Question

13．鋯（₄₀Zr）是現(xiàn)代工業(yè)的重要金屬原料，具有良好的可塑性，抗蝕性能超過鈦．以鋯英石（主要成分是ZrSiO₄，還含有少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質）為原料生產(chǎn)鋯及其化合物的流程如圖所示：

（1）ZrSiO₄中鋯元素的價態(tài)是+4，SiCl₄的電子式為．
（2）上述流程中，高溫氣化存在多個反應，若不考慮反應中的損失，則分餾后得到的SiCl₄質量通常比由純ZrSiO₄發(fā)生的反應得到的SiCl₄質量大，原因是因為雜質中的SiO₂也通過反應產(chǎn)生了SiCl₄．
（3）高溫氣化后的固體殘渣除碳（C）外，還有Al₂O₃和FeCl₃，加水浸取得氯化鐵溶液，過濾，從濾渣中分離出碳和Al₂O₃兩種固體的方法是加堿浸取過濾得到C，再向濾液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向濾液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁）．
（4）寫出上述流程中ZrCl₄與水反應的化學方程式：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl．
（5）某燃料電池是以C₂H₄作為燃料氣，另一極通入氧氣，電解質是摻雜氧化釔（Y₂O₃）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導O^2-，則負極上發(fā)生的反應式為C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O．用該電池電解硫酸銅溶液一段時間后，需向溶液中加入4.44g Cu₂（OH）₂CO₃使溶液復原．則這段時間內(nèi)電路中轉移的電子物質的量為0.12mol．

Answer 1

分析 鋯英石（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質），通入足量的氯氣以及和足量的石焦油反應，ZrSiO₄轉化為ZrCl₄，加水水解，使ZrCl₄轉化為ZrOCl₂•8H₂O，900℃加熱分解，即可得到ZrO₂，加入鎂置換得到海綿鋯，加入鎂置換得到海綿鋯，
（1）根據(jù)在化合物中正負化合價代數(shù)和為零，結合ZrSiO₄的化學式進行解答；SiCl₄分子中硅原子最外層有4個電子，能形成4個共價鍵達到穩(wěn)定結構，每個氯原子能形成一個共價鍵達到穩(wěn)定結構；
（2）因鋯英石含有雜質SiO₂，SiO₂也能在高溫氣化條件下反應生成SiCl₄；
（3）根據(jù)碳和氧化鋁的化學性質的差異進行分離，氧化鋁為兩性氧化物；
（4）根據(jù)圖示ZrCl₄與水反應產(chǎn)物為ZrOCl₂•8H₂O，結合原子守恒進行解答；
（5）燃料所在極為負極，負極失去電子發(fā)生氧化反應，為乙烯失電子和氧離子反應生成二氧化碳和水，4.44g Cu₂（OH）₂CO₃其物質的量為0.02mol，加入0.02molCu₂（OH）₂CO₃使溶液復原，相當于硫酸銅溶液在電解過程中產(chǎn)生了0.4moCu和消耗了0.2mol水，據(jù)此計算電子轉移的物質的量．

解答 解：鋯英石（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質），通入足量的氯氣以及和足量的石焦油反應，ZrSiO₄轉化為ZrCl₄，加水水解，使ZrCl₄轉化為ZrOCl₂•8H₂O，900℃加熱分解，即可得到ZrO₂，加入鎂置換得到海綿鋯，加入鎂置換得到海綿鋯，
（1）根據(jù)在化合物中正負化合價代數(shù)和為零，氧元素顯-2價，硅元素顯+4價，設鋯元素（Zr）的化合價是x，可知ZrSiO₄中鋯元素（Zr）的化合價：x+（+4）+（-2）×4=0，則x=+4，SiCl₄分子中硅原子最外層有4個電子，能形成4個共價鍵達到穩(wěn)定結構，每個氯原子能形成一個共價鍵達到穩(wěn)定結構，電子式為：，
故答案為：+4；；
（2）鋯英石（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質），雜質SiO₂也能在高溫氣化條件下反應生成SiCl₄，則分餾后得到的SiCl₄質量通常比由純ZrSiO₄發(fā)生的反應得到的SiCl₄質量大，
故答案為：因為雜質中的SiO₂也通過反應產(chǎn)生了SiCl₄；
（3）氧化鋁為兩性氧化物，易溶于強酸強堿，碳不溶于非氧化性酸，不溶于堿，從濾渣中分離出C和A1₂O₃兩種固體：加堿浸取過濾得到C，再向濾液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向濾液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁），
故答案為：加堿浸取過濾得到C，再向濾液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向濾液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁）；
（4）ZrCl₄與水反應產(chǎn)物為ZrOCl₂•8H₂O，根據(jù)原子守恒，反應方程式為：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl，
故答案為：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl；
（5）該燃料電池中通入乙烯的一極為負極，發(fā)生氧化反應，乙烯失電子和氧離子反應生成二氧化碳和水，電極反應式為：C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O，4.44g Cu₂（OH）₂CO₃其物質的量為0.02mol，加入0.02molCu₂（OH）₂CO₃使溶液復原，相當于硫酸銅溶液在電解過程中產(chǎn)生了0.04moCu和消耗了0.02mol水，根據(jù)關系式Cu～2e-可知，產(chǎn)生了0.04moCu要轉移0.08mol電子，根據(jù)關系式H₂O～2e-，可知消耗了0.02mol水，轉移電子的物質的量為0.04mol，所以反應中共轉移電子的物質的量為0.12mol，
故答案為：C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O；0.12mol．

點評 本題考查了海綿鋯的制備以及物質分離提純的方法和流程分析應用，涉及流程的分析應用、離子方程式的書寫、基本實驗操作、電解原理的應用及計算等，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．