Question

7．明矾石和碱式碳酸铝镁[Mg_aAl_b（OH）_c（CO₃）_d•xH₂O]在生产生活中都有着极为重要的应用．某研究小组对用明矾石制取氢氧化铝等物质，以及碱式碳酸铝镁的组成展开了如下研究，请你参与并完成对有关问题的解答

（1）明矾石是制取化肥和氢氧化铝的重要原料，明矾石的组成和明矾相似，此外还含有氧化铝和少量氧化铁杂质．具体实验步骤如图1所示：
①操作I的名称为冷却结晶
②混合肥料的主要成分是K₂SO₄、（NH₄）₂SO₄（写化学式）．检验滤液Ⅱ中是否含有NH₄⁺的方法是：取少货滤液Ⅱ于试管中，向其中加入适量的NaOH溶液，加热，若产生气体能够使湿润的红色石蕊试纸变蓝，则证明滤液Ⅱ中含有NH₄⁺
③一定条件下，下列物质能与沉淀Ⅱ发生反应的是b（填字母）•
a．KSCN 溶液        b．Al        c．NaOH 溶液
④空气能够为沉淀反应提供足量的CO₂（写化学式）．
（2）碱式碳酸铝镁是常见胃药“达喜”的主要成分．为确定碱式碳酸铝镁的组成，进行了如下实验：
①取碱式碳酸铝镁粉末6.02g，缓缓加入2.0mol•L^-1盐酸使其充分混合反应，反应过程中产生气体的体积V（气体）和消耗盐酸的体积V（HC1）的关系如图2所示，则碱式碳酸铝镁中氢氧根与碳酸根的物质的量之比为16：1
②将①反应后得到的混合液再和过量的氢氧化钠溶液充分混合，反应完全后经过过滤、洗涤、干燥得沉淀3.48g，则碱式碳酸铝镁的化学式为Mg₆Al₂（OH）₁₆CO₃•4H₂O．

Answer 1

分析 （1）明矾石含有Al₂O₃和Fe₂O₃等杂质，加足量的稀氨水，明矾石中的铝离子与氨水反应，过滤后沉淀I中含Al₂O₃、Fe₂O₃、Al（OH）₃，溶液I中含钾离子、铵根离子、硫酸根离子，滤液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到硫酸钾、硫酸铵晶体．Al₂O₃、Fe₂O₃、Al（OH）₃中加入氢氧化钠，Fe₂O₃与氢氧化钠不反应，Al₂O₃、氢氧化铝与氢氧化钠反应：Al（OH）₃+NaOH═NaAlO₂+2H₂O，Al₂O₃+2NaOH═2NaAlO₂+H₂O，滤液中含有NaAlO₂溶液，沉淀Ⅱ为氧化铁，滤液中通入足量的空气，发生反应：NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再过滤得到氢氧化铝，溶液Ⅲ中含有NaHCO₃．
（2）①加入盐酸，第一阶段反应本质为：OH^-+H⁺=H₂O、CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-；生成气体的反应本质为：HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O，结合消耗盐酸计算n（OH^-）、n（CO₃^2-）；
②加入过量的氢氧化钠溶液，反应完全后经过过滤、洗涤、干燥得沉淀3.48g为氢氧化镁的质量，根据n=$\frac{m}{M}$计算n[Mg（OH）₂]，达喜中n（Mg²⁺）=n[Mg（OH）₂]，利用电荷守恒2n（Mg²⁺）+3n（Al³⁺）=n（OH^-）+2n（CO₃^2-）计算n（Al³⁺），根据结合样品质量求得水的质量，再根据根据n=$\frac{m}{M}$计算n（H₂O），据此确定n（Mg²⁺）：n（Al³⁺）：n（OH^-）：n（CO₃^2-）：n（H₂O），据此书写化学式．

