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研究与实践2　明矾晶体的制备
【研究目的】
在日常生活中，常见到色彩和外形都很漂亮的晶体。我们可以通过化学实验的方法制备晶体，学习用饱和溶液制备大晶体的方法。
【研究任务】
1.晶体生长过程的阶段
晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大，一般认为晶体在液相或气相中的生长有三个阶段：(1)介质达到过饱和，过冷却阶段；(2)成核阶段；(3)生成阶段。
2.晶种：在结晶过程中加入的预先自成的晶核(晶体微粒)，可以使从晶核成长的晶体达到均匀一致，从而提高产品的质量。
3.制备明矾晶体的实验步骤
(1)在玻璃杯中放入比室温高10～20 ℃的水，并加入明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]，用筷子搅拌，直到有少量晶体不能再溶解。此时得到的溶液为饱和溶液。
(2)待溶液自然冷却到比室温略高3～5 ℃时，把溶液倒入洁净的碗中，用硬纸片盖好，静置一夜。
(3)从碗中选取2～3粒形状完整的小晶体作为晶核。将所选的晶核用细线轻轻系好。
(4)把明矾溶液倒入玻璃杯中，向溶液中补充适量明矾，使其成为比室温高10～15 ℃的饱和溶液。待其自然冷却到比室温略高3～5 ℃时，把小晶体悬挂在玻璃杯中央(如下图左)，注意不要使晶核接触杯壁。用硬纸片盖好玻璃杯，静置过夜。
(5)每天把已形成的小晶体轻轻取出，重复第(4)项操作，直到晶体长到一定大小。
(6)将所得明矾晶体放进铬钾矾的饱和溶液中，使铬钾矾晶体[KCr(SO4)2·12H2O]在明矾晶体表面上生长，长到一定厚度后，再将所得晶体放到明矾饱和溶液中去，使铬钾矾晶体表面再覆盖一层明矾晶体。
【结果与讨论】
1.明矾晶体的颜色和外形。
提示　明矾是无色透明的晶体，呈八面体形状。
2.在上述实验中，为什么所用仪器都要用蒸馏水洗净？用硬纸片盖好玻璃杯的目的是什么？
提示　若仪器不干净或尘埃落入，都会干扰结晶。
3.为什么晶种一定要悬挂在溶液的中央位置？
提示　晶种若离烧杯底部太近，由于有沉底晶体生成，会与晶体长在一起。同样，若离溶液表面太近或靠近烧杯壁，都会产生同样的结果，使得晶体形状不规则。
4.试讨论快速制备明矾晶体的条件。
提示　(1)溶液一定要用饱和溶液，若溶液不饱和，则结晶速度很慢。
(2)溶剂应用蒸馏水，不能用自来水。因自来水里含其他金属离子及杂质，会影响晶体的生长速度和形状。
(3)冷却热饱和溶液时，应自然冷却。快速冷却虽能够得到晶体，但属于沉底、细小晶体，得不到大晶体。温度下降越快，晶体越小。
(4)溶液一定要纯净。里面若含有杂质，就在溶液中形成多个晶核，这样不利于大晶体的生长。
【相关材料】
晶体生长
晶体有一定的几何外形，有固定的熔点，有各向异性等特点，而无定形固体不具有上述特点。晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。晶体在生长的过程中要受外界条件的影响，如涡流、温度、杂质、黏度、结晶速度等因素的影响。晶体生长的方法有多种，对于溶液而言，只需蒸发掉水分就可以；对于气体而言，需要降低温度，直到它的凝固点；对于液体，也是采取降温方式来变成固体。
【应用体验】
1.下列说法不正确的是(　　)
A.结晶时，若溶质的溶解度越大，溶液的浓度越高，溶剂的蒸发速度越快，溶液的冷却速度越快，析出的晶体颗粒就越细小
B.为了使过饱和溶液中析出晶体，可用玻璃棒搅动或者振荡容器
C.培养明矾晶体时，为得到较大颗粒的晶体，应自然冷却，并静置过夜
D.重结晶中产生的母液虽然含有杂质，但仍应将母液收集起来进行适当处理，以提高产率
答案　A
解析　晶体颗粒的大小与结晶条件有关，溶质的溶解度越小，溶液的浓度越高，溶剂的蒸发速度越快，析出的晶粒就越细小，A错误；振荡容器或用玻璃棒搅拌可打破平衡促使晶体析出，B正确；自然冷却，可使晶粒生长，则培养明矾晶体时，应使饱和溶液缓慢冷却才能得到较大颗粒的晶体，C正确；重结晶过程中产生的母液虽然含有杂质，但仍含有溶质，为防止浪费资源，应将母液收集起来，进行适当处理，以提高产率，D正确。
2.明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]在生产、生活中有广泛用途，如饮用水的净化、造纸工业的施胶剂、食品工业的发酵剂等。利用炼铝厂的废料——铝灰(含Al、Al2O3及少量SiO2和FeO·xFe2O3)可制备明矾，工艺流程如图：
回答下列问题：
(1)“滤渣①”的主要成分是____________(填化学式)。
(2)加入稀硫酸酸化后，再经“一系列操作”可得到明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]，则“一系列操作”是____________、____________、____________、洗涤、干燥。
