Question

17．石墨在材料領(lǐng)域有重要應(yīng)用．某初級石墨中含SiO₂（7.8%）、Al₂O₃（5.1%）、Fe₂O₃（3.1%）和MgO（0.5%）等雜質(zhì)．設(shè)計(jì)的提純與綜合利用工藝如圖1：

（注：SiCl₄的沸點(diǎn)為57.6℃，金屬氯化物的沸點(diǎn)均高于150℃）
（1）向反應(yīng)器中通入Cl₂前，需通一段時(shí)間N₂，主要目的是通入氮?dú)馀疟M裝置中的空氣，防止石墨發(fā)生氧化反應(yīng)，減少石墨損失
（2）高溫反應(yīng)后，石墨中氧化物雜質(zhì)均轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的氯化物．氣體Ⅰ中的碳氧化物主要為CO．由氣體Ⅱ中某物得到水玻璃的化學(xué)反應(yīng)方程式為SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O
（3）步驟①為：攪拌、過濾．所得溶液Ⅳ中的陰離子有AlO₂^-、OH^-、Cl^-．
（4）由溶液Ⅳ生成沉淀Ⅴ的總反應(yīng)的離子方程式為AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O$\stackrel{△}{→}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓，100kg初級石墨最多可能獲得Ⅴ的質(zhì)量為7.8kg．
（5）石墨可用于自然水體中銅件的電化學(xué)防腐，完成如圖2防腐示意圖，并作相應(yīng)標(biāo)注．

Answer 1

分析 （1）石墨化學(xué)性質(zhì)在常溫下穩(wěn)定，而在高溫下可與氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以通入氮?dú)馀疟M裝置中的空氣，防止石墨發(fā)生氧化反應(yīng)；
（2）高溫反應(yīng)后，石墨中氧化物雜質(zhì)均轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的氯化物，根據(jù)雜質(zhì)的含量可知，氣體I中氯化物主要為SiCl₄、AlCl₃、FeCl₃等，氣體I中碳氧化物主要為CO，SiCl₄的沸點(diǎn)為57.6℃，金屬氯化物的沸點(diǎn)均高于150℃，80℃冷卻得到的氣體Ⅱ含有SiCl₄及CO，SiCl₄與氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到硅酸鈉與氯化鈉；
（3）金屬氯化物的沸點(diǎn)均高于150℃，則固體Ⅲ中存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂與過量的氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到沉淀，而氯化鋁與過量的氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成偏鋁酸鈉，過濾得到的溶液中含有偏鋁酸鈉、過量的氫氧化鈉；
（4）偏鋁酸鈉發(fā)生水解，加入乙酸乙酯除去過量的氫氧化鈉，且加熱條件下水解平衡一直正向移動(dòng)，得到氫氧化鋁沉淀、醋酸鈉、乙醇；
根據(jù)氧化鋁的含量計(jì)算氧化鋁質(zhì)量，再根據(jù)Al元素守恒計(jì)算氫氧化鋁的質(zhì)量；
（5）Cu的化學(xué)性質(zhì)比石墨活潑，所以應(yīng)用外接電流的陰極保護(hù)法保護(hù)Cu，故石墨作陽極，連接電源的正極，Cu作陰極，連接電源的負(fù)極．

解答 解：（1）石墨化學(xué)性質(zhì)在常溫下穩(wěn)定，而在高溫下可與氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以通入氮?dú)馀疟M裝置中的空氣，防止石墨發(fā)生氧化反應(yīng)，減少石墨損失，
故答案為：通入氮?dú)馀疟M裝置中的空氣，防止石墨發(fā)生氧化反應(yīng)，減少石墨損失；
（2）石墨過量高溫反應(yīng)后，石墨中氧化物雜質(zhì)均轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的氯化物，根據(jù)雜質(zhì)的含量可知，氣體I中氯化物主要為SiCl₄、AlCl₃、FeCl₃等，氣體I中碳氧化物主要為CO，SiCl₄的沸點(diǎn)為57.6℃，金屬氯化物的沸點(diǎn)均高于150℃，80℃冷卻得到的氣體Ⅱ含有SiCl₄及CO，SiCl₄與氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到硅酸鈉與氯化鈉，化學(xué)反應(yīng)方程式為：SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O，
故答案為：CO；SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O；
（3）金屬氯化物的沸點(diǎn)均高于150℃，則固體Ⅲ中存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂與過量的氫氧化鈉溶液反應(yīng)得到沉淀，而氯化鋁與過量的氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成偏鋁酸鈉，攪拌、過濾得到溶液IV，故溶液IV中的陰離子有：AlO₂^-、OH^-、Cl^-，
故答案為：過濾；AlO₂^-、OH^-、Cl^-；
（4）偏鋁酸鈉發(fā)生水解，加入乙酸乙酯除去過量的氫氧化鈉，且加熱條件下水解平衡一直正向移動(dòng)，得到氫氧化鋁沉淀、醋酸鈉、乙醇，由溶液IV生成沉淀V的總反應(yīng)的離子方程式為：AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O$\stackrel{△}{→}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓，
Al₂O₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1%，則100kg初級石墨中氧化鋁的質(zhì)量=100kg×5.1%=5.1kg，根據(jù)Al元素守恒，可知?dú)溲趸�鋁的質(zhì)量=$\frac{5.1kg×\frac{54}{102}}{\frac{27}{78}}$=7.8kg；
故答案為：AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O$\stackrel{△}{→}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓；7.8；
（5）Cu的化學(xué)性質(zhì)比石墨活潑，所以應(yīng)用外接電流的陰極保護(hù)法保護(hù)Cu，故石墨作陽極，連接電源的正極，Cu作陰極，連接電源的負(fù)極，裝置圖為：，
故答案為：．

點(diǎn)評 本題考查物質(zhì)制備分離、閱讀題目獲取信息能力、化學(xué)方程式及離子方程式書寫、化學(xué)計(jì)算、電化學(xué)防護(hù)等，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)及遷移運(yùn)用能力，難度中等．