Question

10．二氧化锆（ZrO₂）是最重要的氧离子固体电解质，用于制造燃料电池、氧气含量测定仪等．可由锆英砂（主要成分为ZrSiO₄，也可表示为ZrO₂•SiO₂；含有少量Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂杂质）通过如工艺流程法制得．
已知：①ZrO₂具有两性，高温与纯碱共熔生成可溶于水的Na₂ZrO₃，与酸反应生成ZrO²⁺．②部分金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表：

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

请回答下列问题：
（1）烧结时ZrSiO₄发生反应的化学方程式为ZrSiO₄+2Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2CO₂↑；滤渣I的化学式为H₂SiO₃（或H₄SiO₄）．
（2）调节pH=a 的目的是完全沉淀Fe³⁺、Al³⁺，而ZrO²⁺不沉淀；用氨水调节pH=b后发生反应的离子方程式为ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺．
（3）以滤渣 II为主要原料制取铁红，请简述实验方法在滤渣 II中加足量NaOH溶液充分反应，过滤、洗净、干燥、加热分解．
（4）工业上用铝热法冶炼锆，写出以ZrO₂通过铝热法制取锆的化学方程式：3ZrO₂+4Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Zr+2Al₂O₃．
（5）一种新型燃料电池用掺杂Y₂O₃的ZrO₂晶体作电解质在熔融状态下传导O^2-，一极通入空气，另一极通入甲烷，写出负极的电极反应式为CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．

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）加碳酸钠熔融，ZrSiO₄转化为Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，加过量硫酸酸浸，Na₂SiO₃与硫酸生成硅酸沉淀，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，以此解答该题．

解答 解：（1）烧结时ZrSiO₄与碳酸钠反应生成Na₂ZrO₃、Na₂SiO₃，反应的化学方程式为ZrSiO₄+2Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2CO₂↑，加过量硫酸酸浸，Na₂SiO₃与HCl生成硅酸沉淀，过滤，滤渣Ⅰ为H₂SiO₃，
故答案为：ZrSiO₄+2Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2CO₂↑；   H₂SiO₃ （或H₄SiO₄）；
（2）由流程可知，调节pH=a，可分离出Fe³⁺、Al³⁺，用氨水调节pH=b，发生ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺，
故答案为：完全沉淀Fe³⁺、Al³⁺，而ZrO²⁺不沉淀；ZrO²⁺+2NH₃•H₂O+H₂O=Zr（OH）₄↓+2NH₄⁺；
（3）滤渣 II中含有氢氧化铝、氢氧化铁，制备铁红，应先除去氢氧化铝，可在滤渣 II中加足量NaOH溶液充分反应，过滤、洗净、干燥、加热分解，
故答案为：在滤渣 II中加足量NaOH溶液充分反应，过滤、洗净、干燥、加热分解；
（4）工业上用铝热法冶炼锆，方程式为3ZrO₂+4Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Zr+2Al₂O₃，故答案为：3ZrO₂+4Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Zr+2Al₂O₃；
（5）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CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，故答案为：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．

点评 本题考查了物质分离提纯的方法和流程分析应用，为高频考点，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．