Question

4．七鋁十二鈣（12CaO•7Al₂O₃）是新型的超導(dǎo)材料和發(fā)光材料，用白云石（主要含CaCO₃和MgCO₃）和廢Al片制備七鋁十二鈣的工藝如下：

（1）鍛粉主要含MgO和CaO，用適量NH₄NO₃溶液浸取煅粉后，鎂化合物幾乎不溶，或濾液Ⅰ中c（
Mg²⁺）小于5×10^-6mol•L^-1，則溶液pH大于11；該工藝中不能用（NH₄）₂SO₄代替NH₄NO₃，原因是CaSO₄微溶于水，用（NH₄）₂SO₄代替NH₄NO₃，會生成CaSO₄沉淀引起Ca²⁺的損失．（Mg（OH）₂的K_sp=5×10^-12）
（2）濾液Ⅰ中陰離子有NO₃^-、OH^-（忽略雜質(zhì)成分的影響）；若濾液Ⅰ中僅通入CO₂，會生成Ca（HCO₃）₂，從而導(dǎo)致CaCO₃產(chǎn)率降低．
（3）用NaOH溶液可除去廢Al片表面的氧化膜，反應(yīng)的離子方程式為Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O．
（4）電解制備Al（OH）₃時，電極分別為Al片和石墨，電解總反應(yīng)方程式為2Al+6H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2Al（OH）₃↓+3H₂↑．
（5）一種可超快充電的新型鋁電池，充放電時AlCl₄^-和Al₂Cl₇^-兩種離子在Al電極上相互轉(zhuǎn)化，其它離子不參與電極反應(yīng)，放電時負(fù)極Al的電極反應(yīng)式為Al-3e^-+7AlCl₄^-=4Al₂Cl₇^-．

Answer 1

分析 白云石煅燒發(fā)生反應(yīng)：CaCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaO+CO₂↑，MgCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$MgO+CO₂↑，在鍛粉中加入適量的NH₄NO₃溶液后，鎂化合物幾乎不溶，由于NH₄NO₃溶液水解顯酸性，與CaO反應(yīng)生成Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，故過濾后溶液中含Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，將CO₂和NH₃通入濾液I中后發(fā)生反應(yīng)：Ca（NO₃）₂+2NH₃+CO₂+H₂O=CaCO₃↓+2NH₄NO₃，據(jù)此分析濾液中的陰離子；若濾液Ⅰ中僅通入CO₂，會造成CO₂過量，廢鋁片加入氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成偏鋁酸鈉溶液，用NaOH溶液可除去廢Al片表面的氧化膜，電解制備Al（OH）₃時，電極分別為Al片和石墨，在碳酸鈉溶液中攪拌電解，得到氫氧化鋁，過濾加熱灼燒得到氧化鋁，碳酸鈣和氧化鋁共混加熱1500°C得到七鋁十二鈣，
（1）鍛粉是由白云石高溫煅燒而來；用適量NH₄NO₃溶液浸取煅粉后，鎂化合物幾乎不溶，即得Mg（OH）₂的飽和溶液，根據(jù)Mg（OH）₂的Ksp來計算；CaSO₄微溶于水；
（2）在鍛粉中加入適量的NH₄NO₃溶液后，鎂化合物幾乎不溶，由于NH₄NO₃溶液水解顯酸性，與CaO反應(yīng)生成Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，故過濾后溶液中含Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，將CO₂和NH₃通入濾液I中后發(fā)生反應(yīng)：Ca（NO₃）₂+2NH₃+CO₂+H₂O=CaCO₃↓+2NH₄NO₃，據(jù)此分析濾液中的陰離子；若濾液Ⅰ中僅通入CO₂，會造成CO₂過量，據(jù)此分析產(chǎn)物；
（3）氧化鋁和氫氧化鈉反應(yīng)生成偏鋁酸鈉和水；
（4）用Al片和石墨作電極來制備Al（OH）₃，故Al做陽極，據(jù)此分析；
（5）放電時負(fù)極電極本身Al放電，失電子，根據(jù)AlCl₄^-和Al₂Cl₇^-中鋁元素和氯元素的比例來確定做AlCl₄^-做反應(yīng)物而生成Al₂Cl₇^-．