解答 解：（1）明矾石含有Al₂O₃和Fe₂O₃等杂质，加足量的稀氨水，明矾石中的铝离子与氨水反应，过滤后沉淀I中含Al₂O₃、Fe₂O₃、Al（OH）₃，溶液I中含钾离子、铵根离子、硫酸根离子，滤液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到硫酸钾、硫酸铵晶体．Al₂O₃、Fe₂O₃、Al（OH）₃中加入氢氧化钠，Fe₂O₃与氢氧化钠不反应，Al₂O₃、氢氧化铝与氢氧化钠反应：Al（OH）₃+NaOH═NaAlO₂+2H₂O，Al₂O₃+2NaOH═2NaAlO₂+H₂O，滤液中含有NaAlO₂溶液，沉淀Ⅱ为氧化铁，滤液中通入足量的空气，发生反应：NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再过滤得到氢氧化铝，溶液Ⅲ中含有NaHCO₃．
①操作I是从溶液中获得晶体，需要结构蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作，
故答案为：冷却结晶；
②由上述分析可知，混合肥料的主要成分是K₂SO₄、（NH₄）₂SO₄，检验滤液Ⅱ中是否含有NH₄⁺的方法是：取少货滤液Ⅱ于试管中，向其中加入适量的NaOH溶液，加热，若产生气体能够使湿润的红色石蕊试纸变蓝，则证明滤液Ⅱ中含有NH₄⁺，
故答案为：K₂SO₄、（NH₄）₂SO₄；湿润的红色石蕊试纸变蓝；
③沉淀Ⅱ为氧化铁，Al能与氧化铁发生铝热反应，
故选：b；
④空气能够为沉淀反应提供足量的：CO₂，
故答案为：CO₂；
（2）①加入盐酸，第一阶段反应本质为：OH^-+H⁺=H₂O、CO₃^2-+H⁺=HCO₃^-；生成气体的反应本质为：HCO₃^-+H⁺=CO₂↑+H₂O，生成二氧化碳消耗盐酸（90-85）mL=5mL，则n（CO₃^2-）=n（HCO₃^-）=0.005L×2mol/L=0.01mol，故n（OH^-）=0.085L×2mol/L-0.01mol=0.16mol，故
则碱式碳酸铝镁中n（OH^-）：n（CO₃^2-）=0.16mol：0.01mol=16：1，
故答案为：16：1；
②加入过量的氢氧化钠溶液，反应完全后经过过滤、洗涤、干燥得沉淀3.48g为氢氧化镁的质量，则n[Mg（OH）₂]=$\frac{3.48g}{58g/mol}$=0.06mol，达喜中n（Mg²⁺）=n[Mg（OH）₂]=0.06mol，
利用电荷守恒2n（Mg²⁺）+3n（Al³⁺）=n（OH^-）+2n（CO₃^2-），故3n（Al³⁺）=0.16mol+0.01mol×2-0.06mol×2=0.06mol，故n（Al³⁺）=0.02mol，
故：m（CO₃^2-）=0.01 mol×60 g•mol^-1=0.6 g
m（OH^-）=0.16 mol×17 g•mol^-1=2.72 g
m（Mg²⁺）=0.06 mol×24 g•mol^-1=1.44 g
m（Al³⁺）=0.02 mol×27 g•mol^-1=0.54 g
所以，m（H₂O）=6.02g-0.6g-2.72g-1.44g-0.54g=0.72g，故n（H₂O）=$\frac{0.72g}{18g/mol}$=0.04 mol
则n（Mg²⁺）：n（Al³⁺）：n（OH^-）：n（CO₃^2-）：n（H₂O）=0.02：0.06：0.16：0.01：0.04=6：2：16：1：4，达喜的组成为Mg₆Al₂（OH）₁₆CO₃•4H₂O，
故答案为：Mg₆Al₂（OH）₁₆CO₃•4H₂O．

点评 本题考查化学工艺流程、物质的分离提纯、离子检验、物质组成的测定等，（2）中涉及反应较多、计算量较大，为易错题目，明确各阶段发生的反应是解题关键，侧重考查学生对于实验数据的分析处理能力，注意守恒思想的运用．