄^-，电解时阳极发生氧化反应，电解方程式为C_n+AlCl₄^--e^-═C_n[AlCl₄]，阴极发生还原反应，电极方程式为4Al₂Cl₇^-+3e^-=Al+7AlCl₄^-，以此解答该题；
（5）pH=7.1时Mn（OH）₂开始沉淀．室温下，除去MnSO₄溶液中的Fe³⁺、Al³⁺，结合Al（OH）₃完全变成沉淀时的pH、Fe（OH）₃完全变成沉淀时的pH分析．

解答 解：（1）氢氧化铝是两性氢氧化物，溶液中存在酸式电离和碱式电离，电离方程式为：H⁺+AlO₂^-+H₂O?Al（OH）₃?Al³⁺+3OH^-，
故答案为：H⁺+AlO₂^-+H₂O?Al（OH）₃?Al³⁺+3OH^-；
（2）NaAlH₄是离子化合物，酸根离子中铝漯河四个氢原子形成四个共价键，电子式为：，遇水剧烈反应产生大量气体是与水反应，结合水电离出的氢氧根离子生成偏铝酸钠和氢气，反应的化学方程式为：NaAlH₄+2H₂O=NaAlO₂+4H₂↑，
故答案为：；NaAlH₄+2H₂O=NaAlO₂+4H₂↑；
（3）由流程可知试剂A的目的是将铝土矿中的金属氧化物溶解，因此试剂A可以是稀硫酸或稀盐酸，滤渣1为二氧化硅，过滤后加入试剂B为NaOH溶液，可除去溶液中的Mg²⁺、Fe³⁺，滤渣2为氢氧化镁、氢氧化铁等，滤液中含有NaAlO₂，可通入过量二氧化碳气体，生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，经过滤、洗涤、灼烧得到氧化铝，电解熔融的氧化铝，得到铝，
①分析可知滤渣1为SiO₂，试剂B为过量NaOH溶液，可除去溶液中的Mg²⁺、Fe³⁺，
故答案为：SiO₂；NaOH溶液；
 ②试剂C为过量CO₂气体，和偏铝酸钠溶液反应生成氢氧化铝沉淀，反应的离子方程式为：CO₂+AlO₂^-+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-，
故答案为：CO₂+AlO₂^-+2H₂O=Al（OH）₃↓+HCO₃^-；
 ③电解氧化铝时阳极生成氧气，与电极材料石墨即碳反应生成二氧化碳，应在阳极定期补充炭块，
故答案为：电解氧化铝时阳极生成氧气，与碳反应生成二氧化碳；
（4）由示意图可知放电时铝为负极，被氧化生成Al₂Cl₇^-，电极方程式为Al+7AlCl₄^--3e^-═4Al₂Cl₇^-，正极反应为：3C_n[AlCl₄]+3e^-=3C_n+3AlCl₄^-，放电时正极电极反应写为C_n（AlCl₄）+e^-=C_n+AlCl₄^-，充电时阴极电极反应是发生还原反应，电极反应为：4Al₂Cl₇^-+3e^-=Al+7AlCl₄^-，
故答案为：C_n（AlCl₄）+e^-=C_n+AlCl₄^-； 4Al₂Cl₇^-+3e^-=Al+7AlCl₄^-；
（5）pH=7.1时Mn（OH）₂开始沉淀．室温下，除去MnSO₄溶液中的Fe³⁺、Al³⁺，氢氧化铝完全变成沉淀时的pH：Ksp[Al（OH）₃]=1×10^-33=c（Al³⁺）×c³（OH^-），c（Al³⁺）=1×10^-6mol•L^-1，解得：c（OH^-）=1×10^-9mol•L^-1，c（H⁺）=1×10^-5mol•L^-1pH=5，同理Fe（OH）₃完全变成沉淀时，pH约为3.5，故pH范围是：5.0＜pH＜7.1，
故答案为：5.0＜PH＜7.1．

点评 本题以铝化合物的性质为载体综合考查工业冶炼铝、原电池和电解池原理及其电极反应书写、溶度积常数计算等知识，侧重于考查学生分析和解决问题的能力，综合性强，为高考常见题型，注意把握制备原理和反应的流程，题目难度中等．