Question

15．明矾石的主要成分是K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•2Al₂O₃•6H₂O，此外还含有少量Fe₂O₃杂质．利用明矾石来制备Al₂O₃、K₂FeO₄和H₂SO₄的工艺流程如下：
请回答下列问题：
（1）“焙烧”过程中反应的化学方程式为2Al₂（SO₄）₃+3S=2Al₂O₃+9SO₂，该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比是2：1．若生成102g Al₂O₃，转移的电子数目为6N_A．
（2）写出化学式：沉淀Ⅰ是Al（OH）₃，沉淀Ⅱ是Fe（OH）₃．
（3）熟料溶解时反应的离子方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O．
（4）溶液经加硫酸调节pH后，过滤、洗涤，可得沉淀Ⅰ，证明沉淀Ⅰ已洗涤干净的实验操作和现象是取最后一次洗涤液于试管中，滴加BaCl₂溶液，若无白色沉淀生成，则已将沉淀洗干净．
（5）写出Cl₂将沉淀Ⅱ氧化为K₂FeO₄的化学方程式：2Fe（OH）₃+3Cl₂+10KOH═2K₂FeO₄+6KCl+8H₂O．
（6）“焙烧”过程中生成的SO₂可用于制H₂SO₄．已知25℃，101kPa时：
2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃ （g）△H₁=-197.0kJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H₂=-44.0kJ•mol^-1
2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（g）=2H₂SO₄ （l）△H₃=-545kJ•mol^-1
则SO₃ （g）和H₂O（l）反应的热化学方程式为SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130KJ/mol．
（7）本工艺流程中可循环物质为H₂SO₄．

Answer 1

分析 利用明矾石（主要成分是K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•2Al₂O₃•6H₂O，此外还含有少量Fe₂O₃杂质）制备Al₂O₃、K₂FeO₄和H₂SO₄的工艺流程：明矾脱水后主要成分是K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•2Al₂O₃，“焙烧”Al₂（SO₄）₃中+6价降低为SO₂中+4价，Al₂（SO₄）₃是氧化剂，硫单质为还原剂，发生2Al₂（SO₄）₃+3S$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Al₂O₃+9SO₂，熟料溶解为氧化铝与氢氧化钾溶液反应生成偏铝酸钾，离子方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，熟料溶解所得的溶液中含有K⁺、SO₄^2-、AlO₂^-、OH^-等，加硫酸调PH值，AlO₂^-转化为Al（OH）₃，灼烧生成Al₂O₃，母液中离子主要有K⁺、SO₄^2-，含有溶质为K₂SO₄，滤渣为Fe₂O₃，加硫酸Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O，X为Fe₂（SO₄）₃，加氢氧化钾Fe₂（SO₄）₃+6KOH=2Fe（OH）₃↓+3K₂SO₄，通入氯气：2Fe（OH）₃+3Cl₂+10KOH═2K₂FeO₄+6KCl+8H₂O，制得K₂FeO₄；
（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102gAl₂O₃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）分析流程结合氧化铝的性质可知，沉淀Ⅰ是Al（OH）₃；沉淀Ⅱ是Fe（OH）₃；
（3）熟料溶解为氧化铝与氢氧化钾溶液反应生成偏铝酸钾，离子方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；
（4）沉淀Ⅰ是Al（OH）₃，证明沉淀Ⅰ已洗涤干净的实验操作是检验洗涤液中师傅汉语硫酸根离子设计实验检验；
（5）氢氧化铁中通入氯气发生氧化还原反应得到K₂FeO₄；
（6）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（7）上述分析可知可以循环利用的物质是指参与反应过程，最后又生成的物质可以循环利用．