(3)流程中加入H2O2的作用是____________，写出反应的离子方程式：____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(4)若将铝灰投入过量的氢氧化钠溶液中，所得溶液的溶质除NaOH和Na[Al(OH)4]外，还含有____________(填化学式)。写出生成气体的该反应的化学方程式：____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
答案　(1)SiO2
(2)蒸发浓缩　冷却结晶　过滤
(3)把亚铁离子氧化为铁离子　2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O
(4)Na2SiO3　2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
解析　SiO2不溶于硫酸，铝灰用硫酸酸浸后过滤，滤渣为SiO2，滤液中含有硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁，滤液加入过氧化氢把亚铁离子氧化为铁离子，再加入过量氢氧化钠，生成四羟基合铝酸钠和氢氧化铁沉淀，过滤得到滤渣②是氢氧化铁，无色滤液B为四羟基合铝酸钠溶液，加入K2SO4、H2SO4酸化，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得明矾晶体。
(1)SiO2不溶于硫酸，铝灰用硫酸酸浸后过滤，滤渣①为SiO2；(2)溶液经过“一系列操作”可得到明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]，则“一系列操作”是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；(3)流程中加入H2O2把亚铁离子氧化为铁离子，反应的离子方程式：2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O；(4)若将铝灰投入过量的氢氧化钠溶液中，Al和氢氧化钠反应生成四羟基合铝酸钠和氢气、Al2O3和氢氧化钠反应生成四羟基合铝酸钠，SiO2和氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，所得溶液的溶质除NaOH和Na[Al(OH)4]外，还含有Na2SiO3；Al和氢氧化钠反应生成四羟基合铝酸钠和氢气，反应化学方程式是2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑。研究与实践2　明矾晶体的制备
【研究目的】
在日常生活中,常见到色彩和外形都很漂亮的晶体。我们可以通过化学实验的方法制备晶体,学习用饱和溶液制备大晶体的方法。
【研究任务】
1.晶体生长过程的阶段
晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大,一般认为晶体在液相或气相中的生长有三个阶段:(1)介质达到过饱和,过冷却阶段;(2)成核阶段;(3)生成阶段。
2.晶种:在结晶过程中加入的预先自成的晶核(晶体微粒),可以使从晶核成长的晶体达到均匀一致,从而提高产品的质量。
3.制备明矾晶体的实验步骤
(1)在玻璃杯中放入比室温高10~20 ℃的水,并加入明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O],用筷子搅拌,直到有少量晶体不能再溶解。此时得到的溶液为饱和溶液。
(2)待溶液自然冷却到比室温略高3~5 ℃时,把溶液倒入洁净的碗中,用硬纸片盖好,静置一夜。
(3)从碗中选取2~3粒形状完整的小晶体作为晶核。将所选的晶核用细线轻轻系好。
(4)把明矾溶液倒入玻璃杯中,向溶液中补充适量明矾,使其成为比室温高10~15 ℃的饱和溶液。待其自然冷却到比室温略高3~5 ℃时,把小晶体悬挂在玻璃杯中央(如下图左),注意不要使晶核接触杯壁。用硬纸片盖好玻璃杯,静置过夜。
(5)每天把已形成的小晶体轻轻取出,重复第(4)项操作,直到晶体长到一定大小。
(6)将所得明矾晶体放进铬钾矾的饱和溶液中,使铬钾矾晶体[KCr(SO4)2·12H2O]在明矾晶体表面上生长,长到一定厚度后,再将所得晶体放到明矾饱和溶液中去,使铬钾矾晶体表面再覆盖一层明矾晶体。
【结果与讨论】
1.明矾晶体的颜色和外形。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2.在上述实验中,为什么所用仪器都要用蒸馏水洗净 用硬纸片盖好玻璃杯的目的是什么
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
3.为什么晶种一定要悬挂在溶液的中央位置
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
