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- 2021-04-15 发布
从铝土矿到铝合金
1.在标准状况下进行甲、乙、丙三组实验:各取30 mL同浓度的盐酸溶液,加入不同质量的同一种镁铝合金粉末,产生气体,有关数据记录如下:
实验序号
甲
乙
丙
合金质量(g)
0.255
0.385
0.459
生成气体体积(mL)
280
336
336
试回答:
(1)计算出盐酸的物质的量浓度为__________mol·L-1(保留两位有效数字)。
(2)镁、铝的物质的量之比为________。
【解析】(1)盐酸完全反应生成氢气336 mL,氢气的物质的量为
=0.015 mol,根据氢元素守恒可知n(HCl)=2n(H2)=2×0.015 mol=0.03 mol,故盐酸的物质的量浓度为=1.0 mol·L-1;
(2)甲中盐酸有剩余,金属完全反应,此时生成氢气280 mL,故可以根据甲组数据计算金属的物质的量之比,令镁、铝的物质的量分别为x mol、y mol,根据二者质量可知24x+27y=0.255,根据电子转移守恒有2x+3y=×2,联立方程解得:x=0.005、y=0.005,故合金中镁与铝的物质的量之比为0.005 mol∶
0.005 mol=1∶1。
答案:(1)1.0 (2) 1∶1
2.某校化学兴趣小组用下图所示过程除去AlCl3中含有的Mg2+、K+杂质并尽可能减少AlCl3的损失。请回答下列问题:
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(1)写出混合物中加入足量氢氧化钠溶液时,溶液中发生反应的离子方程式____、 ____、 ____。
(2)氢氧化钠溶液能否用氨水代替,为什么? __。
(3)溶液a中存在的离子有__;
在溶液a中加入盐酸时需控制盐酸的量,为什么?__;
为此,改进方法是__。
【解析】(1)向混合物中加入足量氢氧化钠溶液时,发生的反应为Mg2++2OH-
Mg(OH)2↓、Al3++3OH-Al(OH)3↓、Al(OH)3+OH-Al+2H2O。
(2)不能用氨水代替NaOH溶液,因为在Al3+与氨水反应生成Al(OH)3后,Al(OH)3不能与氨水继续反应,从而不能将Al(OH)3与Mg(OH)2分开。
(3)溶液a中存在Cl-、K+、Al、H+、OH-、Na+,因为氢氧化铝能与强酸反应,所以在加入盐酸沉淀Al时,需要控制盐酸的量,以防止部分铝转化成Al3+;
Al(OH)3不与二氧化碳反应,可通入二氧化碳气体。
答案:(1)Mg2++2OH-Mg(OH)2↓
Al3++3OH-Al(OH)3↓
Al(OH)3+OH-Al+2H2O
(2)不能,因为在Al3+与氨水反应生成Al(OH)3后,Al(OH)3不能与氨水继续反应,从而不能将Al(OH)3与Mg(OH)2分开 (3)Cl-、K+、Al、H+、OH-、Na+ 因为氢氧化铝能与强酸反应,所以在加入盐酸沉淀Al时,需要控制盐酸的量,以防止部分铝转化成Al3+ 通入过量二氧化碳气体
3.Na与Al混合物共1 mol与足量的水充分反应。(已知:2Al+ 2NaOH +2H2O
2NaAlO2+3H2↑)
(1)当Na与Al的物质的量之比为________时,混合物与水反应产生的H2最多。
(2)当Na与Al的物质的量之比为________时,混合物与水反应产生的H2的体积为13.44 L(标准状况下)。
【解析】(1)当Na与Al恰好反应时,混合物与水反应产生的氢气最多,根据化学反应2Na+2H2O2NaOH+H2、2Al+ 2NaOH +2H2O2NaAlO2+3H2↑,所以当Na与Al的物质的量之比为1∶1时,混合物与水反应产生的氢气最多。
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(2)13.44 L氢气的物质的量为0.6 mol,设Na与Al以物质的量之比1∶1发生反应生成氢气,根据化学方程式2Na+2H2O2NaOH+H2↑、2Al+ 2NaOH +2H2O
2NaAlO2+3H2↑,得总反应方程式为2Na+2Al+4H2O2NaAlO2+4H2↑,则参加反应的Na为0.3 mol,参加反应的Al为0.3 mol,还有0.4 mol Al没有反应,则Na与Al的物质的量之比为3∶7;1 mol Na完全反应生成0.5 mol氢气,实际上生成氢气0.6 mol,则Al一定参加反应,设参加反应的Na为x mol,参加反应的Al为y mol,根据反应2Na+2H2O2NaOH+H2↑、2Al+2NaOH +2H2O2NaAlO2+ 3H2↑,0.5x+1.5y
