Question

【题目】Ⅰ．ZrO2常用作陶瓷材料，可由锆英砂(主要成分为ZrSiO4，也可表示为ZrO2·SiO2，还含少量Fe2O3、Al2O3、SiO2等杂质)通过如下方法制取：

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部分金属离子在实验条件下开始沉淀和完全沉淀的pH如下表。

金属离子	Fe3+	Al3+	ZrO2+
开始沉淀时pH	1.9	3.3	6.2
沉淀完全时pH	3.2	5.2	8.0

（1）熔融时ZrSiO4发生反应的化学方程式为___________________________________________，滤渣I的化学式为___________________

（2）为使滤液I的杂质离子沉淀完全，需用氨水调pH=a，则a的范围是____________________；继续加氨水至pH=b时，所发生反应的离子方程式为__________________________________________

（3）向过滤III所得滤液中加入CaCO3粉末并加热，得到两种气体。该反应的离子方程式为：________________________________________

（4）为得到纯净的ZrO2，Zr(OH)4需要洗涤，检验Zr(OH)4是否洗涤干净的方法是：____________________________

Ⅱ．氮化硅（Si3N4）是一种新型陶瓷材料，它可用石英与焦炭在高温的氮气流中反应制得：___SiO2 + C + N2 Si3N4 + CO

根据题意完成下列各题：

（1）配平上述化学反应方程式。__________

（2）为了保证石英和焦炭尽可能的转化，氮气要适当过量。某次反应用了30 mol氮气，反应生成了5 mol一氧化碳，则此时混合气体的平均摩尔质量是______________。

（3）氮化硅陶瓷的机械强度高，硬度接近于刚玉（A12O3），热稳定性好，化学性质稳定。以下用途正确的是__________（填序号）

A．可以在冶金工业上制成坩埚、铝电解槽衬里等设备

B．在电子工业上制成耐高温的电的良导体

C．研发氮化硅的全陶发动机替代同类型金属发动机

D．氮化硅陶瓷的开发受到资源的限制，没有发展前途

Answer 1

【答案】ZrSiO4 + 4NaOHNa2SiO3 + Na2ZrO3 + 2H2O H2SiO3(或H4SiO4) 5.2~6.2 ZrO2+ + 2NH3·H2O + H2O=== Zr(OH)4↓+ 2NH4+ 2NH4+ + CaCO3Ca2+ + 2NH3↑+ CO2↑+ H2O 取最后一次洗涤液，向其中滴加稀硝酸，再滴加硝酸银溶液，若无沉淀生成，则Zr(OH)4洗涤干净 3 6 2 1 6 28 g/mol AC

【解析】

锆英砂（主要成分为ZrSiO4，也可表示为ZrO2SiO2，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；

Ⅰ．（1）高温下，ZrSiO4与NaOH反应生成Na2SiO3和Na2ZrO3，其反应的方程式为：ZrSiO4+4NaOHNa2SiO3+Na2ZrO3+2H2O；加过量盐酸酸浸，Na2SiO3与HCl生成硅酸沉淀，过滤，滤渣为H2SiO3，答案为：ZrSiO4+4NaOHNa2SiO3+Na2ZrO3+2H2O；H2SiO3(或H4SiO4)；

（2）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NH3H2O反应生成Zr（OH）4沉淀，其反应的离子方程式为：ZrO2++2NH3H2O+H2O=Zr（OH）4↓+2NH4+；故答案为：5.2～6.2；ZrO2++2NH3H2O+H2O=Zr（OH）4↓+2NH4+；

（3）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；答案为：2NH4++CaCO3=Ca2++2NH3↑+CO2↑+H2O；

（4）沉淀上附着的杂质为氯离子，用稀硝酸和硝酸银来检验洗液中是否含有氯离子即可，其操作为：取最后一次洗涤液，向其中滴加稀硝酸，再滴加硝酸银溶液，若无沉淀生成，则Zr（OH）4洗涤干净；答案为：取最后一次洗涤液，向其中滴加稀硝酸，再滴加硝酸银溶液，若无沉淀生成，则Zr（OH）4洗涤干净；

Ⅱ．（1）根据方程式可知，碳元素的化合价从0价升高到＋2价，而氮元素的化合价从0价降低到－3价，所以根据电子的得失守恒可知，配平后的化学计量数依次是3；6；2；1；6；

（2）氮气是过量的，所以混合气是氮气和CO的混合气。但由于二者的相对分子质量都是28，所以混合气的平均摩尔质量是28g/mol；

（3）氮化硅不是电的良导体，选项B不正确；氮化硅的发展有广阔的发展前景，选项D不正确，选项AC是正确的，答案为AC；