4.试讨论快速制备明矾晶体的条件。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【相关材料】
晶体生长
晶体有一定的几何外形,有固定的熔点,有各向异性等特点,而无定形固体不具有上述特点。晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段:①介质达到过饱和、过冷却阶段;②成核阶段;③生长阶段。晶体在生长的过程中要受外界条件的影响,如涡流、温度、杂质、黏度、结晶速度等因素的影响。晶体生长的方法有多种,对于溶液而言,只需蒸发掉水分就可以;对于气体而言,需要降低温度,直到它的凝固点;对于液体,也是采取降温方式来变成固体。
【应用体验】
1.下列说法不正确的是 (　　)
A.结晶时,若溶质的溶解度越大,溶液的浓度越高,溶剂的蒸发速度越快,溶液的冷却速度越快,析出的晶体颗粒就越细小
B.为了使过饱和溶液中析出晶体,可用玻璃棒搅动或者振荡容器
C.培养明矾晶体时,为得到较大颗粒的晶体,应自然冷却,并静置过夜
D.重结晶中产生的母液虽然含有杂质,但仍应将母液收集起来进行适当处理,以提高产率
2.明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]在生产、生活中有广泛用途,如饮用水的净化、造纸工业的施胶剂、食品工业的发酵剂等。利用炼铝厂的废料——铝灰(含Al、Al2O3及少量SiO2和FeO·xFe2O3)可制备明矾,工艺流程如图:
回答下列问题:
(1)“滤渣①”的主要成分是　　　　　　(填化学式)。
(2)加入稀硫酸酸化后,再经“一系列操作”可得到明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O],则“一系列操作”是　　　　　、　　　　　、　　　　　　、洗涤、干燥。
(3)流程中加入H2O2的作用是　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　,
写出反应的离子方程式:　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　。
(4)若将铝灰投入过量的氢氧化钠溶液中,所得溶液的溶质除NaOH和Na[Al(OH)4]外,还含有　　　　　　(填化学式)。写出生成气体的该反应的化学方程式:　　　　　　　　　　 　　　　　　　。 (共12张PPT)
研究与实践 明矾晶体的制备
第三章
晶体结构与性质
2
【研究目的】
在日常生活中，常见到色彩和外形都很漂亮的晶体。我们可以通过化学实验的方法制备晶体，学习用饱和溶液制备大晶体的方法。
【研究任务】
1.晶体生长过程的阶段
晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大，一般认为晶体在液相或气相中的生长有三个阶段：(1)介质达到过饱和，过冷却阶段；(2)成核阶段；(3)生成阶段。
2.晶种：在结晶过程中加入的预先自成的晶核(晶体微粒)，可以使从晶核成长的晶体达到均匀一致，从而提高产品的质量。
3.制备明矾晶体的实验步骤
(1)在玻璃杯中放入比室温高10～20 ℃的水，并加入明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]，用筷子搅拌，直到有少量晶体不能再溶解。此时得到的溶液为饱和溶液。
(2)待溶液自然冷却到比室温略高3～5 ℃时，把溶液倒入洁净的碗中，用硬纸片盖好，静置一夜。
(3)从碗中选取2～3粒形状完整的小晶体作为晶核。将所选的晶核用细线轻轻系好。
(4)把明矾溶液倒入玻璃杯中，向溶液中补充适量明矾，使其成为比室温高10～15 ℃的饱和溶液。待其自然冷却到比室温略高3～5 ℃时，把小晶体悬挂在玻璃杯中央(如下图左),注意不要使晶核接触杯壁。用硬纸片盖好玻璃杯，静置过夜。
(5)每天把已形成的小晶体轻轻取出，重复第(4)项操作，直到晶体长到一定大小。
(6)将所得明矾晶体放进铬钾矾的饱和溶液中，使铬钾矾晶体[KCr(SO4)2·12H2O]在明矾晶体表面上生长，长到一定厚度后，再将所得晶体放到明矾饱和溶液中去，使铬钾矾晶体表面再覆盖一层明矾晶体。
【结果与讨论】
1.明矾晶体的颜色和外形。
提示　明矾是无色透明的晶体，呈八面体形状。
2.在上述实验中，为什么所用仪器都要用蒸馏水洗净？用硬纸片盖好玻璃杯的目的是什么？
提示　若仪器不干净或尘埃落入，都会干扰结晶。
3.为什么晶种一定要悬挂在溶液的中央位置？
提示　晶种若离烧杯底部太近，由于有沉底晶体生成，会与晶体长在一起。同样，若离溶液表面太近或靠近烧杯壁，都会产生同样的结果，使得晶体形状不规则。
4.试讨论快速制备明矾晶体的条件。
提示　(1)溶液一定要用饱和溶液，若溶液不饱和，则结晶速度很慢。
(2)溶剂应用蒸馏水，不能用自来水。因自来水里含其他金属离子及杂质，会影响晶体的生长速度和形状。
(3)冷却热饱和溶液时，应自然冷却。快速冷却虽能够得到晶体，但属于沉底、细小晶体，得不到大晶体。温度下降越快，晶体越小。
