Question

10．二氧化鋯（ZrO₂）是最重要的氧離子固體電解質，用于制造燃料電池、氧氣含量測定儀等．可由鋯英砂（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂；含有少量Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂雜質）通過如工藝流程法制得．
已知：①ZrO₂具有兩性，高溫與純堿共熔生成可溶于水的Na₂ZrO₃，與酸反應生成ZrO²⁺．②部分金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如表：

金屬離子	Fe3+	Al3+	ZrO2+
開始沉淀的pH	1.9	3.3	6.2
沉淀完全的pH	3.2	5.2	8.0

請回答下列問題：
（1）燒結時ZrSiO₄發(fā)生反應的化學方程式為ZrSiO₄+2Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2CO₂↑；濾渣I的化學式為H₂SiO₃（或H₄SiO₄）．
（2）調節(jié)pH=a 的目的是完全沉淀Fe³⁺、Al³⁺，而ZrO²⁺不沉淀；用氨水調節(jié)pH=b后發(fā)生反應的離子方程式為ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺．
（3）以濾渣 II為主要原料制取鐵紅，請簡述實驗方法在濾渣 II中加足量NaOH溶液充分反應，過濾、洗凈、干燥、加熱分解．
（4）工業(yè)上用鋁熱法冶煉鋯，寫出以ZrO₂通過鋁熱法制取鋯的化學方程式：3ZrO₂+4Al$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Zr+2Al₂O₃．
（5）一種新型燃料電池用摻雜Y₂O₃的ZrO₂晶體作電解質在熔融狀態(tài)下傳導O^2-，一極通入空氣，另一極通入甲烷，寫出負極的電極反應式為CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．

Answer 1

分析 鋯英砂（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等雜質）加碳酸鈉熔融，ZrSiO₄轉化為Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，加過量硫酸酸浸，Na₂SiO₃與硫酸生成硅酸沉淀，濾液中含有ZrO²⁺、Fe³⁺、Al³⁺，加氨水調節(jié)pH為5.2～6.2，使Fe³⁺、Al³⁺轉化為氫氧化物沉淀，過濾，濾液中主要含有ZrO²⁺，再加氨水調節(jié)pH使ZrO²⁺轉化為Zr（OH）₄沉淀，過濾、洗滌，得到Zr（OH）₄，加熱分解，即可得到ZrO₂，以此解答該題．

解答 解：（1）燒結時ZrSiO₄與碳酸鈉反應生成Na₂ZrO₃、Na₂SiO₃，反應的化學方程式為ZrSiO₄+2Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2CO₂↑，加過量硫酸酸浸，Na₂SiO₃與HCl生成硅酸沉淀，過濾，濾渣Ⅰ為H₂SiO₃，
故答案為：ZrSiO₄+2Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2CO₂↑；   H₂SiO₃ （或H₄SiO₄）；
（2）由流程可知，調節(jié)pH=a，可分離出Fe³⁺、Al³⁺，用氨水調節(jié)pH=b，發(fā)生ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺，
故答案為：完全沉淀Fe³⁺、Al³⁺，而ZrO²⁺不沉淀；ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺；
（3）濾渣 II中含有氫氧化鋁、氫氧化鐵，制備鐵紅，應先除去氫氧化鋁，可在濾渣 II中加足量NaOH溶液充分反應，過濾、洗凈、干燥、加熱分解，
故答案為：在濾渣 II中加足量NaOH溶液充分反應，過濾、洗凈、干燥、加熱分解；
（4）工業(yè)上用鋁熱法冶煉鋯，方程式為3ZrO₂+4Al$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Zr+2Al₂O₃，故答案為：3ZrO₂+4Al$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Zr+2Al₂O₃；
（5）在原電池中，陰離子向負極移動，O^2-向負極移動，負極發(fā)生氧化反應，電極反應式為CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，故答案為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．

點評 本題考查了物質分離提純的方法和流程分析應用，為高頻考點，題目涉及流程的分析應用、離子方程式的書寫、除雜質、基本實驗操作等，側重于學生的分析能力和實驗能力的考查，解答該類題目，注意把握實驗原理和操作流程的目的，主要是物質性質的理解，題目難度中等．