=0.6,x+y=1,解得x=0.9 mol,y=0.1 mol,所以Na与Al的物质的量之比为9∶1。
答案:(1)1∶1 (2)9∶1(或3∶7)
4.铝是一种应用广泛的金属,工业上用Al2O3和冰晶石(Na3AlF6)混合熔融电解制得。
①铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2等。从铝土矿中提炼Al2O3的流程如下:
②以萤石(CaF2)和纯碱为原料制备冰晶石的流程如下:
回答下列问题:
(1)写出反应1的化学方程式: __。
(2)滤液Ⅰ中加入CaO生成的沉淀是________,反应2的离子方程式为__。
(3)E可作为建筑材料,化合物C是________,写出由D制备冰晶石的化学方程式:__。
(4)电解法制铝的化学方程式是__,
以石墨为电极,阳极产生的混合气体的成分是____________。
【解析】(1)在加入NaOH溶液时,Al2O3和SiO2都能与NaOH反应,分别生成NaAlO2和Na2SiO3。(2)加入CaO后,Si与Ca2+结合生成难溶物CaSiO3;滤液Ⅱ中主要含有Al,通入CO2后生成沉淀Al(OH)3,煅烧后生成Al2O3。(3)萤石能与浓硫酸反应生成CaSO4和HF
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气体;HF、Na2CO3、Al(OH)3三者均没有发生氧化还原反应,根据质量守恒定律可写出化学方程式。(4)电解Al2O3制取金属铝,加入的冰晶石为助熔剂;阳极产生的O2能与石墨电极反应生成CO2(可能含有CO)。
答案:(1)2NaOH+SiO2Na2SiO3+H2O、2NaOH+Al2O32NaAlO2+H2O
(2)CaSiO3 2Al+3H2O+CO22Al(OH)3↓+C[或Al+2H2O+CO2Al(OH)3↓+HC]
(3)浓硫酸 12HF+3Na2CO3+2Al(OH)32Na3AlF6+3CO2+9H2O
(4)2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑ O2、CO2(CO)
5.如图是一些常见的单质、化合物之间的转化关系图,有些反应中的部分物质被略去。常温常压下,A为无色有毒气体,B为红棕色粉末,C、E为金属单质,反应①②均为工业上的重要反应。
请回答下列问题:
(1)D是________,K是________;(填化学式)
(2)写出B与C高温反应生成E和F的化学方程式: __;
(3)写出D与J溶液反应生成G的离子方程式: __;
(4)写出图中I生成L的离子方程式: __。
【解析】反应①为工业上的重要反应,B为红棕色粉末,A为无色有毒气体,E为金属单质,可以推断此反应是工业上高炉炼铁的反应,所以A是CO,B是Fe2O3,CO与Fe2O3在高温条件下生成Fe和CO2,D能够与氢氧化钠溶液反应生成G,且G受热分解生成J,所以D是CO2,G是NaHCO3,J是Na2CO3;E是Fe,Fe与盐酸反应生成H,H与Cl2生成K,K与Fe反应生成H,K与H可以相互转化,所以H是FeCl2,K是FeCl3;
Fe2O3在高温下与金属单质C反应生成Fe,且该反应是工业上的重要反应,所以该反应是铝热反应,所以F是Al2O3,氧化铝与盐酸反应生成I,I与过量氢氧化钠溶液反应生成L,所以I是AlCl3,L是NaAlO2,所以A是CO,B是Fe2O3,C是Al,D是CO2,E是Fe,F是Al2O3,G是NaHCO3,H是FeCl2,I是AlCl3 ,J是Na2CO3,K是FeCl3, L是NaAlO2。
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(1)根据上述推断可知:D是CO2, K是FeCl3;
(2)Al与Fe2O3在高温条件下反应生成Fe和Al2O3,其化学方程式:Fe2O3+2Al
Al2O3+2Fe;
(3)D是CO2,J是Na2CO3,将CO2气体通入Na2CO3溶液中生成NaHCO3,其反应的离子方程式:CO2+C+H2O2HC;
(4)在AlCl3溶液中加入过量氢氧化钠,先生成氢氧化铝沉淀,氢氧化钠过量,沉淀溶解,生成偏铝酸钠溶液,其反应的离子方程式:Al3++4OH-Al+2H2O。
