Question

10．某研究型學習小組為測定鎂和鋁的混合物中鋁的質量分數(shù)，稱取該樣品a g，溶于200mL 5mol/L HCl溶液中，共收集到標準狀況下的氫氣3.36L．
（1）小組成員設計出了四種制備并收集氫氣的實驗裝置，如圖所示，小圓黑球為樣品．
你認為哪種裝置實驗時能像啟普發(fā)生器那樣“隨開隨用，隨關隨�！钡刂苽錃怏w（填圖序號）（3）（4）．
（2）a 的取值范圍是2.7＜a＜3.6．
（3）向反應后所得溶液中逐漸加入4mol/L的NaOH溶液，沉淀的最大質量是（a+5.1）g．（用含a 的代數(shù)式表示）
（4）繼續(xù)加入NaOH溶液至沉淀質量不再發(fā)生變化時，過濾、洗滌并灼燒沉淀至恒重，所得殘余固體的質量仍為a g，原混合物中鋁的質量分數(shù)是40%．

Answer 1

分析 （1）隨開隨用隨關隨停的氣體發(fā)生裝置是利用固體和液體的接觸或分離而實現(xiàn)的，其中固液分離可以是利用氣壓的增大把液體壓入長頸漏斗等容器，達到固液分離的目的，從而使反應停止．
（2）根據(jù)極限法求出極限點，根據(jù)Mg和Al與鹽酸的反應可知，當氫氣的量固定時，合金全為Mg時合金質量最大，當合金全為Al時合金質量最��；
（3）根據(jù)溶液中的HCl、MgCl₂、AlCl₃與堿反應求出NaOH的物質的量；
（4）根據(jù)合金當中Al元素的質量與MgO中O元素的質量相等，求出Al質量分數(shù)．

解答 解：（1）圖（1）當打開止水夾時固液接觸，反應發(fā)生；當關閉止水夾時雖然廣口瓶內的氣壓增大，但無法把液體和固體分離，故不能實現(xiàn)使反應隨時發(fā)生隨時停止的目的；
圖（2）進行生成氣體可以把液體排出試管，但不能使反應停止，不能實現(xiàn)使反應隨時發(fā)生隨時停止的目的；
圖（3）當打開止水夾時固液接觸，反應發(fā)生；當關閉止水夾時，隨著氣壓的增大，把液體壓入長頸漏斗，固體和液體分離反應停止，因此可以實現(xiàn)使反應隨時發(fā)生隨時停止的目的；
圖（4）當打開止水夾時固液接觸，反應發(fā)生；當關閉止水夾時，隨著氣壓的增大，把液體壓入U型管的左端，使固液分離，反應停止，因此可以實現(xiàn)使反應隨時發(fā)生隨時停止的目的；
故答案為：（3）（4）；
（2）根據(jù)氫氣體積，可以確定氫氣物質的量為$\frac{3.36L}{22.4L/mol}$=0.15mol，則反應的氫離子的物質的量為0.15×2=0.3mol，HCl溶液中HCl物質的量為0.2L×5mol/L=1mol，則鹽酸未完全反應．根據(jù)Mg和Al與鹽酸的反應可知，當氫氣的量固定時，合金全為Mg時合金質量最大，當合金全為Al時合金質量最小
     Mg～H₂
0.15mol 0.15mol
    2Al～3H₂
0.1mol 0.15mol
所以兩種狀況下合金質量分別為：Mg：0.15mol×24g/mol=3.6g，Al：0.1mol×24g/mol=2.7g，
故答案為：2.7＜a＜3.6；
（3）根據(jù)反應過程我們可以發(fā)現(xiàn)
Mg～H₂～2HCl～Mg²⁺～2NaOH～Mg（OH）₂
Al～$\frac{3}{2}$H₂～3HCl～Al³⁺～3NaOH～Al（OH）₃
HCl（過量）～NaOH，故此不難發(fā)現(xiàn)，新引入的NaOH的物質的量與酸的物質的量相等，
由于沉淀當中只引入了OH^-，故沉淀質量應為原合金質量a加上新引入的OH^-的質量，而引入的OH^-的物質的量為氫氣物質的量的2倍，
所以沉淀的質量為：$\frac{3.36L}{22.4L/mol}$×2×17g/mol+ag=（a+5.1）g，
故答案為：（a+5.1）；
（4）這一問我們依然需要通過宏觀物質變化思考：易知最終物質為MgO，而最終MgO的質量與最初合金的質量相等，故可知合金當中Al元素的質量與MgO中O元素的質量相等，
所以合金當中Mg與Al的質量比即為MgO中Mg與O質量比相等，而MgO當中兩元素質量比即為原子量之比，故合金當中Al質量分數(shù)為：w（Al）=$\frac{16}{16+24}$×100%=40%
故答案為：40%．

點評 本題考查了物質組成性質分析判斷，主要是反應特征的理解應用，氧化還原反應電子轉移，沉淀質量計算，物質含量測定方法，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．