Question

4．1．某廢水中可能含有下列離子中的若干種：Fe³⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Cl^-、CO₃^2-、NO₃^-、SO₄^2-、SiO₃^2-．現進行如下實驗：
Ⅰ．取少量溶液，加入KSCN溶液，無明顯變化
Ⅱ．另取溶液加入少量鹽酸，有無色氣體生成，該無色氣體遇空氣變成紅棕色
Ⅲ．向Ⅱ中所得溶液中加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成
Ⅳ．向Ⅱ中所得溶液中加入過量濃氨水，僅有紅褪色沉淀生成，過濾，在所得溶液中加入鹽酸至酸性時，再加入氫氧化鈉溶液，有藍色沉淀生成
請回答下列問題：
（1）該廢水一定含有的離子是Fe²⁺、Cu²⁺、NO₃^-、SO₄^2-；
（2）實驗Ⅱ中加入鹽酸生成無色氣體的離子方程式是3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
（3）過濾除去Ⅳ中的藍色沉淀，調整溶液的pH為10.7左右時，加入鋁粉，反應產生氨氣和氮氣的體積比為1：4，其離子方程式為Al+NO₃^-+OH^-AlO₂^-+NH₃+N₂+H₂O（未配平）．若除去0.2molNO₃^-，消耗鋁9.6g．
2．某混合液中，可能大量含有的離子如表：

陽離子	H+、K+、Al3+、NH4+、Mg2+
陰離子	Cl-、Br-、OH-、CO32-、AlO2-

為探究其成分，某同學將Na₂O₂逐漸加入到上述混合溶液中并微熱，產生沉淀和氣體的物質的量與加入Na₂O₂的物質的量的關系分別如圖所示：
（1）該溶液中一定含有的陽離子是H⁺、Al³⁺、NH₄⁺、Mg²⁺，其對應物質的量濃度之比為2：2：2：3，溶液中一定不存在的陰離子是OH^-、CO₃^2-、AlO₂^-．
（2）請寫出沉淀減少的離子方程式Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O．

Answer 1

分析 1．I．取少量溶液，加入KSCN溶液時無明顯變化，證明溶液中不含鐵離子：
Ⅱ．另取溶液加入鹽酸，有無色氣體生成，該無色氣體遇空氣變成紅棕色，說明是一氧化氮氧化為二氧化氮，證明原溶液中一定含有NO₃^-和Fe²⁺；則不能有CO₃^2-、SiO₃^2-；
Ⅲ．向Ⅱ中所得溶液中加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，取原溶液加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，證明溶液中有SO₄^2-；
Ⅳ．向Ⅱ中所得溶液中加入過量濃氨水，生成氫氧化鐵紅褐色沉淀，溶液中沒有Al³⁺，過濾，在所得溶液中加入鹽酸至酸性時，再加入氫氧化鈉溶液，有藍色沉淀生成，積生成氫氧化銅沉淀，則溶液中含有Cu²⁺；
據此分析；
2．（1）根據生成的沉淀總物質的量最大量為5mol、最終得到3mol可知，最終得到的沉淀為3mol氫氧化鎂沉淀，溶解的2mol沉淀為氫氧化鋁；根據氣體的物質的量最后有增加可知，增加的氣體為氨氣，溶液中一定存在銨離子；根據開始加入過氧化鈉時沒有沉淀生成，說明原溶液中存在氫離子，根據題中數據計算出氫離子的物質的量；
（2）沉淀中氫氧化鋁沉淀能夠與氫氧化鈉溶液反應而導致沉淀減少，據此寫出反應的離子方程式．

