Question

5．石墨在材料領域有重要應用，某初級石墨中含SiO₂（7.8%）、Al₂O₃（5.1%）、Fe₂O₃（3.1%）和MgO（0.5%）等雜質，設計的提純與綜合利用工藝如圖1：

（注：SiCl₄的沸點為57.6℃，金屬氯化物的沸點均高于150℃）
（1）向反應器中通入Cl₂前，需通一段時間N₂，主要目的是排出空氣，作為保護氣，防止石墨被空氣中的氧氣氧化而損耗．
（2）高溫反應后，石墨中氧化物雜質均轉變?yōu)橄鄳�的氯化物，寫出由氣體II中某物質得到水玻璃的化學反應方程式為SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O．
（3）步驟①為：攪拌、過濾，所得溶液IV中的三種陰離子是Cl^-、AlO₂^-、OH^-．
（4）由溶液IV生成沉淀V的反應的離子方程式為AlO₂^-+CO₂+2H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$HCO₃^-+Al（OH）₃↓，100kg初級石墨最多可獲得V的質量為7.8kg．
（5）使用上面提純得到的石墨電極電解NO可制得 NH₄NO₃酸性溶液，其工作原理如圖2所示，
①試寫出電解池陰極的電極反應式NO+5e^-+6H⁺═NH₄⁺+H₂O．
②為使電解產(chǎn)物全部轉化為NH₄NO₃，需補充物質A，A是氨氣或氨水，說明理由：根據(jù)反應8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，電解產(chǎn)生的HNO₃多．

Answer 1

分析 高溫反應后，石墨中氧化物雜質均轉變?yōu)橄鄳�的氯化物，根�?jù)雜質的含量可知，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的沸點為57.6℃，金屬氯化物的沸點均高于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得到硅酸鈉與氯化鈉，固體Ⅲ存在AlCl₃、FeCl₃、MgCl₂，其中FeCl₃、MgCl₂與過量的氫氧化鈉溶液反應得到沉淀，而氯化鋁與過量的氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉，過濾得到的溶液中含有偏鋁酸鈉、過量的氫氧化鈉，在溶液中通入過量二氧化碳生成氫氧化鋁沉淀，過濾得到沉淀為氫氧化鋁，據(jù)此答題．
（1）石墨化學性質在常溫下穩(wěn)定，而在高溫下可與氧氣發(fā)生反應，所以通入氮氣排盡裝置中的空氣，防止石墨發(fā)生氧化反應；
（2）高溫反應后，石墨中氧化物雜質均轉變?yōu)橄鄳�的氯化物，根�?jù)雜質的含量可知，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的沸點為57.6℃，金屬氯化物的沸點均高于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得到硅酸鈉與氯化鈉；
（3）金屬氯化物的沸點均高于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得到沉淀，而氯化鋁與過量的氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉，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，得到氫氧化鋁沉淀、醋酸鈉、乙醇；
根據(jù)氧化鋁的含量計算氧化鋁質量，再根據(jù)Al元素守恒計算氫氧化鋁的質量；
（5）工業(yè)上電解NO制備 NH₄NO₃，由裝置圖可知陽極發(fā)生氧化反應，NO被氧化生成NO₃^-，陰極發(fā)生還原反應，NO被還原生成NH₄⁺，陽極反應為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，結合電極方程式解答該題．

解答 解：（1）石墨化學性質在常溫下穩(wěn)定，而在高溫下可與氧氣發(fā)生反應，所以通入氮氣排盡裝置中的空氣，防止石墨發(fā)生氧化反應，減少石墨損失，
故答案為：排除裝置中的空氣；
（2）石墨過量高溫反應后，石墨中氧化物雜質均轉變?yōu)橄鄳�的氯化物，根�?jù)雜質的含量可知，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的沸點為57.6℃，金屬氯化物的沸點均高于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得到硅酸鈉與氯化鈉，化學反應方程式為：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得到沉淀，而氯化鋁與過量的氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉，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，得到氫氧化鋁沉淀、醋酸鈉、乙醇，由溶液IV生成沉淀V的總反應的離子方程式為AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓，
Al₂O₃的質量分數(shù)為5.1%，則100kg初級石墨中氧化鋁的質量=100kg×5.1%=5.1kg，根據(jù)Al元素守恒，可知氫氧化鋁的質量為 $\frac{5.1kg×\frac{54}{102}}{\frac{27}{78}}$=7.8kg，
故答案為：AlO₂^-+CH₃COOCH₂CH₃+2H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CH₃COO^-+CH₃CH₂OH+Al（OH）₃↓；7.8．
（5）電解NO制備NH₄NO₃，陽極反應為NO-3e^-+2H₂O=NO₃^-+4H⁺，陰極反應為：NO+5e^-+6H⁺=NH₄⁺+H₂O，從兩極反應可看出，要使得失電子守恒，陽極產(chǎn)生的NO₃^-的物質的量大于陰極產(chǎn)生的NH₄⁺的物質的量，總反應方程式為：8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，因此若要使電解產(chǎn)物全部轉化為NH₄NO₃，需補充NH₃，
故答案為：NO+5e^-+6H⁺═NH₄⁺+H₂O；氨氣或氨水，根據(jù)反應8NO+7H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$3NH₄NO₃+2HNO₃，電解產(chǎn)生的HNO₃多．

點評 本題考查混合物分離提純的綜合應用，為高頻考點，把握物質的性質、流程中的反應及混合物分離方法為解答的關鍵，側重分析與實驗能力的考查，題目難度不大．