(4)溶液一定要纯净。里面若含有杂质，就在溶液中形成多个晶核，这样不利于大晶体的生长。
【相关材料】
晶体生长
晶体有一定的几何外形，有固定的熔点，有各向异性等特点，而无定形固体不具有上述特点。晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。晶体在生长的过程中要受外界条件的影响，如涡流、温度、杂质、黏度、结晶速度等因素的影响。晶体生长的方法有多种，对于溶液而言，只需蒸发掉水分就可以；对于气体而言，需要降低温度，直到它的凝固点；对于液体，也是采取降温方式来变成固体。
【应用体验】
1.下列说法不正确的是(　　)
A.结晶时，若溶质的溶解度越大，溶液的浓度越高，溶剂的蒸发速度越快，溶液的冷却速度越快，析出的晶体颗粒就越细小
B.为了使过饱和溶液中析出晶体，可用玻璃棒搅动或者振荡容器
C.培养明矾晶体时，为得到较大颗粒的晶体，应自然冷却，并静置过夜
D.重结晶中产生的母液虽然含有杂质，但仍应将母液收集起来进行适当处理，以提高产率
A
解析　晶体颗粒的大小与结晶条件有关，溶质的溶解度越小，溶液的浓度越高，溶剂的蒸发速度越快，析出的晶粒就越细小，A错误；振荡容器或用玻璃棒搅拌可打破平衡促使晶体析出，B正确；自然冷却，可使晶粒生长，则培养明矾晶体时，应使饱和溶液缓慢冷却才能得到较大颗粒的晶体，C正确；重结晶过程中产生的母液虽然含有杂质，但仍含有溶质，为防止浪费资源，应将母液收集起来，进行适当处理，以提高产率，D正确。
2.明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]在生产、生活中有广泛用途，如饮用水的净化、造纸工业的施胶剂、食品工业的发酵剂等。利用炼铝厂的废料——铝灰(含Al、Al2O3及少量SiO2和FeO·xFe2O3)可制备明矾，工艺流程如图：
回答下列问题：
(1)“滤渣①”的主要成分是____________(填化学式)。
(2)加入稀硫酸酸化后，再经“一系列操作”可得到明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]，则“一系列操作”是____________、____________、__________、洗涤、干燥。
(3)流程中加入H2O2的作用是________________________，写出反应的离子方程式：__________________________________。
(4)若将铝灰投入过量的氢氧化钠溶液中，所得溶液的溶质除NaOH和Na[Al(OH)4]外，还含有____________(填化学式)。写出生成气体的该反应的化学方程式：___________________________________________。
SiO2
蒸发浓缩
冷却结晶
过滤
把亚铁离子氧化为铁离子
2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O
Na2SiO3
2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
解析　SiO2不溶于硫酸，铝灰用硫酸酸浸后过滤，滤渣为SiO2，滤液中含有硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁，滤液加入过氧化氢把亚铁离子氧化为铁离子，再加入过量氢氧化钠，生成四羟基合铝酸钠和氢氧化铁沉淀，过滤得到滤渣②是氢氧化铁，无色滤液B为四羟基合铝酸钠溶液，加入K2SO4、H2SO4酸化，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得明矾晶体。
(1)SiO2不溶于硫酸，铝灰用硫酸酸浸后过滤，滤渣①为SiO2；(2)溶液经过“一系列操作”可得到明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]，则“一系列操作”是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；(3)流程中加入H2O2把亚铁离子氧化为铁离子，反应的离子方程式：2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O；(4)若将铝灰投入过量的氢氧化钠溶液中，Al和氢氧化钠反应生成四羟基合铝酸钠和氢气、Al2O3和氢氧化钠反应生成四羟基合铝酸钠，SiO2和氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，所得溶液的溶质除NaOH和Na[Al(OH)4]外，还含有Na2SiO3；Al和氢氧化钠反应生成四羟基合铝酸钠和氢气，反应化学方程式是2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑。

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