答案:(1)CO2 FeCl3
(2)Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe
(3)CO2+C+H2O2HC
(4)Al3++4OH-Al+2H2O
1.某无色溶液中可能含有H+、OH-、Na+、N,加入铝粉后,只产生H2,问该无色溶液中能大量存在哪几种离子。
(1)加入铝粉产生H2,说明铝具有__________(填“氧化性”或“还原性”)。
(2)若H+大量存在,则N就不能大量存在。设计实验证实如下:
装置
现象
Ⅰ.实验初始,未见明显现象
Ⅱ.过一会儿,出现气泡,液面上方呈浅棕色
Ⅲ.试管变热,溶液沸腾
①盐酸溶解Al2O3薄膜的离子方程式是 __。
②根据现象Ⅱ,推测溶液中产生了NO,为进一步确认,进行如下实验:
实验
内容
现象
实验1
将湿润KI-淀粉试纸置于空气中
试纸未变蓝
实验2
用湿润KI-淀粉试纸检验浅棕色气体
试纸变蓝
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a.浅棕色气体是__________ 。
b.实验1的目的是__。
c.实验1、2说明反应生成了NO,将生成NO的离子方程式补充完整:
____Al+____N+__ ____Al3++____NO↑+____
(3)再假设:若OH-大量存在,N也可能不大量存在。
重新设计实验证实如下:
装置
现象
Ⅰ.实验初始,未见明显现象
Ⅱ.过一会儿,出现气泡,有刺激性气味
为确认:“刺激性气味”气体,进行如下实验:用湿润KI-淀粉试纸检验,未变蓝;用湿润红色石蕊试纸检验,试纸变蓝。
①刺激性气味的气体是________。
②产生该气体的离子方程式是__。
(4)在NaOH溶液中加入铝粉,结果只检验出有H2生成,其化学方程式是__。
【解析】(1)加入铝粉产生H2, Al为还原剂,具有还原性。
(2)①盐酸与氧化铝反应的离子反应方程式为6H++Al2O32Al3++3H2O。
②液面上方呈浅棕色,一定不是氢气,为氮的氧化物,将湿润KI-淀粉试纸置于空气中未变蓝,说明KI在空气中不能被氧化,而用湿润KI-淀粉试纸检验浅棕色气体试纸变蓝,则KI被氧化,即二氧化氮与水反应生成硝酸,再氧化碘离子生成碘单质。
a.由上述分析可知,浅棕色气体是NO2;
b.实验1的目的是对比实验;
c.Al与H+、N发生反应的离子方程式为Al+N+4H+Al3++NO↑+2H2O。
(3)①用湿润KI-淀粉试纸检验,未变蓝;用湿润红色石蕊试纸检验,试纸变蓝,则气体为NH3。
②由上述分析可知,碱性条件下Al与N发生反应的离子方程式为8Al+3N+
5OH-+2H2O3NH3↑+8Al。
(4)NaOH溶液中加入铝粉,反应的化学方程式为2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+
3H2↑。
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答案:(1)还原性
(2)①6H++Al2O32Al3++3H2O
②a.NO2 b.对比实验,排除氧气使湿润的KI-淀粉试纸变蓝的可能
c.1 1 4H+ 1 1 2H2O
(3)①NH3 ②8Al+3N+5OH-+2H2O3NH3↑+8Al
(4)2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑
2.铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为Al2O3,含SiO2和Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下:
注:SiO2在“碱溶”时转化为铝硅酸钠沉淀。
(1)“碱溶”时生成偏铝酸钠的离子方程式为 __。
(2)向“过滤Ⅰ”所得滤液中加入NaHCO3溶液,溶液的pH________(选填“增大”“不变”或“减小”)。
(3)“电解Ⅰ”是电解熔融Al2O3,电解过程中作阳极的石墨易消耗,原因是__。
(4)铝粉在1 000 ℃时可与N2反应制备AlN。在铝粉中添加少量NH4Cl固体并充分混合,有利于AlN的制备,其主要原因是__。
【解析】(1)Al2O3为两性氧化物,在NaOH溶液中会溶解生成NaAlO2。(2)加入的NaHCO3与过量的NaOH反应,导致溶液的pH减小。(3)电解Al2O3时阳极上生成O2,O2会氧化石墨。
答案:(1)Al2O3+2OH-2Al+H2O
