Question

20．奧地利化學(xué)家拜耳的“堿溶法”與法國(guó)化學(xué)家埃魯?shù)摹半娊夥ā毕嘟Y(jié)合，奠定了現(xiàn)代電解冶煉鋁工業(yè)方法的基礎(chǔ)，電解鋁的原料主要來(lái)自鋁土礦（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂等），基本流程及裝置圖如下．
回答下列問(wèn)題：
（1）操作①和操作②都是過(guò)濾（填操作名稱），加入過(guò)量燒堿溶液時(shí)反應(yīng)的離子方程式為Al³⁺+4OH^-=AlO₂^-+2H₂O，F(xiàn)e³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓．
（2）加入過(guò)量X，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃．
（3）電解時(shí)，陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為2O^2--4e^-=O₂↑，實(shí)際生產(chǎn)中陽(yáng)極需要定期更換，原因是陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣會(huì)與電極材料中的碳反應(yīng)而使陽(yáng)極損耗．
（4）在電解槽的鋼板和陰極碳素材料之間需要放置a（選填字母序號(hào)）．
a、耐火絕緣   b、防爆導(dǎo)熱    c、耐火導(dǎo)電   d、導(dǎo)熱導(dǎo)電
（5）電解鋁時(shí)，以氧化鋁-冰晶石溶融液為電解質(zhì)，其中也常加入少量的氟化鈣，氟化鈣的作用是幫助降低氧化鋁的熔點(diǎn)．為制取冰晶石，工業(yè)上采用氫氧化鋁、純堿和氟化氫在一定條件下充分混合反應(yīng)制取冰晶石，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為2Al（OH）₃+12HF+3Na₂CO₃=2Na₃AlF₆+3CO₂↑+9H₂O．
（6）上述流程生產(chǎn)1mol金屬鋁耗電能約1.8×10⁶J．某鋁土礦中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%，則1噸該鋁土礦冶煉金屬鋁耗電能1.8×10¹⁰J；已知每個(gè)鋁制易拉罐約15g，其中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，由一只易拉罐回收生產(chǎn)金屬鋁耗電能約4.5×10⁴J，則制得等量金屬鋁的能耗為上述流程生產(chǎn)方法的5%；通過(guò)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，你能得到什么結(jié)論易拉罐的回收利用有利于節(jié)約能源．

Answer 1

分析 鋁土礦（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂等），加入過(guò)量稀硫酸，氧化鋁、氧化鐵溶解，二氧化硅不溶，過(guò)濾得到濾液1是氯化鋁溶液、氯化鐵溶液，加入過(guò)量氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鐵沉淀、偏鋁酸鈉溶液，過(guò)濾得到濾液2為偏鋁酸鈉溶液，通入過(guò)量的X為二氧化碳反應(yīng)生成碳酸氫鈉、氫氧化鋁沉淀，過(guò)濾得到氫氧化鋁沉淀受熱分解生成氧化鋁，通過(guò)加入冰晶石恒容氟化鈣降低氧化鋁熔點(diǎn)，以碳素做陰陽(yáng)極，電解生成電解鋁，凈化、澄清、精煉得到鋁錠，
（1）分析可知操作1和操作2是分離固體和溶液的操作為過(guò)濾，加入過(guò)量氫氧化鈉溶液是鐵離子生成氫氧化鐵沉淀，鋁離子和過(guò)量氫氧化鈉反應(yīng)生成偏鋁酸鈉和水；
（2）加入過(guò)量X為二氧化碳，二氧化碳和偏鋁酸鈉溶液反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉；
（3）電解原理可知陽(yáng)極失氧化鋁熔融后電離出的氧離子失電子生成氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，實(shí)際生產(chǎn)中陽(yáng)極需要定期更換是因?yàn)殛?yáng)極上生成氧氣會(huì)和材料中碳發(fā)生反應(yīng)消耗電極；
（4）依據(jù)電解原理分析可知，在電解槽的鋼板和陰極碳素材料之間需要耐火絕緣；
（5）Al為活潑金屬，電解鋁時(shí)的電解質(zhì)為氧化鋁-冰晶石熔融液，常加入少量氯化鈣的目的是降低熔點(diǎn)，Al₂O₃的熔點(diǎn)很高，熔化需要較多能量，加入冰晶石可以降低Al₂O₃的熔化溫度．根據(jù)質(zhì)量守恒定律書寫該化學(xué)方程式；
（6）某鋁土礦中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%，則1噸該鋁土礦中氧化鋁質(zhì)量=1×10⁶g，含鋁物質(zhì)的量=$\frac{1×1{0}^{6}g×51%}{102g/mol}$=10000mol，計(jì)算得到冶煉金屬鋁耗電能，已知每個(gè)鋁制易拉罐約15g，其中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，其中鋁的物質(zhì)的量=$\frac{15g×90%}{27g/mol}$=0.5mol，由一只易拉罐回收生產(chǎn)金屬鋁耗電能約4.5×10⁴J，生產(chǎn)1molAl耗電能=4.5×10⁴J×$\frac{1}{0.5}$=9×10⁴J，制得等量金屬鋁的能耗和上述流程生產(chǎn)方法耗能之比計(jì)算得到，易拉罐的回收利用可以節(jié)約能源．

