Question

20．硫酸工業(yè)中廢渣稱為硫酸渣，其成分為SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO．某探究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)設(shè)計(jì)以下方案，進(jìn)行硫酸渣中金屬元素的提取實(shí)驗(yàn)．

已知溶液pH=3.7時(shí)，F(xiàn)e³⁺已經(jīng)沉淀完全；一水合氨電離常數(shù)K_b=1.8×10^-5，其飽和溶液中c（OH^-）約為1×10^-3mol•L^-1．請回答：
（1）寫出A與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的離子方程式：SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O．
（2）上述流程中兩次使用試劑①，推測試劑①應(yīng)該是A（填以下字母編號(hào)）
A．氫氧化鈉溶液      B．氧化鋁          C．氨水        D．水
（3）溶液D到固體E過程中需要控制溶液pH=13，如果pH過小，可能導(dǎo)致的后果是鎂離子沉淀不完全或氫氧化鋁溶解不完全等；（任寫一點(diǎn)）
（4）H中溶質(zhì)的化學(xué)式：NaHCO₃；
（5）計(jì)算溶液F中c（Mg²⁺）=5.6×10^-10mol/L（25℃時(shí)，氫氧化鎂的K_sp=5.6×10^-12）

Answer 1

分析 硫酸渣的成分為SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO，當(dāng)向硫酸渣中加過量鹽酸時(shí)，二氧化硅和鹽酸不反應(yīng)，所以固體A是二氧化硅，氧化鐵、氧化鋁、氧化鎂和鹽酸反應(yīng)，所以溶液B的溶質(zhì)是氯化鎂、氯化鐵、氯化鋁、鹽酸；向溶液B中加試劑①并調(diào)節(jié)溶液的PH值為3.7，結(jié)合題意溶液pH=3.7時(shí)Fe³⁺已經(jīng)沉淀完全知，試劑①是能和氯化鐵反應(yīng)生成沉淀的物質(zhì)且和鋁離子反應(yīng)沒有沉淀生成，所以試劑①只能是強(qiáng)堿溶液，固體C是氫氧化鐵；向溶液D中加入試劑①并調(diào)節(jié)溶液的PH值為13，溶液呈強(qiáng)堿性溶液，鋁元素在溶液中以偏鋁酸根離子存在，鎂離子和氫氧根離子生成氫氧化鎂沉淀，所以固體E是氫氧化鎂；溶液F的溶質(zhì)含有偏鋁酸鈉和氯化鈉，向F溶液中通入過量二氧化碳?xì)怏w，偏鋁酸鈉和二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀，所以G是氫氧化鋁、H為碳酸氫鈉．
（1）根據(jù)二氧化硅和氫氧化鈉的性質(zhì)寫出相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式；
（2）能使鐵離子產(chǎn)生沉淀，而鋁離子不產(chǎn)生沉淀的物質(zhì)只能是強(qiáng)堿；
（3）在強(qiáng)堿性條件下，鋁元素以偏鋁酸根離子存在，鎂元素以氫氧化鎂存在；
（4）H中溶質(zhì)為碳酸氫鈉；
（5）根據(jù)c（Mg²⁺）=$\frac{Ksp}{C（O{H}^{-}）^{2}}$計(jì)算．

解答 解：硫酸渣的成分為SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO，當(dāng)向硫酸渣中加過量鹽酸時(shí)，二氧化硅和鹽酸不反應(yīng)，所以固體A是二氧化硅，氧化鐵、氧化鋁、氧化鎂和鹽酸反應(yīng)，所以溶液B的溶質(zhì)是氯化鎂、氯化鐵、氯化鋁、鹽酸；向溶液B中加試劑①并調(diào)節(jié)溶液的PH值為3.7，結(jié)合題意溶液pH=3.7時(shí)Fe³⁺已經(jīng)沉淀完全知，試劑①是能和氯化鐵反應(yīng)生成沉淀的物質(zhì)且和鋁離子反應(yīng)沒有沉淀生成，所以試劑①只能是強(qiáng)堿溶液，固體C是氫氧化鐵；向溶液D中加入試劑①并調(diào)節(jié)溶液的PH值為13，溶液呈強(qiáng)堿性溶液，鋁元素在溶液中以偏鋁酸根離子存在，鎂離子和氫氧根離子生成氫氧化鎂沉淀，所以固體E是氫氧化鎂；溶液F的溶質(zhì)含有偏鋁酸鈉和氯化鈉，向F溶液中通入過量二氧化碳?xì)怏w，偏鋁酸鈉和二氧化碳反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀，所以G是氫氧化鋁、H為碳酸氫鈉，
（1）通過以上分析知，A是二氧化硅，二氧化硅是酸性氧化物，能和強(qiáng)堿反應(yīng)生成鹽和水，
所以反應(yīng)方程式為：SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O．
故答案為：SiO₂+2OH^-=SiO₃^2-+H₂O；
（2）向溶液B中加試劑①并調(diào)節(jié)溶液的PH值為3.7，結(jié)合題意知，溶液pH=3.7時(shí)Fe³⁺已經(jīng)沉淀完全知，試劑①是能和氯化鐵反應(yīng)生成沉淀的物質(zhì)且和鋁離子反應(yīng)沒有沉淀生成，所以試劑①只能是強(qiáng)堿溶液，符合條件的是A選項(xiàng)．
故選A；
（3）在強(qiáng)堿性條件下，鋁元素以偏鋁酸根離子存在，鎂元素以氫氧化鎂存在，當(dāng)溶液的PH=13時(shí)，溶液呈強(qiáng)堿性，如果pH過小，可能導(dǎo)致的后果是鎂離子沉淀不完全或氫氧化鋁溶解不完全等．
故答案為：鎂離子沉淀不完全或氫氧化鋁溶解不完全等；
（4）H中溶質(zhì)為碳酸氫鈉，故答案為：NaHCO₃；
（5）c（Mg²⁺）=$\frac{Ksp}{C（O{H}^{-}）^{2}}$=$\frac{5.6×1{0}^{-12}}{（0.1）^{2}}mol/L$=5.6×10^-10 mol/L
故答案為：5.6×10^-10 mol/L．

點(diǎn)評 本題考查了物質(zhì)的分離、提純的方法選擇及應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和評價(jià)，為高考常見題型，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力的考查，題目難度較大，明確各物質(zhì)的性質(zhì)是解本題的關(guān)鍵，本題注意溶度積的相關(guān)計(jì)算．