Question

17．我市某地的煤矸石經預處理后含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量鈣鎂的化合物等，一種綜合利用工藝設計如下：

已知：

離子	開始沉淀pH	完全沉淀pH
Fe3+	2.1	3.2
Al3+	4.1	5.4

請回答下列問題：
（1）“酸浸”后得到的殘渣中主要含有的物質是SiO₂．物質X的化學式為CO₂．
（2）“酸浸”時影響鋁浸出率的因素可能有（寫出兩個）鹽酸的濃度、反應溫度．
（3）為了獲得產品Al（OH）₃，從煤矸石的鹽酸浸取液開始，若只用CaCO₃一種試劑，后續(xù)操作過程是加入CaCO₃調節(jié)溶液pH至3.2，過濾洗滌除去Fe（OH）₃后，再繼續(xù)加入CaCO₃調節(jié)溶液pH到5.4，過濾洗滌得到Al（OH）₃．
（4）Al（OH）₃可添加到塑料中作阻燃劑的原因是Al（OH）₃分解時吸收大量熱量且分解生成高熔點的Al₂O₃．
（5）以Al和MnO₂為電極，與NaCl和稀氨水電解質溶液組成一種新型電池，放電時MnO₂轉化為MnO（OH）．該電池反應的化學方程式是Al+3MnO₂+3H₂O=3MnO（OH）+Al（OH）₃．
（6）預處理后的100t煤矸石經上述流程后，得到39t純度為95%的氫氧化鋁產品．則預處理后的100t煤矸石中鋁元素的回收率為96.9%．

Answer 1

分析 含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量鈣鎂的化合物用鹽酸酸浸發(fā)生的反應為：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；則過濾的溶液為氯化鐵和氯化鋁的溶液，加碳酸鈣消耗溶液中的氫離子使三價鐵離子、三價鋁離子都水解生成氫氧化鐵、氫氧化鋁的沉淀，所以再加入氫氧化鈉，只要氫氧化鋁溶解反應為：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液為偏鋁酸鈉溶液再通入二氧化碳進一步反應又生成氫氧化鋁；
（1）能和酸反應的物質有氧化鋁和氧化鐵，二氧化硅為殘渣；X是碳酸鈣和水解中的氫離子反應生成二氧化碳；
（2）酸浸”時鋁浸出率的影響因素可能是酸的濃度、溫度、反應物的接觸面積、反應時間等都影響反應速率；
（3）由于Fe³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為2.1和3.2，而Al³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為4.1和5.4．所以為了得到純凈的Al（OH）₃，首先加入CaCO₃調節(jié)pH到3.2，得到Fe（OH）₃，將其過濾除去后；
（4）Al（OH）₃的分解反應是吸熱反應且生成的氧化鋁的熔點高；
（5）根據(jù)原電池原理，Al、MnO₂和H₂O發(fā)生氧化還原反應生成MnO（OH）和Al（OH）₃；
（6）煤矸石中鋁元素的回收率=$\frac{產品中的鋁元素質量}{煤矸石中鋁元素的質量}$×100%．

解答 解：含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量鈣鎂的化合物用鹽酸酸浸發(fā)生的反應為：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；則過濾的溶液為氯化鐵和氯化鋁的溶液，加碳酸鈣消耗溶液中的氫離子使三價鐵離子、三價鋁離子都水解生成氫氧化鐵、氫氧化鋁的沉淀，所以再加入氫氧化鈉，只要氫氧化鋁溶解反應為：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液為偏鋁酸鈉溶液再通入二氧化碳進一步反應又生成氫氧化鋁；
（1）能和酸反應的物質有氧化鋁和氧化鐵，二氧化硅不與酸反應，為殘渣；X是碳酸鈣和水解中的氫離子反應生成二氧化碳，
故答案為：SiO₂；CO₂；
（2）酸的濃度、溫度、反應物接觸面積、是否充分攪拌、反應時間等都影響反應速率，
故答案為：酸的濃度；溫度；
（3）Fe³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為2.1和3.2，Al³⁺開始沉淀和沉淀完全的pH分別為4.1和5.4，要使鐵離子完全沉淀而鋁離子不沉淀，則溶液的PH應該為3.2，過濾氫氧化鋁沉淀時調節(jié)溶液pH為5.4，以使氫氧化鋁完全沉淀，
故答案為：加入CaCO₃調節(jié)pH到3.2，過濾除去Fe（OH）₃后，再加入CaCO₃調節(jié)pH到5.4，過濾得到Al（OH）₃；
（4）Al（OH）₃的分解反應是吸熱反應且生成的氧化鋁的熔點高，所以Al（OH）₃可添加到塑料中作阻燃劑，
故答案為：Al（OH）₃分解時吸收大量熱量且分解生成高熔點的Al₂O₃；
（5）根據(jù)原電池原理，Al、MnO₂和H₂O發(fā)生氧化還原反應生成MnO（OH）和Al（OH）₃，方程式為Al+3MnO₂+3H₂O=3MnO（OH）+Al（OH）₃；
故答案為：Al+3MnO₂+3H₂O=3MnO（OH）+Al（OH）₃；
（6）煤矸石中鋁元素的回收率=$\frac{產品中的鋁元素質量}{煤矸石中鋁元素的質量}$×100%=$\frac{39t×95%×\frac{27}{78}}{100t×25%×\frac{54}{102}}$×100%=96.9%；
故答案為：96.9%．

點評 本題以工藝流程為載體考查了溶解平衡原理、物質間的反應、除雜等知識點，這種題型是高考�？碱}型，綜合性較強，涉及知識面較廣，用教材基礎知識采用知識遷移的方法分析解答，難度中等．