Question

19．锆（Zr）元素是核反应堆燃料棒的包裹材料，二氧化锆（ZrO₂）可以制造耐高温纳米陶瓷．我国有丰富的锆英石（ZrSiO₄）含Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等杂质，碱熔法生产锆的流程如下：

已知25℃时部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH见下表：

沉淀物	Zr（OH）4	Fe（OH）3	Al（OH）3	Fe（OH）2
开始沉淀时pH	1.2	2.7	3.4	6.3
完全沉淀时pH	2.4	3.2	5.2	9.7

（1）完成高温熔融时的主要反应方程式：
ZrSiO₄+4NaOH═Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2H₂O
（2）为了提高浸出率可采取的方法有原料粉碎增大接触面积、加热或搅拌或多次浸取（列举两种）
（3）生成滤渣2的成分H₂SiO₃或H₄SiO₄（用化学式表示）
（4）用氨水将滤液2的pH调至2.4≤pH＜3.4，目的是使Zr⁴⁺完全转化为Zr（OH）₄沉淀，同时保证Al³⁺不会被沉淀下来．
（5）往流程中滤渣1中加入盐酸溶液，过滤不溶物后，再将滤液在不断通入HCl气流中气流同时蒸发浓缩、冷却结晶、过滤，可回收得到铁的氯化物FeCl₃晶体．

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，二氧化硅反应转化为硅酸钠，ZrSiO₄转化为Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，氧化铝和氢氧化钠反应生成偏铝酸钠，水浸过滤，滤渣1为Fe₂O₃，得到滤液1中加过量盐酸酸浸，Na₂SiO₃与HCl生成硅酸沉淀，偏铝酸钠和过量盐酸反应得到氯化铝，滤渣2为H₂SiO₃，滤液中含有ZrO²⁺、Al³⁺，加氨水调节pH为2.4～2.7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）结合影响化学反应速率的因素分析，增大浓度、升高温度、增大接触面积、搅拌、多次浸取等分析；
（3）分析可知滤渣2为硅酸沉淀；
（4）根据表中数据判断；加氨水至pH=2.4时，ZrO²⁺与NH₃•H₂O反应生成Zr（OH）₄沉淀；
（5）滤渣1为Fe₂O₃，加入盐酸溶液，制备氯化铁晶体时应防止铁离子水解，由溶液得到晶体，可进行蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等操作．

解答 解：（1）高温下，ZrSiO₄与NaOH反应生成Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，反应的化学方程式为：ZrSiO₄+4NaOH=Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2H₂O，
故答案为：ZrSiO₄+4NaOH=Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2H₂O；
（2）为了提高浸出率可采取的方法有，将原料粉碎增大接触面积、加热、搅拌、多次浸取，
故答案为：原料粉碎增大接触面积、加热或搅拌或多次浸取；
（3）二氧化硅反应转化为硅酸钠，ZrSiO₄转化为Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，氧化铝和氢氧化钠反应生成偏铝酸钠，水浸过滤，滤渣1为Fe₂O₃，得到滤液1中加过量盐酸酸浸，偏铝酸钠和过量盐酸反应得到氯化铝，Na₂SiO₃与HCl生成硅酸沉淀，滤渣2为H₂SiO₃或 H₄SiO₄，
故答案为：H₂SiO₃ 或  H₄SiO₄；
（4）滤液2中含有ZrO²⁺、Al³⁺，依据图表数据分析可知，加氨水调节pH为2.4～2.7使ZrO²⁺转化为Zr（OH）₄沉淀，铝离子不沉淀，过滤、洗涤，得到Zr（OH）₄，加热分解，即可得到ZrO₂；
故答案为：2.4≤pH＜3.4；使Zr⁴⁺完全转化为Zr（OH）₄沉淀，同时保证Al³⁺不会被沉淀下来；
（5）滤渣1为Fe₂O₃，加入盐酸溶液，过滤不溶物后得到滤液为氯化铁溶液，再将滤液在不断通入HCl气流中蒸发结晶，防止氯化铁水解生成氢氧化铁沉淀，同时蒸发浓缩、冷却结晶、过滤可回收得到铁的氯化物FeCl₃晶体．
故答案为：HCl气流中；冷却结晶、过滤．

点评 本题考查了物质制备的流程，为高考常见题型．侧重于学生的分析能力和实验能力的考查，题目涉及混合物分离、提纯及化学方程式的方法、物质性质的应用，综合性较强，题目难度中等．