Question

20．某地煤矸石經預處理后含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量鈣鎂的化合物等，一種綜合利用工藝設計如圖：

（1）“酸浸”過程中主要反應的離子方程式為Al₂O₃+6H⁺→2Al³⁺+3H₂O、Fe₂O₃+6H⁺→2Fe³⁺+3H₂O．
（2）“酸浸”時鋁浸出率的影響因素可能有鹽酸的濃度、反應溫度、煤矸石顆粒大小、是否充分攪拌、反應時間等．（寫出兩個）
（3）“堿溶”的目的是將Al（OH）₃轉化為AlO₂^-，以便和Fe（OH）₃分離．物質X的化學式為CO₂．
（4）已知Fe³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為2.1和3.2，Al³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為4.1和5.4．為了獲得產品Al（OH）₃，從煤矸石的鹽酸浸取液開始，若只用CaCO₃一種試劑，后續(xù)操作過程是加入CaCO₃調節(jié)pH到3.2，過濾除去Fe（OH）₃后，再加入CaCO₃調節(jié)pH到5.4，過濾得到Al（OH）₃．
（5）以煤矸石為原料還可以開發(fā)其他產品，例如在煤矸石的鹽酸浸取液除鐵后，常溫下向AlCl₃溶液中不斷通入HCl氣體，可析出大量AlCl₃•6H₂O晶體，結合化學平衡移動原理解釋析出晶體的原因：AlCl₃飽和溶液中存在溶解平衡AlCl₃•6H₂O（s）?Al³⁺（aq）+3Cl^-（aq）+6H₂O（l），通入HCl氣體使溶液中c（Cl^-）增大，平衡向析出固體的方向移動從而析出AlCl₃晶體．

Answer 1

分析 含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量鈣鎂的化合物用鹽酸酸浸發(fā)生的反應為：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；則過濾的溶液為氯化鐵和氯化鋁的溶液，加碳酸鈣消耗溶液中的氫離子使三價鐵離子、三價鋁離子都水解生成氫氧化鐵、氫氧化鋁的沉淀，所以再加入氫氧化鈉，只有氫氧化鋁溶解反應為：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液為偏鋁酸鈉溶液再通入二氧化碳進一步反應又生成氫氧化鋁；
（1）能和酸反應的物質有氧化鋁和氧化鐵，二氧化硅為殘渣；
（2）酸浸”時鋁浸出率的影響因素可能是酸的濃度、溫度、反應物的接觸面積、反應時間等都影響反應速率；
（3）流程中的沉淀為氫氧化鐵、氫氧化鋁，氫氧化鋁能溶解在氫氧化鈉溶液中，而氫氧化鐵不能，碳酸鈣和水解中的氫離子反應生成的二氧化碳；
（4）調節(jié)溶液的pH值，可使Fe³⁺生成氫氧化鐵而除去；
（5）氯化氫氣體可以抑制氯化鋁的水解；

解答 解：含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量鈣鎂的化合物用鹽酸酸浸發(fā)生的反應為：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；則過濾的溶液為氯化鐵和氯化鋁的溶液，加碳酸鈣消耗溶液中的氫離子使三價鐵離子、三價鋁離子都水解生成氫氧化鐵、氫氧化鋁的沉淀，所以再加入氫氧化鈉，只有氫氧化鋁溶解反應為：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液為偏鋁酸鈉溶液再通入二氧化碳進一步反應又生成氫氧化鋁；
（1）能和酸反應的物質有氧化鋁和氧化鐵，二氧化硅不與酸反應，為殘渣，反應的離子方程式為Al₂O₃+6H⁺→2Al³⁺+3H₂O、Fe₂O₃+6H⁺→2Fe³⁺+3H₂O，
故答案為：Al₂O₃+6H⁺→2Al³⁺+3H₂O、Fe₂O₃+6H⁺→2Fe³⁺+3H₂O；
（2）酸的濃度、溫度、反應物接觸面積、是否充分攪拌、反應時間等都影響反應速率的因素，
故答案為：鹽酸的濃度、反應溫度、煤矸石顆粒大小、是否充分攪拌、反應時間等；
（3）流程中的沉淀為氫氧化鐵、氫氧化鋁，氫氧化鋁能溶解在氫氧化鈉溶液中，而氫氧化鐵不能，所以“堿溶”的目的是將Al（OH）₃ 轉化為AlO₂^-，以便和Fe（OH）₃分離，碳酸鈣和水解中的氫離子反應生成的二氧化碳，所以物質X的化學式為CO₂，
故答案為：將Al（OH）₃ 轉化為AlO₂^-，以便和Fe（OH）₃分離；CO₂；
（4）Fe³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為2.1和3.2，Al³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為4.1和5.4，要使鐵離子完全沉淀而鋁離子不沉淀，則溶液的PH應該為3.2，過濾氫氧化鋁沉淀時調節(jié)溶液pH為5.4，以使氫氧化鋁完全沉淀，
故答案為：加入CaCO₃調節(jié)pH到3.2，過濾除去Fe（OH）₃后，再加入CaCO₃調節(jié)pH到5.4，過濾得到Al（OH）₃；
（5）氯化鋁在溶液中存在溶解平衡，AlCl₃•6H₂O（s）?Al³⁺（aq）+3Cl^-（aq）+6H₂O（l），根據(jù)平衡移動原理可知，通入氯化氫后溶液中氯離子濃度增大，抑制氯化鋁溶解，所以促進氯化鋁晶體析出，
故答案為：AlCl₃飽和溶液中存在溶解平衡AlCl₃•6H₂O（s）?Al³⁺（aq）+3Cl^-（aq）+6H₂O（l），通入HCl氣體使溶液中c（Cl^-）增大，平衡向析出固體的方向移動從而析出AlCl₃晶體．

點評 本題以工藝流程為載體考查了溶解平衡原理、物質間的反應、除雜等知識點，這種題型是高考�？碱}型，綜合性較強，涉及知識面較廣，用教材基礎知識采用知識遷移的方法分析解答，難度不大．