Question

19．二氧化锆是重要的耐高温材料、陶瓷绝缘材料．以锆英砂（主要成分为ZrSiO₄，还含有少量的Fe₂0₃、Al₂O₃、SiO₂等杂质）为原料制备二氧化锆（ZrO₂）的工艺流程如图所示．

已知：①ZrO₂能与烧碱反应生成可溶于水的Na₂ZrO₃，Na₂ZrO₃与酸反应生成ZrO²⁺．
②部分离子在实验条件下开始沉淀和完全沉淀时的pH如下表：

离子	Fe3+	Al3+	ZrO2+
开始沉淀时pH	1.9	3.3	6.2
完全沉淀时pH	3.2	5.2	8.0

（1）经熔融后，锆英砂中Zr元素以Na₂ZrO₃（写化学式）形式存在．
（2）写出酸浸时生成Al³⁺、Fe³⁺的离子方程式Fe₂O₃+6H⁺=Fe³⁺+3H₂O，AlO₂^-+4H⁺=Al³⁺+2H₂O．
（3）滤渣Ⅰ的主要成分的名称为硅酸．
（4）向过滤Ⅱ所得滤液中加氨水调pH=b，则b的范围是5.2～6.2．
（5）向过滤Ⅲ所得的滤液中加入CaCO₃粉末并加热，可得到CO₂和另一种气体．该反应的离子方程式为2NH₄⁺+CaCO₃=Ca²⁺+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O．
（6）一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷；电解质是掺杂氧化钇（Y₂O₃）的氧化锆（ZrO₂）晶体，在熔融状态下能传导O^2-．在熔融电解质中，O^2-向负（填“正”或“负”）极移动．负极电极反应为：C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O．

Answer 1

分析 锆英砂（主要成分为ZrSiO₄，也可表示为ZrO₂•SiO₂，还含少量Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等杂质）加NaOH熔融，ZrSiO₄转化为Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，加过量盐酸酸浸，Na₂SiO₃与HCl生成硅酸沉淀，滤液中含有ZrO²⁺、Fe³⁺、Al³⁺，加氨水调节pH为5.2～6.2，使Fe³⁺、Al³⁺转化为氢氧化物沉淀，过滤，滤液中主要含有ZrO²⁺，再加氨水调节pH使ZrO²⁺转化为Zr（OH）₄沉淀，过滤、洗涤，得到Zr（OH）₄，加热分解，即可得到ZrO₂；
（1）高温下，ZrSiO₄与NaOH反应生成Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃；
（2）酸浸时生成Al³⁺、Fe³⁺的反应是氧化铁和酸反应生成氯化铁和水，偏铝酸钠和盐酸反应生成氯化铝和水；
（3）加过量盐酸酸浸，Na₂SiO₃与HCl生成硅酸沉淀，过滤，滤渣为H₂SiO₃；
（4）需用氨水调pH=a，使Fe³⁺、Al³⁺转化为氢氧化物沉淀，而ZrO²⁺不能沉淀，根据表中数据判断；加氨水至pH=b时，ZrO²⁺与NH₃•H₂O反应生成Zr（OH）₄沉淀；
（5）过滤Ⅲ所得滤液中主要含有铵根离子，溶液显酸性，加入CaCO₃粉末并加热得到氨气和二氧化碳；
（6）在丁烷燃料电池中，负极发生氧化反应，电极反应式为C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O，正极发生还原反应，电极反应式为O₂+4e^-=2O^2-，总反应式为2C₄H₁₀+13O₂═8CO₂+10H₂O，在原电池中，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动．

解答 解：锆英砂（主要成分为ZrSiO₄，也可表示为ZrO₂•SiO₂，还含少量Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等杂质）加NaOH熔融，ZrSiO₄转化为Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，加过量盐酸酸浸，Na₂SiO₃与HCl生成硅酸沉淀，滤液中含有ZrO²⁺、Fe³⁺、Al³⁺，加氨水调节pH为5.2～6.2，使Fe³⁺、Al³⁺转化为氢氧化物沉淀，过滤，滤液中主要含有ZrO²⁺，再加氨水调节pH使ZrO²⁺转化为Zr（OH）₄沉淀，过滤、洗涤，得到Zr（OH）₄，加热分解，即可得到ZrO₂；
（1）高温下，ZrSiO₄与NaOH反应生成Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，其反应的方程式为：ZrSiO₄+4NaOH $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂SiO₃+Na₂ZrO₃+2H₂O，经熔融后，锆英砂中Zr元素以Na₂ZrO₃存在，
故答案为：Na₂ZrO₃；
（2）酸浸时生成Al³⁺、Fe³⁺的反应是氧化铁和酸反应生成氯化铁和水，偏铝酸钠和盐酸反应生成氯化铝和水，反应的离子方程式为：Fe₂O₃+6H⁺=Fe³⁺+3H₂O，AlO₂^-+4H⁺=Al³⁺+2H₂O，
故答案为；Fe₂O₃+6H⁺=Fe³⁺+3H₂O，AlO₂^-+4H⁺=Al³⁺+2H₂O；
（3）加过量盐酸酸浸，Na₂SiO₃与HCl生成硅酸沉淀，过滤，滤渣Ⅰ为H₂SiO₃，
故答案为：硅酸；
（4）需用氨水调pH=a，使Fe³⁺、Al³⁺转化为氢氧化物沉淀，而ZrO²⁺不能沉淀，根据表中数据可知：pH在5.2～6.2时Fe³⁺、Al³⁺完全沉淀，而ZrO²⁺不沉淀；加氨水至pH=b时，ZrO²⁺与NH₃•H₂O反应生成Zr（OH）₄沉淀，其反应的离子方程式为：ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺；
故答案为：5.2～6.2；
（5）过滤Ⅲ所得滤液中主要含有铵根离子，溶液显酸性，加入CaCO₃粉末并加热得到氨气和二氧化碳，其反应的离子方程式为：2NH₄⁺+CaCO₃=Ca²⁺+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O；
故答案为：2NH₄⁺+CaCO₃=Ca²⁺+2NH₃↑+CO₂↑+H₂O；
（6）在原电池中，阴离子向负极移动，O^2-向负极移动，负极发生氧化反应，电极反应式为C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O，
故答案为：负；C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O．

点评 本题考查了物质分离提纯的方法和流程分析应用，题目涉及流程的分析应用、离子方程式的书写、除杂质、基本实验操作等，侧重于学生的分析能力和实验能力的考查，解答该类题目，注意把握实验原理和操作流程的目的，主要是物质性质的理解，题目难度中等．