解答 解：1．I．取少量溶液，加入KSCN溶液時無明顯變化，證明溶液中不含鐵離子：
Ⅱ．另取溶液加入鹽酸，有無色氣體生成，該無色氣體遇空氣變成紅棕色，說明是一氧化氮氧化為二氧化氮，證明原溶液中一定含有NO₃^-和Fe²⁺；則不能有CO₃^2-、SiO₃^2-；
Ⅲ．向Ⅱ中所得溶液中加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，取原溶液加入BaCl₂溶液，有白色沉淀生成，證明溶液中有SO₄^2-；
Ⅳ．向Ⅱ中所得溶液中加入過量濃氨水，生成氫氧化鐵紅褐色沉淀，溶液中沒有Al³⁺，過濾，在所得溶液中加入鹽酸至酸性時，再加入氫氧化鈉溶液，有藍色沉淀生成，積生成氫氧化銅沉淀，則溶液中含有Cu²⁺；
（1）綜上可知，該廢水一定含有的離子是Fe²⁺、Cu²⁺、NO₃^-、SO₄^2-，故答案為：Fe²⁺、Cu²⁺、NO₃^-、SO₄^2-；
（2）取溶液加入鹽酸，有無色氣體生成，該無色氣體遇空氣變成紅棕色，說明是一氧化氮氧化為二氧化氮，則硝酸與亞鐵離子反應生成NO和三價鐵離子、水，其離子方程式為：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
故答案為：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
（3）反應產生氨氣和氮氣的體積比為1：4，則配平方程式為：16Al+9NO₃^-+7OH^-=16AlO₂^-+4N₂↑+NH₃↑+2H₂O；已知0.2molNO₃^-，
 16Al+9NO₃^-+7OH^-=16AlO₂^-+4N₂↑+NH₃↑+2H₂O
 16      9
n（Al） 0.2mol
n（Al）=$\frac{3.2}{9}$mol
則Al的質量為$\frac{3.2}{9}$mol×27 g•mol^-1=9.6g
故答案為：9.6；
2．（1）根據圖象中沉淀先增加后部分溶解可知：溶液中一定含有：Mg²⁺和Al³⁺，所以一定不含CO₃^2-、AlO₂^-，并且含有鎂離子的物質的量為3mol，氫氧化鋁和氫氧化鎂沉淀一共是5mol，根據元素守恒，所以含有鋁離子的物質的量2mol；
加入8mol過氧化鈉會生成4mol氧氣，而圖象中生成了6mol氣體，說明生成的氣體除了過氧化鈉和溶液反應生成的氧氣之外，還一定有2mol其他氣體生成，而只能是氨氣，所以一定含有2mol銨根離子，所以一定不含有氫氧根離子；圖象中加入過氧化鈉的物質的量在0～amol之間時，沒有沉淀生成，所以溶液中含有H⁺，由于加入8mol過氧化鈉時生成的沉淀達到最大量5mol，8mol過氧化鈉會生成16mol氫氧化鈉，而生成2mol氫氧化鋁、3mol氫氧化鎂、2mol氨氣消耗的氫氧化鈉為：2mol×3+3mol×2+2mol=14mol，所以有2mol氫氧化鈉與氫離子反應，氫離子的物質的量為2mol；
并且物質的量為2mol，溶液中一定還含有陰離子，可能為氯離子或溴離子，鉀離子不能確定是否存在，
根據電荷守恒：所以n（H⁺）+3n（Al³⁺）+n（NH₄⁺）+2n（Mg²⁺）≤2n（SO₄^2-），所以氯離子物質的量≥16mol，即：

離子種類	H+	Al3+	NH4+	Mg2+	Br-或Cl-
物質的量（mol）	2	2	2	3	≥16

所以溶液中一定存在的陽離子為：H⁺、Al³⁺、NH₄⁺、Mg²⁺；含有的陽離子的物質的量之比為：n（H⁺）：n（Al³⁺）：n（NH₄⁺）：n（Mg²⁺）=2：2：2：3；溶液中一定不存在的陰離子為：OH^-、CO₃^2-、AlO₂^-，
故答案為：H⁺、Al³⁺、NH₄⁺、Mg²⁺；2：2：2：3；OH^-、CO₃^2-、AlO₂^-．
（2）生成的沉淀為氫氧化鎂和氫氧化鋁，其中氫氧化鋁能夠與氫氧化鈉溶液反應，反應的離子方程式為：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，
故答案為：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O．

點評 本題考查了離子檢驗的實驗方法和反應現象分析、離子方程式的書寫，掌握離子性質和溶液中電荷守恒計算判斷存在的離子是解題關鍵，題目難度較大．