Question

19．二氧化鋯是重要的耐高溫材料、陶瓷絕緣材料．以鋯英砂（主要成分為ZrSiO₄，還含有少量的Fe₂0₃、Al₂O₃、SiO₂等雜質(zhì)）為原料制備二氧化鋯（ZrO₂）的工藝流程如圖所示．

已知：①ZrO₂能與燒堿反應(yīng)生成可溶于水的Na₂ZrO₃，Na₂ZrO₃與酸反應(yīng)生成ZrO²⁺．
②部分離子在實(shí)驗(yàn)條件下開(kāi)始沉淀和完全沉淀時(shí)的pH如下表：

離子	Fe3+	Al3+	ZrO2+
開(kāi)始沉淀時(shí)pH	1.9	3.3	6.2
完全沉淀時(shí)pH	3.2	5.2	8.0

（1）經(jīng)熔融后，鋯英砂中Zr元素以Na₂ZrO₃（寫(xiě)化學(xué)式）形式存在．
（2）寫(xiě)出酸浸時(shí)生成Al³⁺、Fe³⁺的離子方程式Fe₂O₃+6H⁺=Fe³⁺+3H₂O，AlO₂^-+4H⁺=Al³⁺+2H₂O．
（3）濾渣Ⅰ的主要成分的名稱(chēng)為硅酸．
（4）向過(guò)濾Ⅱ所得濾液中加氨水調(diào)pH=b，則b的范圍是5.2～6.2．
（5）向過(guò)濾Ⅲ所得的濾液中加入CaCO₃粉末并加熱，可得到CO₂和另一種氣體．該反應(yīng)的離子方程式為2NH₄⁺+CaCO₃=Ca²⁺+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O．
（6）一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷；電解質(zhì)是摻雜氧化釔（Y₂O₃）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O^2-．在熔融電解質(zhì)中，O^2-向負(fù)（填“正”或“負(fù)”）極移動(dòng)．負(fù)極電極反應(yīng)為：C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O．

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(zhì)）加NaOH熔融，ZrSiO₄轉(zhuǎn)化為Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，加過(guò)量鹽酸酸浸，Na₂SiO₃與HCl生成硅酸沉淀，濾液中含有ZrO²⁺、Fe³⁺、Al³⁺，加氨水調(diào)節(jié)pH為5.2～6.2，使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀，過(guò)濾，濾液中主要含有ZrO²⁺，再加氨水調(diào)節(jié)pH使ZrO²⁺轉(zhuǎn)化為Zr（OH）₄沉淀，過(guò)濾、洗滌，得到Zr（OH）₄，加熱分解，即可得到ZrO₂；
（1）高溫下，ZrSiO₄與NaOH反應(yīng)生成Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃；
（2）酸浸時(shí)生成Al³⁺、Fe³⁺的反應(yīng)是氧化鐵和酸反應(yīng)生成氯化鐵和水，偏鋁酸鈉和鹽酸反應(yīng)生成氯化鋁和水；
（3）加過(guò)量鹽酸酸浸，Na₂SiO₃與HCl生成硅酸沉淀，過(guò)濾，濾渣為H₂SiO₃；
（4）需用氨水調(diào)pH=a，使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀，而ZrO²⁺不能沉淀，根據(jù)表中數(shù)據(jù)判斷；加氨水至pH=b時(shí)，ZrO²⁺與NH₃•H₂O反應(yīng)生成Zr（OH）₄沉淀；
（5）過(guò)濾Ⅲ所得濾液中主要含有銨根離子，溶液顯酸性，加入CaCO₃粉末并加熱得到氨氣和二氧化碳；
（6）在丁烷燃料電池中，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O，正極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-=2O^2-，總反應(yīng)式為2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O，在原電池中，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)．

解答 解：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(zhì)）加NaOH熔融，ZrSiO₄轉(zhuǎn)化為Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，加過(guò)量鹽酸酸浸，Na₂SiO₃與HCl生成硅酸沉淀，濾液中含有ZrO²⁺、Fe³⁺、Al³⁺，加氨水調(diào)節(jié)pH為5.2～6.2，使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀，過(guò)濾，濾液中主要含有ZrO²⁺，再加氨水調(diào)節(jié)pH使ZrO²⁺轉(zhuǎn)化為Zr（OH）₄沉淀，過(guò)濾、洗滌，得到Zr（OH）₄，加熱分解，即可得到ZrO₂；
（1）高溫下，ZrSiO₄與NaOH反應(yīng)生成Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，其反應(yīng)的方程式為：ZrSiO₄+4NaOH $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Na₂SiO₃+Na₂ZrO₃+2H₂O，經(jīng)熔融后，鋯英砂中Zr元素以Na₂ZrO₃存在，
故答案為：Na₂ZrO₃；
（2）酸浸時(shí)生成Al³⁺、Fe³⁺的反應(yīng)是氧化鐵和酸反應(yīng)生成氯化鐵和水，偏鋁酸鈉和鹽酸反應(yīng)生成氯化鋁和水，反應(yīng)的離子方程式為：Fe₂O₃+6H⁺=Fe³⁺+3H₂O，AlO₂^-+4H⁺=Al³⁺+2H₂O，
故答案為；Fe₂O₃+6H⁺=Fe³⁺+3H₂O，AlO₂^-+4H⁺=Al³⁺+2H₂O；
（3）加過(guò)量鹽酸酸浸，Na₂SiO₃與HCl生成硅酸沉淀，過(guò)濾，濾渣Ⅰ為H₂SiO₃，
故答案為：硅酸；
（4）需用氨水調(diào)pH=a，使Fe³⁺、Al³⁺轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀，而ZrO²⁺不能沉淀，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知：pH在5.2～6.2時(shí)Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，而ZrO²⁺不沉淀；加氨水至pH=b時(shí)，ZrO²⁺與NH₃•H₂O反應(yīng)生成Zr（OH）₄沉淀，其反應(yīng)的離子方程式為：ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺；
故答案為：5.2～6.2；
（5）過(guò)濾Ⅲ所得濾液中主要含有銨根離子，溶液顯酸性，加入CaCO₃粉末并加熱得到氨氣和二氧化碳，其反應(yīng)的離子方程式為：2NH₄⁺+CaCO₃=Ca²⁺+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O；
故答案為：2NH₄⁺+CaCO₃=Ca²⁺+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O；
（6）在原電池中，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，O^2-向負(fù)極移動(dòng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O，
故答案為：負(fù)；C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)分離提純的方法和流程分析應(yīng)用，題目涉及流程的分析應(yīng)用、離子方程式的書(shū)寫(xiě)、除雜質(zhì)、基本實(shí)驗(yàn)操作等，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，解答該�?lèi)題目，注意把握實(shí)驗(yàn)原理和操作流程的目的，主要是物質(zhì)性質(zhì)的理解，題目難度中等．