(2)减小
(3)石墨电极被阳极上产生的O2氧化
(4)NH4Cl分解产生的HCl能够破坏Al表面的Al2O3薄膜
3.从铝土矿(主要成分是Al2O3,含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)中提取氧化铝通常有两种工艺。因向铝土矿中加入NaOH时形成的赤泥(残渣)中常含有铝硅酸钠,故流程乙常处理SiO2含量小于8%的铝土矿,若SiO2含量较高则可采用流程甲来处理。
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请回答下列问题:
(1)流程甲加入盐酸后生成Al3+的离子方程式为_________________。
(2)流程乙加入烧碱后生成Si的离子方程式为____________________ 。
(3)流程甲滤液D中通入过量CO2的化学方程式为___________________。
(4)“通入过量CO2”能否改用盐酸________ ,原因是__________ 。
(5)滤液E、K中溶质的主要成分是________(填化学式),写出该溶质的一种用途________。
【解析】由工艺流程甲可知,铝土矿与盐酸反应得固体A和滤液B,则固体A为SiO2,滤液B含有氯化铝、氯化铁、氯化镁等,滤液中加入过量的NaOH,可推知沉淀C为氢氧化铁、氢氧化镁,滤液D含有偏铝酸钠、氯化钠,所以向滤液D中通入过量二氧化碳,生成氢氧化铝沉淀与碳酸氢钠,沉淀F为Al(OH)3,滤液E中含有NaCl、NaHCO3;根据工艺流程乙可知,铝土矿中的Al2O3、SiO2能和氢氧化钠反应,可知固体X为Fe2O3、MgO等,滤液Y为硅酸钠、偏铝酸钠,滤液中通入过量二氧化碳,沉淀Z为Al(OH)3、硅酸,滤液K中含有NaHCO3。(1)Al2O3与盐酸反应生成氯化铝和水,氧化物不能拆,离子方程式为:Al2O3+6H+2Al3++3H2O;
(2)二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水,二氧化硅不能拆,故离子反应方程式为:SiO2+2OH-Si+H2O;
(3)流程甲滤液D含有偏铝酸钠,通入过量CO2反应生成氢氧化铝沉淀,反应的化学方程式为NaAlO2+CO2+2H2OAl(OH)3↓+NaHCO3;
(4)“通入过量CO2”不能改用盐酸,因为Al(OH)3沉淀会溶于过量的盐酸中;
(5)滤液B中加入过量NaOH,生成Fe(OH)3沉淀、Mg(OH)2沉淀和NaAlO2;过滤,滤液D中含有NaAlO2、NaCl和过量的NaOH,向滤液D中通入过量CO2,NaAlO2和CO2反应生成氢氧化铝沉淀,NaOH和过量的CO2反应生成NaHCO3;过滤,滤液E中溶质的主要成分为NaHCO3;滤液Y中通入过量CO2,硅酸钠反应生成硅酸,NaAlO2生成氢氧化铝,过量的NaOH和过量的CO2反应生成NaHCO3;过滤,滤液K中溶质的主要成分为NaHCO3;NaHCO3的用途很多,如制纯碱或做发酵粉等。
答案:(1)Al2O3+6H+2Al3++3H2O
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(2)SiO2+2OH-Si+ H2O
(3)NaAlO2+CO2+2H2OAl(OH)3↓+NaHCO3
(4)不能 Al(OH)3沉淀会溶于过量的盐酸中
(5)NaHCO3 制纯碱或作发酵粉等
4.实验室采用MgCl2、AlCl3的混合溶液与过量氨水反应制备MgAl2O4的主要流程如下:
(1)制备MgAl2O4过程中,高温焙烧时发生反应的化学方程式为__。
(2)判断流程中沉淀是否洗净所用的试剂是__。
(3)在25 ℃下,向浓度均为0.01 mol·L-1的AlCl3和MgCl2混合溶液中逐滴加入足量氨水,生成沉淀的离子方程式: __。
(4)无水AlCl3(183 ℃升华)遇潮湿空气即产生大量白雾,实验室可用下列装置制备。
装置B中盛放饱和NaCl溶液,该装置的主要作用是__;
F中试剂的作用是__。
(5)将Mg、Cu组成的3.92 g混合物投入过量稀硝酸中,充分反应后,固体完全溶解时收集到还原产物NO气体1.792 L(标准状况),向反应后的溶液中加入
4 mol·L-1的NaOH溶液80 mL 时金属离子恰好完全沉淀。则形成沉淀的质量为________g。
【解析】(1)MgCl2、AlCl3的混合溶液中加入过量氨水,过滤所得沉淀为Al(OH)3和Mg(OH)2,故反应为2Al(OH)3+Mg(OH)2MgAl2O4+4H2O。
