Question

9．准确称取12g铝土矿样品（含Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂）放入盛有100mL某浓度硫酸溶液的烧杯中，充分反应后过滤，向滤液中加入10mol•L^-1的NaOH溶液，产生的沉淀质量m与加入的NaOH溶液的体积V的关系如图所示：

请填空回答：
（1）H₂SO₄溶液的物质的量浓度为3.5 mol•L^-1．
（2）若a=4.6，用于沉淀Fe³⁺消耗NaOH的体积是5.4mL，铝土矿中各成分的质量分数：Al₂O₃为85%，SiO₂为3%．

Answer 1

分析 根据Al₂O₃是两性氧化物，既溶液强酸又溶于强碱；Fe₂O₃只溶于强酸，不溶于碱，SiO₂只溶于强碱，不溶于酸；铝土矿样品，放入盛有100mL H₂SO₄溶液的烧杯中，充分反应后过滤，所得溶液中含有Al³⁺、Fe³⁺，由图象可知，向滤液中加入10mol•L^-1的NaOH溶液，没有沉淀生成，说明硫酸有剩余，继续加入NaOH溶液，铁离子变成氢氧化铁沉淀，将铝离子变成为氢氧化铝沉淀，当加入氢氧化钠共70mL时，沉淀量最大，此时溶液中溶质为硫酸钠，根据钠离子守恒计算硫酸钠的物质的量，再根据硫酸根守恒计算原硫酸溶液中n（H₂SO₄），再根据c=$\frac{n}{V}$计算；
从70mL～90mL加入的10mL氢氧化钠完全溶解氢氧化铝，发生反应：Al（OH）₃+OH^-=AlO₂^-+2H₂O，最后剩余固体为氢氧化铁，根据n=cV计算该阶段消耗的n（NaOH），再根据方程式计算氢氧化铝的物质的量，利用铝元素守恒计算n（Al₂O₃），根据m=nM计算氧化铝的质量，根据质量分数定义计算；
利用铝元素守恒计算溶液中n（Al³⁺），进而计算铝离子完全沉淀消耗的氢氧化钠的物质的量，根据n=cV计算铁离子、铝离子完全消耗的n（NaOH），进而计算n（Fe³⁺），利用铁元素守恒计算n（Fe₂O₃），根据m=nM计算氧化铁的质量，最终再计算SiO₂的质量分数．

解答 解：（1）加入氢氧化钠70mL时，沉淀量最大，此时溶液溶质为硫酸钠，根据Na元素守恒有n（Na₂SO₄）=$\frac{1}{2}$n（NaOH）=$\frac{1}{2}$×0.07L×10mol•L^-1=0.35mol，根据硫酸根守恒，则有：n（H₂SO₄）=0.35mol，
所以原硫酸溶液中c（H₂SO₄）=$\frac{0.35mol}{0.1L}$=3.5mol/L，
故答案为：3.5mol/L；
（2）从70mL～90mL加入的20mL氢氧化钠完全溶解氢氧化铝，该阶段消耗的n（NaOH）=0.02L×10mol•L^-1=0.2mol，根据方程式Al（OH）₃+NaOH=NaAlO₂+2H₂O可知，n[Al（OH）₃]=0.2mol，故溶液中n（Al³⁺）=0.2mol，根据Al元素守恒可知n（Al₂O₃）=$\frac{1}{2}$×0.2mol=0.1mol，则m（Al₂O₃）=0.1mol×102g/mol=10.2g；
铝离子完全沉淀消耗氢氧化钠的物质的量为0.2mol×3=0.6mol，铁离子、铝离子完全沉淀消耗的氢氧化钠溶液的体积为70mL-4.6mL=65.4mL，故该阶段消耗n（NaOH）=0.0654L×10mol/L=0.654mol，故铁离子完全沉淀消耗的氢氧化钠的物质的量为0.654mol-0.6mol=0.054mol，
则铁离子完全沉淀消耗的氢氧化钠的体积为V=$\frac{n}{c}$=$\frac{0.054mol}{10mol/L}$=0.0054L=5.4ml，故n（Fe³⁺）=$\frac{0.054mol}{3}$=0.018mol，故m（Fe₂O₃）=0.018mol×$\frac{1}{2}$×160g/mol=1.44g，m（SiO₂）=12-1.44-10.2=0.36g；
铝土矿中各组成成分的质量分数为：Al₂O₃ 为$\frac{10.2g}{12g}$×100%=85%，SiO₂ 为$\frac{0.36g}{12g}$×100%=3%；
故答案为：5.4； 85%； 3%．

点评 本题考查混合物的有关计算，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，难度中等，清楚图象中各阶段发生的反应是关键，注意根据守恒的计算，（1）中注意利用反应判断沉淀最大值时，溶液中的溶质，再利用守恒计算，可以简化计算过程．