Question

3．從明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程如下：

已知：明礬焙燒的化學(xué)方程式為：4[KAl（SO₄）₂•12H₂O]+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O
請回答下列問題：
（1）在焙燒明礬的反應(yīng)中，氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為：1：2．
（2）步驟②中，為提高浸出率，可采取的措施有AC．
A．粉碎固體混合物　　B．降低溫度      C．不斷攪拌　D．縮短浸泡時間
（3）明礬焙燒完全后，從步驟②的濾液中得到K₂SO₄晶體的方法是蒸發(fā)結(jié)晶．
（4）步驟③電解的化學(xué)方程式是2Al₂O₃ $\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃電解}$4Al+3O₂↑，電解池的電極是用碳素材料做成，電解過程中，陽極材料需要定期更換，原因是：陽極中碳被氧化成CO₂（CO）．
（5）以Al和NiO（OH）為電極，NaOH溶液為電解液組成一種新型電池，放電時NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，則該電池的正極電極反應(yīng)式是NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-．
（6）焙燒a噸明礬（摩爾質(zhì)量為b g/mol），若SO₂ 的轉(zhuǎn)化率為96%，可生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的H₂SO₄質(zhì)量為$\frac{a×106g/t}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$×96%×$\frac{98g/mol}{98%×106g/t}$=$\begin{array}{l}\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}\end{array}$=$\frac{216a}$噸（列出計算表達(dá)式）．

Answer 1

分析 從明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程：過程①明礬和硫焙燒，4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，氣體二氧化硫與氧氣在五氧化二礬作催化劑的作用下生成三氧化硫，三氧化硫用98.3%的濃硫酸吸收，SO₃+H₂O=H₂SO₄，制得硫酸；過程②焙燒所得固體混合物，用水浸，為提高浸出率，可采取粉碎固體混合物、不斷攪拌，從水浸后的濾液中蒸發(fā)結(jié)晶得到K₂SO₄晶體，步驟③電解Al₂O₃，制得Al，
（1）依據(jù)化學(xué)方程式4[KAl（SO₄）₂•12H₂O]+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O中元素化合價變化可知，二氧硫既是氧化產(chǎn)物又是還原產(chǎn)物；
（2）礦石的顆粒大小、溫度及是否攪拌等會影響浸取率；
（3）從水浸后的濾液中得到K₂SO₄晶體運(yùn)用蒸發(fā)溶劑水的方法得到；
（4）步驟③電解Al₂O₃，制得Al，陽極材料需要定期地進(jìn)行更換，原因是該極材料不斷被消耗；
（5）放電時NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價降低，被還原，應(yīng)為原電池正極反應(yīng)；
（6）依據(jù)硫元素守恒計算得到．

解答 解：從明礬[KAl（SO₄）₂•12H₂O]制備Al、K₂SO₄和H₂SO₄的流程：過程①明礬和硫焙燒，4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，氣體二氧化硫與氧氣在五氧化二礬作催化劑的作用下生成三氧化硫，三氧化硫用98.3%的濃硫酸吸收，SO₃+H₂O=H₂SO₄，制得硫酸；過程②焙燒所得固體混合物，用水浸，為提高浸出率，可采取粉碎固體混合物、不斷攪拌，從水浸后的濾液中蒸發(fā)結(jié)晶得到K₂SO₄晶體，步驟③電解Al₂O₃，制得Al．
（1）4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S═2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂+48H₂O反應(yīng)中，硫單質(zhì)硫元素化合價0價，升高到SO₂中為+4價，硫酸根離子中硫元素化合價從+6價變化為SO₂中+4價，則S為還原劑，被氧化，KAl（SO₄）₂•12H₂O為氧化劑，被還原，得氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1：2，
故答案為：1：2；
（2）由于酸浸時礦石顆粒大小影響浸取率，可以通過粉碎礦石提高浸取率，還可以適當(dāng)升高溫度或者攪拌提高浸取率，
故答案為：AC；
（3）從水浸后的濾液中得到K₂SO₄晶體運(yùn)用蒸發(fā)結(jié)晶的方法得到，需要蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥，
故答案為：蒸發(fā)結(jié)晶；
（4）電解熔融氧化鋁，陽極氯離子放電生成氯氣，陰極是鋁離子放電生成鋁，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2Al₂O₃ $\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃電解}$4Al+3O₂↑，在冶煉過程中，陽極材料碳被氧氣氧化成一氧化碳，反應(yīng)為C+O₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO₂或2C+O₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2CO，所以需定期地進(jìn)行更換，
故答案為：2Al₂O₃ $\frac{\underline{\;\;\;\;\;冰晶石\;\;\;\;\;}}{970℃電解}$4Al+3O₂↑；陽極中碳被氧化成CO₂（CO）；
（5）放電時NiO（OH）轉(zhuǎn)化為Ni（OH）₂，Ni元素化合價降低，被還原，應(yīng)為原電池正極反應(yīng)，電極方程式為NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-，
故答案為：NiO（OH）+H₂O+e^-═Ni（OH）₂+OH^-；
（6）焙燒a噸明礬（摩爾質(zhì)量為b g/mol），4KAl（SO₄）₂•12H₂O+3S=2K₂SO₄+2Al₂O₃+9SO₂↑+48H₂O，生成SO₂物質(zhì)的量為：$\frac{a×106g/t}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$，SO₂ 的轉(zhuǎn)化率為96%，物質(zhì)的量為：$\frac{a×106g/t}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$×96%，可生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的H₂SO₄質(zhì)量為：$\frac{a×106g/t}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$×96%×$\frac{98g/mol}{98%×106g/t}$=$\begin{array}{l}\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}\end{array}$=$\frac{216a}$，
故答案為：$\frac{a×106g/t}{bg/mol}$×$\frac{9mol}{4mol}$×96%×$\frac{98g/mol}{98%×106g/t}$=$\begin{array}{l}\frac{9mol×98g/mol×96%×a}{4mol×bg/mol×98%}\end{array}$=$\frac{216a}$．

點評 本題以鋁的化合物為載體考查了物質(zhì)間的反應(yīng)、物質(zhì)的分離和提純等知識點，明確物質(zhì)之間的反應(yīng)是解本題關(guān)鍵，再結(jié)合原子守恒來分析解答，這種綜合性較強(qiáng)的題型是高考熱點，需利用基礎(chǔ)知識細(xì)心分析解答，題目難度中等．