解答 解：鋁土礦（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂等），加入過(guò)量稀硫酸，氧化鋁、氧化鐵溶解，二氧化硅不溶，過(guò)濾得到濾液1是氯化鋁溶液、氯化鐵溶液，加入過(guò)量氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鐵沉淀、偏鋁酸鈉溶液，過(guò)濾得到濾液2為偏鋁酸鈉溶液，通入過(guò)量的X為二氧化碳反應(yīng)生成碳酸氫鈉、氫氧化鋁沉淀，過(guò)濾得到氫氧化鋁沉淀受熱分解生成氧化鋁，通過(guò)加入冰晶石恒容氟化鈣降低氧化鋁熔點(diǎn)，以碳素做陰陽(yáng)極，電解生成電解鋁，凈化、澄清、精煉得到鋁錠，
（1）分析可知操作1和操作2是分離固體和溶液的操作為過(guò)濾，加入過(guò)量氫氧化鈉溶液是鐵離子生成氫氧化鐵沉淀，鋁離子和過(guò)量氫氧化鈉反應(yīng)生成偏鋁酸鈉和水，反應(yīng)的離子方程式為：Al³⁺+4OH^-=AlO₂^-+2H₂O，F(xiàn)e³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓，
故答案為：過(guò)濾；Al³⁺+4OH^-=AlO₂^-+2H₂O，F(xiàn)e³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓；
（2）NaAlO₂溶液中通入過(guò)量CO₂生成Al（OH）₃和NaHCO₃，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，
故答案為：NaAlO₂+CO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；
（3）電解原理可知陽(yáng)極失氧化鋁熔融后電離出的氧離子失電子生成氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：2O^2--4e^-=O₂↑，實(shí)際生產(chǎn)中陽(yáng)極需要定期更換是因?yàn)殛?yáng)極上生成氧氣會(huì)和材料中碳發(fā)生反應(yīng)消耗電極，
故答案為：2O^2--4e^-=O₂↑；陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣會(huì)與電極材料中的碳反應(yīng)而使陽(yáng)極損耗；
（4）依據(jù)電解原理分析可知，在電解槽的鋼板和陰極碳素材料之間需要耐火絕緣，故選a，
故答案為：a；
（5）Al₂O₃的熔點(diǎn)很高，熔化需要較多能量，電解鋁時(shí)，以氧化鋁-冰晶石溶融液為電解質(zhì)，其中也常加入少量的氟化鈣，氟化鈣的作用是幫助降低Al₂O₃的熔化溫度；工業(yè)上可以用氟化氫氣體、氫氧化鋁和純堿在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)來(lái)制取冰晶石，根據(jù)質(zhì)量守恒定律書寫該化學(xué)方程式為：2Al（OH）₃+12HF+3Na₂CO₃ =2Na₃AlF₆+3CO₂+9H₂O；
故答案為：幫助降低氧化鋁的熔點(diǎn)；2Al（OH）₃+12HF+3Na₂CO₃ =2Na₃AlF₆+3CO₂+9H₂O；
（6）某鋁土礦中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%，則1噸該鋁土礦中氧化鋁質(zhì)量=1×10⁶g，含鋁物質(zhì)的量=$\frac{1×1{0}^{6}g×51%}{102g/mol}$=10000mol，生產(chǎn)1mol金屬鋁耗電能約1.8×10⁶J．則1噸該鋁土礦冶煉金屬鋁耗電能=1.8×10⁶J×10000=1.8×10¹⁰J，已知每個(gè)鋁制易拉罐約15g，其中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，其中鋁的物質(zhì)的量=$\frac{15g×90%}{27g/mol}$=0.5mol，由一只易拉罐回收生，產(chǎn)金屬鋁耗電能約4.5×10⁴J，生產(chǎn)1molAl耗電能=4.5×10⁴J×$\frac{1}{0.5}$=9×10⁴J，制得等量金屬鋁的能耗為上述流程生產(chǎn)方法耗能的$\frac{9×1{0}^{4}}{1.8×1{0}^{6}}$=5，通過(guò)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，易拉罐的回收利用可以節(jié)約能源，
故答案為：1.8×10¹⁰；5；易拉罐的回收利用有利于節(jié)約能源；

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)分離提純的流程分析判斷、電解原理和電極反應(yīng)書寫、元素守恒的計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)，主要是鋁及其化合物性質(zhì)的理解應(yīng)用，題目難度中等．