解答 解：白云石煅燒發(fā)生反應(yīng)：CaCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaO+CO₂↑，MgCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$MgO+CO₂↑，在鍛粉中加入適量的NH₄NO₃溶液后，鎂化合物幾乎不溶，由于NH₄NO₃溶液水解顯酸性，與CaO反應(yīng)生成Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，故過濾后溶液中含Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，將CO₂和NH₃通入濾液I中后發(fā)生反應(yīng)：Ca（NO₃）₂+2NH₃+CO₂+H₂O=CaCO₃↓+2NH₄NO₃，據(jù)此分析濾液中的陰離子；若濾液Ⅰ中僅通入CO₂，會造成CO₂過量，廢鋁片加入氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成偏鋁酸鈉溶液，用NaOH溶液可除去廢Al片表面的氧化膜，電解制備Al（OH）₃時，電極分別為Al片和石墨，在碳酸鈉溶液中攪拌電解，得到氫氧化鋁，過濾加熱灼燒得到氧化鋁，碳酸鈣和氧化鋁共混加熱1500°C得到七鋁十二鈣，
（1）鍛粉是由白云石高溫煅燒而來，在煅燒白云石時，發(fā)生反應(yīng)：CaCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaO+CO₂↑，MgCO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$MgO+CO₂↑，故所得鍛粉主要含MgO和CaO；用適量NH₄NO₃溶液浸取煅粉后，鎂化合物幾乎不溶，即得Mg（OH）₂的飽和溶液，根據(jù)Mg（OH）₂的K_sp可知：K_sp=c（Mg²⁺）•c²（OH^-）=5×10^-12，而c（Mg²⁺）小于5×10^-6mol•L^-1，故c（OH^-）大于10^-3mol/L，則溶液中的c（H⁺）小于10^-11mol/L，溶液的pH大于11；CaSO₄微溶于水，如果用（NH₄）₂SO₄代替NH₄NO₃，會生成CaSO₄沉淀引起Ca²⁺的損失，
故答案為：CaO；11；CaSO₄微溶于水，用（NH₄）₂SO₄代替NH₄NO₃，會生成CaSO₄沉淀引起Ca²⁺的損失；
（2）在鍛粉中加入適量的NH₄NO₃溶液后，鎂化合物幾乎不溶，由于NH₄NO₃溶液水解顯酸性，與CaO反應(yīng)生成Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，故過濾后溶液中含Ca（NO₃）₂和NH₃•H₂O，將CO₂和NH₃通入濾液I中后發(fā)生反應(yīng)：Ca（NO₃）₂+2NH₃+CO₂+H₂O=CaCO₃↓+2NH₄NO₃，故濾液中的陰離子主要為NO₃^-，還含有OH^-；若濾液Ⅰ中僅通入CO₂，會造成CO₂過量，則會生成Ca（HCO₃）₂，從而導(dǎo)致CaCO₃產(chǎn)率降低，故答案為：NO₃^-、OH^-；Ca（HCO₃）₂；
（3）氧化鋁和氫氧化鈉反應(yīng)生成偏鋁酸鈉和水，離子反應(yīng)為Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O，故答案為：Al₂O₃+2OH^-═2AlO₂^-+H₂O；
（4）用Al片和石墨作電極來制備Al（OH）₃，故Al做陽極，石墨做陰極，陽極反應(yīng)為：Al-3e^-=Al³⁺①，陰極上是來自于水的H⁺放電：2H₂O+2e^-=2OH^-+H₂↑ ②
將①×2+②×3可得總反應(yīng)：2Al+6H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2Al（OH）₃↓+3H₂↑，故答案為：2Al+6H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2Al（OH）₃↓+3H₂↑；
（5）放電時負(fù)極電極本身Al放電，失電子，由于AlCl₄^-中氯元素的含量高于Al₂Cl₇^-中氯元素的含量，故AlCl₄^-做反應(yīng)物而Al₂Cl₇^-為生成物，由于其它離子不參與電極反應(yīng)，故電極反應(yīng)為：Al-3e^-+7AlCl₄^-=4Al₂Cl₇^-，故答案為：Al-3e^-+7AlCl₄^-=4Al₂Cl₇^-．

點評 本題綜合考查物質(zhì)的制備以及分離提純、難溶電解質(zhì)的溶解平衡等，為高考常見題型，側(cè)重于學(xué)生的分析、實驗?zāi)芰Φ目疾�，注意把握物質(zhì)的性質(zhì)以及題目給予的信息，難度中等．