Question

3．用含有Al₂O₃、SiO₂和少量FeO•xFe₂O₃的鋁灰制備Al₂（SO₄）₃•18H₂O，工藝流程如下（部分操作和條件略）：
Ⅰ．向鋁灰中加入過(guò)量稀H₂SO₄，過(guò)濾；
Ⅱ．向?yàn)V液中加入過(guò)量KMnO₄溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH約為3；
Ⅲ．加熱，產(chǎn)生大量棕色沉淀，靜置，上層溶液呈紫紅色；
Ⅳ．加入MnSO₄至紫紅色消失，過(guò)濾；
Ⅴ．再經(jīng)過(guò)一系列操作，分離得到產(chǎn)品．
（1）步驟Ⅰ中過(guò)濾所得濾渣主要成分為：SiO₂，H₂SO₄溶解Al₂O₃的離子方程式為：Al₂O₃+6H⁺=2Al³⁺+3H₂O．
（2）步驟Ⅱ中加入KMnO₄時(shí)發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O．
（3）已知：生成氫氧化物沉淀的pH

	Al（OH）3	Fe（OH）2	Fe（OH）3
開(kāi)始沉淀時(shí)	3.4	6.3	1.5
完全沉淀時(shí)	4.7	8.3	2.8

注：金屬離子的起始濃度均為0.1mol•L^-1
①根據(jù)表中數(shù)據(jù)解釋步驟Ⅱ的目的：pH約為3時(shí)，F(xiàn)e²⁺和Al³⁺不能形成沉淀，將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，可使鐵完全沉淀，
②當(dāng)Al³⁺開(kāi)始沉淀時(shí)，F(xiàn)e³⁺的濃度約為：10^-6.7 mol•L^-1．
（4）已知：一定條件下，MnO₄^-可與Mn²⁺反應(yīng)生成MnO₂．
①向Ⅲ的沉淀中加入濃鹽酸并加熱，能說(shuō)明沉淀中存在MnO₂的現(xiàn)象是：生成黃綠色氣體．
②步驟Ⅳ中加入MnSO₄的目的是：除去過(guò)量的MnO₄^-；．
（5）步驟Ⅴ中“一系列操作”是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶．

Answer 1

分析 （1）Al₂O₃、FeO•xFe₂O₃能與硫酸反應(yīng)，而SiO₂不與硫酸反應(yīng)，硫酸溶解氧化鋁生成硫酸鋁和水；
（2）依據(jù)氧化還原反應(yīng)電子守恒和原子守恒，結(jié)合元素化合價(jià)變化分析產(chǎn)物和反應(yīng)物，據(jù)此書(shū)寫(xiě)離子方程式；
（3）①鐵離子開(kāi)始沉淀和沉淀完全的溶液pH為1.5～2.8，鋁離子開(kāi)始沉淀pH為3.4，亞鐵離子開(kāi)始沉淀的溶液pH大于鋁離子完全沉淀pH，向?yàn)V液中加入過(guò)量KMnO₄溶液，目的是氧化亞鐵離子為三價(jià)鐵離子，依據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析可知，所以調(diào)節(jié)溶液的pH約為3，可以使鐵離子全部沉淀，鋁離子不沉淀分離；
②濃度為0.1mol•L^-1的Fe³⁺開(kāi)始沉淀時(shí)，溶液pH為1.5，所以Ksp[Fe（OH）₃]=0.1×（10^-14+1.5）³=1×10^-38.5，當(dāng)Al³⁺開(kāi)始沉淀時(shí)，溶液pH為3.4，據(jù)此計(jì)算Fe³⁺的濃度；
（4）①向Ⅲ的沉淀中加入濃HCl并加熱，二氧化錳和濃鹽酸在加熱條件下反應(yīng)生成氯化錳、氯氣和水；
②MnO₄^-可與Mn²⁺反應(yīng)生成MnO₂，過(guò)濾除去，所以可以利用MnSO₄的溶液和高錳酸鉀溶液反應(yīng)生成二氧化錳，把過(guò)量高錳酸根離子除去；
（5）從溶液中獲得Al₂（SO₄）₃•18H₂O晶體，可以通過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶的方法；

解答 解：（1）Al₂O₃、FeO•xFe₂O₃能與硫酸反應(yīng)，而SiO₂不與硫酸反應(yīng)，步驟Ⅰ過(guò)濾得到沉淀的主要成分為：SiO₂，硫酸溶解氧化鋁生成硫酸鋁和水，反應(yīng)的離子方程式為：Al₂O₃+6H⁺=2Al³⁺+3H₂O；
故答案為：SiO₂；Al₂O₃+6H⁺=2Al³⁺+3H₂O；
（2）高錳酸根離子在酸溶液中被還原為錳離子，亞鐵離子被氧化為鐵離子，反應(yīng)的離子方程式為：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，
故答案為：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O；
（3）①鐵離子開(kāi)始沉淀和沉淀完全的溶液pH為1.5～2.8，鋁離子開(kāi)始沉淀pH為3.4，亞鐵離子開(kāi)始沉淀的溶液pH大于鋁離子完全沉淀pH，向?yàn)V液中加入過(guò)量KMnO₄溶液，目的是氧化亞鐵離子為三價(jià)鐵離子，依據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析可知，所以調(diào)節(jié)溶液的pH約為3，可以使鐵離子全部沉淀，鋁離子不沉淀分離，步驟II的目的：pH約為3時(shí)，F(xiàn)e²⁺和Al³⁺不能形成沉淀，將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，可使鐵完全沉淀，
故答案為：pH約為3時(shí)，F(xiàn)e²⁺和Al³⁺不能形成沉淀，將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，可使鐵完全沉淀；
②濃度為0.1mol•L^-1的Fe³⁺開(kāi)始沉淀時(shí)，溶液pH為1.5，所以Ksp[Fe（OH）₃]=0.1×（10^-14+1.5）³=1×10^-38.5，當(dāng)Al³⁺開(kāi)始沉淀時(shí)，溶液pH為3.4，即溶液中氫氧根離子的濃度為1×10^-14+3.4 mol•L^-1=1×10^-10.6 mol•L^-1，所以Fe³⁺的濃度為$\frac{1×10{\;}^{-38.5}}{（1×10{\;}^{-10.6}）^{3}}$=10^-6.7 mol•L^-1，
故答案為：10^-6.7 mol•L^-1；
（4）①向Ⅲ的沉淀中加入濃HCl并加熱，二氧化錳和濃鹽酸在加熱條件下反應(yīng)生成氯化錳、氯氣和水生成的氯氣是黃綠色氣體，能說(shuō)明沉淀中存在MnO₂，
故答案為：生成黃綠色氣體；
②MnO₄^-可與Mn²⁺反應(yīng)生成MnO₂，過(guò)濾除去，所以可以利用MnSO₄的溶液和高錳酸鉀溶液反應(yīng)生成二氧化錳，把過(guò)量高錳酸根離子除去，
故答案為：除去過(guò)量的MnO₄^-；
（5）從溶液中獲得Al₂（SO₄）₃•18H₂O晶體，可以通過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶的方法，
故答案為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶．

點(diǎn)評(píng) 本題考查實(shí)驗(yàn)制備方案，側(cè)重考查學(xué)生對(duì)原理及操作的分析評(píng)價(jià)、對(duì)數(shù)據(jù)的分析運(yùn)用、物質(zhì)的分離提純等，需要學(xué)生具備知識(shí)的基礎(chǔ)，難度中等．