(2)根据反应流程,沉淀中附着氯离子和铵根离子,若判断是否洗净,可以取少量最后一次洗涤液,加入AgNO3溶液(或硝酸酸化的AgNO3溶液)进行判断,若生成白色沉淀,则说明没有洗涤干净;若没有沉淀生成,则说明已经洗涤干净。
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(3)加入足量氨水,生成Al(OH)3、Mg(OH)2,一水合氨是弱碱,书写离子方程式时不能拆开,且生成沉淀不再溶解,离子方程式为Al3++3NH3·H2OAl(OH)3↓+3N 、Mg2++2NH3·H2O Mg (OH)2↓+2N。
(4)B中的饱和食盐水是为了除去混有的HCl气体;因为氯化铝易发生水解,故应该防止水蒸气进入E装置,F中试剂的作用是吸收水蒸气。
(5)设Mg和Cu的物质的量分别为a mol、b mol,根据电子守恒可得:2a+2b=0.08
×3,则a+b=0.12,m(沉淀)=m(金属)+m(OH-)=3.92 g+0.12 mol×2×17 g·mol-1=
8.00 g。
答案:(1)2Al(OH)3+Mg(OH)2MgAl2O4+4H2O
(2)AgNO3溶液(或硝酸酸化的AgNO3溶液)
(3)Al3++3NH3·H2OAl(OH)3↓+3N,
Mg2++2NH3·H2O Mg (OH)2↓+2N
(4)除去HCl 吸收水蒸气
(5)8.00
5.铝是现今人类生产生活中使用广泛性仅次于铁的重要金属。工业上常以钒土矿为原料来冶炼金属铝。已知:钒土的主要成分是Al2O3(其中含有Fe2O3、SiO2等杂质)。为了检测某钒土矿样中Al2O3的含量,进行了如下实验过程:
①取矿样10.0 g加入过量稀盐酸溶解(假定其他未知成分的杂质都不溶于盐酸,也不和盐酸反应),过滤弃去不溶残渣。
②将滤液稀释并在250 mL容量瓶中定容后,取25.0 mL逐滴滴加2.0 mol·L-1的NaOH溶液,得到如图所示的变化关系。请根据有关数据回答下列问题:
(1)写出滴加NaOH溶液24～30 mL时发生反应的离子方程式:__。
(2)最后所得不溶于NaOH溶液的沉淀的化学式为________,其物质的量为________。
(3)该钒土矿样中Al2O3的质量分数为________。
(4)工业上制取金属铝的化学反应原理可表示为
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2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
用10.0 t钒土矿样提纯所得的Al2O3(提纯过程的损耗忽略不计)进行电解,理论上最多可制得金属铝________t,
假定Al2O3在熔融状态完全电离为Al3+和O2-,则电解过程的阳极反应式为__。
【解析】(1)滴加NaOH溶液24～30 mL段Al(OH)3逐渐溶解,离子方程式为Al(OH)3
+OH-Al+2H2O。
(2)①中加入过量盐酸过滤后得到的滤液中含有AlCl3、FeCl3和HCl,不溶残渣为SiO2,②中滴加NaOH溶液至过量得到的沉淀为Fe(OH)3,溶液中含有NaOH、NaAlO2和NaCl。根据24～30 mL段,n(Al3+)=n[Al(OH)3]=2.0 mol·L-1×(30-24)×10-3 L
=0.012 mol,根据Fe3++3OH-Fe(OH)3↓、Al3++3OH-Al(OH)3↓,则3n(Al3+)+
3n(Fe3+)=(24-3)×10-3 L×2.0 mol·L-1=0.042 mol,故n(Fe3+)=(0.042 mol-
0.012 mol×3)×=0.002 mol,故Fe(OH)3=0.002 mol。
(3)10.0 g矿样中n(Al2O3)=0.012 mol××10=0.06 mol,故Al2O3的质量分数为
×100%=61.2%。
(4)根据Al2O3～2Al,用10.0 t 钒土矿样提纯并电解,制得金属铝的质量为10.0 t
×61.2%×=3.24 t。电解熔融Al2O3时阳极为O2-放电,电极反应式为2O2--4e-
O2↑。
答案:(1)Al(OH)3+OH-Al+2H2O
(2)Fe(OH)3 2.00×10-3 mol (3)61.2%
(4)3.24 2O2--4e-O2↑
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