解答 解：利用明矾石（主要成分是K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•2Al₂O₃•6H₂O，此外还含有少量Fe₂O₃杂质）制备Al₂O₃、K₂FeO₄和H₂SO₄的工艺流程：明矾脱水后主要成分是K₂SO₄•Al₂（SO₄）₃•2Al₂O₃，“焙烧”Al₂（SO₄）₃中+6价降低为SO₂中+4价，Al₂（SO₄）₃是氧化剂，硫单质为还原剂，发生2Al₂（SO₄）₃+3S$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Al₂O₃+9SO₂，熟料溶解为氧化铝与氢氧化钾溶液反应生成偏铝酸钾，离子方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，熟料溶解所得的溶液中含有K⁺、SO₄^2-、AlO₂^-、OH^-等，加硫酸调PH值，AlO₂^-转化为Al（OH）₃，灼烧生成Al₂O₃，母液中离子主要有K⁺、SO₄^2-，含有溶质为K₂SO₄，滤渣为Fe₂O₃，加硫酸Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O，X为Fe₂（SO₄）₃，加氢氧化钾Fe₂（SO₄）₃+6KOH=2Fe（OH）₃↓+3K₂SO₄，通入氯气：2Fe（OH）₃+3Cl₂+10KOH═2K₂FeO₄+6KCl+8H₂O，制得K₂FeO₄；
（1）“焙烧”Al₂（SO₄）₃中+6价降低为SO₂中+4价，Al₂（SO₄）₃是氧化剂，硫单质为还原剂，发生2Al₂（SO₄）₃+3S$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Al₂O₃+9SO₂，反应中硫元素化合价由Al₂（SO₄）₃中+6价降低为SO₂中+4价，反应中硫单质中硫元素化合价由0价升高为SO₂中+4价，氧化剂与还原剂的物质的量之比是6：3=2：1；生成102gAl₂O₃的物质的量为n=$\frac{m}{M}$=$\frac{102g}{102g/mol}$=1mol，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N=nN_A=6mol×N_Amol^-1=6N_A，
故答案为：2：1，6N_A；
（2）分析流程结合氧化铝的性质可知，铝土矿中的氧化铝和氢氧化钠反应生成偏铝酸钠，氧化铁不和氢氧化钠溶液反应过滤得到滤渣为氧化铁，熟料溶解为氧化铝与氢氧化钾溶液反应生成偏铝酸钾，离子方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，熟料溶解所得的溶液中含有K⁺、SO₄^2-、AlO₂^-、OH^-等，加硫酸调PH值，AlO₂^-转化为Al（OH）₃，沉淀Ⅰ是Al（OH）₃，反应的离子方程式为：AlO₂^-+H⁺+H₂O=Al（OH）₃↓，滤渣为Fe₂O₃，加硫酸Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O，X为Fe₂（SO₄）₃，加氢氧化钾Fe₂（SO₄）₃+6KOH=2Fe（OH）₃↓+3K₂SO₄，沉淀Ⅱ是Fe（OH）₃，
故答案为：Al（OH）₃，Fe（OH）₃；
（3）熟料溶解为氧化铝与氢氧化钾溶液反应生成偏铝酸钾，离子方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，
故答案为：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；
（4）溶液经加硫酸调节pH后，过滤，洗涤，可得沉淀Ⅰ，证明沉淀Ⅰ已洗涤干净的实验操作和现象是：取最后一次洗涤液于试管中，滴加BaCl₂溶液，若无白色沉淀生成，则已将沉淀洗干净；
故答案为：取最后一次洗涤液于试管中，滴加BaCl₂溶液，若无白色沉淀生成，则已将沉淀洗干净；
（5）Cl₂将沉淀Ⅱ氧化为K₂FeO₄的化学方程式为：2Fe（OH）₃+3Cl₂+10KOH═2K₂FeO₄+6KCl+8H₂O，
故答案为：2Fe（OH）₃+3Cl₂+10KOH═2K₂FeO₄+6KCl+8H₂O；
（6）①2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃ （g）△H₁=-197.0kJ•mol^-1
②H₂O（g）=H₂O（l）△H₂=-44.0kJ•mol^-1
③2SO₂（g）+O₂（g）+2H₂O（g）=2H₂SO₄ （l）△H₃=-545kJ•mol^-1
依据盖斯定律计算（③-①-②×2）$\frac{1}{2}$，则SO₃ （g）和H₂O（l）反应的热化学方程式为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130KJ/mol，
故答案为：SO₃（g）+H₂O（l）=H₂SO₄（l）△H=-130KJ/mol；
（7）依据分析可知，该流程中符合能循环使用的物质为H₂SO₄，
故答案为：H₂SO₄．

点评 本题以铝、铁的化合物为载体考查了物质间的反应、物质的分离和电解等知识点，明确物质之间的反应是解本题关键，这种综合性较强的题型是高考热点，须利用基础知识细心分析解答，题目难度中等．