题目内容
【题目】ZrO2是重要的耐高温材料,可用作陶瓷遮光剂。天然锆英石的主要成分为ZrSiO4,另外还含有铁、铝、铜等金属元素的氧化物杂质,工业上以天然锆英石为原料制备ZrO2的工艺流程如下图所示:
已知:Fe(SCN)3难溶于MIBK; Zr(SCN)4在水中的溶解度不大,易溶于MIBK。
请回答下列问题:
(1)ZrSiO4锆元素的化合价为____________。
(2)“氯化”主反应为ZrSiO4(s)+2C(s)+4Cl2(g)ZrCl4(g)+SiCl4(g)+2CO2(g) ΔH<0,相同时间内ZrCl4的产率随温度变化如图所示,由图可知“氯化”的最佳温度是________________。“氯化”过程中ZrCl4的产率随温度升高先增大后减小的原因是_________。
(3)写出Al2O3高温“氯化”过程中转化为AlCl3的化学方程式: ____________。
(4)本流程使用NaCN除铜,若盐酸“溶解”后溶液中的c(Cu2+)=0.01 mol·L-1,当溶液中Cu2+开始沉淀时,c(CN-)=______________。{已知Ksp[Cu(CN)2]=4.00×10-10}
(5)实验室进行“萃取”和“反萃取”的玻璃仪器是________。流程中“萃取”与“反萃取”的目的是_______。
【答案】+4 360 ℃ 360 ℃以前反应未达到平衡,升温过程中反应继续向正向进行,产率不断增大;360 ℃以后反应达到平衡,由于该反应为放热反应,升温过程中平衡逆向移动,ZrCl4产率又减小 2Al2O3+3C+6Cl24AlCl3+3CO2 2×10-4 mol/L 分液漏斗、烧杯 除去铁元素杂质
【解析】
根据流程:天然锆英石(ZrSiO4)含有铁、铝、铜等金属元素的氧化物杂质与焦炭、氯气高温氯化,主要的反应为ZrSiO4+2C+4Cl2ZrCl4+SiCl4+2CO2,2Al2O3+3C+6Cl24AlCl3+3CO2,同理铁、铜的氧化物,将得到ZrCl4、SiCl4、AlCl3、FeCl3、CuCl2用NaOH溶液碱浸,SiCl4、AlCl3溶解为硅酸钠、偏铝酸钠,ZrCl4、FeCl3、CuCl2反应为Zr(OH)4、Fe(OH)3、Cu(OH)2沉淀,即为滤渣1,用盐酸将滤渣1溶解,得到ZrCl4、FeCl3、CuCl2,使用NaCN除铜,滤渣2为Cu(CN)2,向滤液加入NH4SCN与ZrCl4、FeCl3发生配合反应得到Fe(SCN)3、Zr(SCN)4,加入 有机溶剂MIBK萃取,Fe(SCN)3难溶于MIBK,分液,Zr(SCN)4在有机层,将含有Zr(SCN)4的有机层用硫酸反萃取将Zr(SCN)4与MIBK分离,经过一系列操作得到ZrO2,据此分析作答。
(1)由于在化合物中元素正负化合价代数和等于0,O为-2价,Si为+4价,可得锆英石(ZrSiO4)中Zr元素的化合价为+4价。
(2)根据图象可知ZrCl4的产率在温度为360 ℃时最高,说明“氯化”的最佳温度是360 ℃;根据图象可知,在360 ℃以前,随着温度的升高,ZrCl4的产率逐渐增大,是由于温度升高,反应物分子的能量增加,有效碰撞次数增加,反应速率加快,更多的反应物发生反应变为生成物,所以ZrCl4的产率逐渐增大,到360℃达到最大值,此时反应达到平衡状态,由于该反应的正反应为放热反应,升高温度,化学平衡向吸热的逆反应方向移动,使ZrCl4的产率逐渐降低,因此温度升高,ZrCl4的产率又逐渐降低。
(3)Al2O3、焦炭在高温下与氯气反应产生AlCl3、CO2,根据电子守恒、原子守恒可得该反应方程式为2Al2O3+3C+6Cl24AlCl3+3CO2;
(4)由于Ksp[Cu(CN)2]=c(Cu2+)·c2(CN-)=4.00×10-10,c(Cu2+)=0.01 mol/L,当溶液中Cu2+开始沉淀时,c(CN-)==2.00×10-4 mol/L。
(5)由于萃取是分离互不相溶的液体混合物的方法,所以萃取和反萃取使用的仪器有分液漏斗和烧杯;在处理过程中Cu2+与沉淀试剂形成Cu(CN)2沉淀过滤除去,Fe3+与加入的NH4SCN形成络合物Fe(SCN)3,Zr4+形成Zr(SCN)4,由于Fe(SCN)3难溶于MIBK,而Zr(SCN)4在水中溶解度不大,易溶于MIBK,向Fe(SCN)3、Zr(SCN)4的混合溶液中加入MIBK充分振荡后,分液,可将Fe(SCN)3分离除去,然后向MIBK的溶液中加入硫酸进行反萃取,Zr(SCN)4进入硫酸溶液中,然后经过一系列处理,就可得到ZrO2。所以进行萃取和反萃取目的是除去铁元素杂质。
【题目】在一定温度下,将气体X和气体Y 各0.16 mol充入10 L 恒容密闭容器中,发生反应:X(g)+ Y(g)2Z(g) △H < 0,一段时间后达到平衡。反应过程中测定的数据如下表。下列说法正确的是
t / min | 2 | 4 | 7 | 9 |
n(Y)/mol | 0.12 | 0.11 | 0.10 | 0.10 |
A.反应前2min的平均速率v(Z)=2.0×10-5 mol/(L·min)
B.其他条件不变,降低温度,反应达到新平衡前v(逆)>v(正)
C.该温度下此反应的平衡常数K=1.44
D.其他条件不变,再充入0.2 mol Z,平衡时X的物质的量浓度减小