Question

【题目】ZrO2是重要的耐温材料，可用作陶瓷遮光剂。天然锆英石(ZrSiO4)含有铁、铝、铜等金属元素的氧化物杂质，工业以锆英石为原料制备ZrO2的工艺流程如下：

已知：Fe(SCN)3难溶于MIBK； Zr(SCN)4在水中溶解度不大，易溶于MIBK。

(1)锆英石中锆元素的化合价为____________。

(2)氯化主反应：ZrSiO4(s)+2C(s)+4Cl2(g) ZrCl4(g)+SiCl4(g)+2CO2(g) △H<0，ZrC14的产率随温度变化如图所示，由图可知氯化的最佳条件是_________。氯化过程ZrC14的产率随温度升高先增大后减小的原因是 __________。

(3)写出A12O3高温氯化过程中转化为AlC13的化学方程式___________________；

(4)Na2S、H2S、NaCN等均为常用的铜沉淀剂，本流程使用NaCN除铜，不采用Na2S、H2S的原因是__________（用离子方程式解释）。若盐酸溶解后溶液中c(Cu2+)=0.01mol/L，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仪器是_______。流程中萃取与反萃取的目的是_________。

Answer 1

【答案】+4 360℃、1MPa 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 2Fe3++H2S=2Fe2++S+2H+(2Fe3++S2-=2Fe2++S或2Fe3++3S2-=2FeS↓+S) 2×10-4mol/L 分液漏斗、烧杯 除去铁元素杂质

【解析】

(1)根据化合物中元素正负化合价代数和等于0，结合Si、O元素化合价分析；

(2)制取ZrC14产率最大时为最合适的反应条件；根据温度对化学反应速率和化学平衡移动的影响分析判断；

(3) A12O3、焦炭在高温下与氯气反应产生AlCl3、CO2，根据电子守恒、原子守恒可得反应方程式；

(4)锆英石(ZrSiO4)含有铁元素的氧化物，在处理过程中有Fe3+，根据Fe3+与H2S或S2-发生的氧化还原反应分析判断；根据Ksp[Cu(CN)2]=c(Cu2+)·c2(CN-)=4.00×10-10计算判断；

(5)根据萃取是分离互不相溶的液体混合物的方法判断仪器的使用；根据Fe(SCN)3难溶于MIBK；Zr(SCN)4在水中溶解度不大，易溶于MIBK分析萃取的目的。

(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)根据图像可知在ZrC14的产率在温度为360℃、1MPa时最高，说明氯化的最佳条件是360℃、1MPa；

根据图象可知：在360℃以前，随着温度的升高，ZrC14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ZrC14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ZrC14的产率逐渐降低，因此温度升高，ZrC14的产率又逐渐降低；

(3) A12O3、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)在锆英石(ZrSiO4)含有铁元素的氧化物，在粉碎、氯化处理过程中有Fe3+生成，Fe3+具有氧化性，而H2S或S2-具有还原性，会发生氧化还原反应：2Fe3++H2S=2Fe2++S+2H+或2Fe3++S2-=2Fe2++S或2Fe3++3S2-=2FeS↓+S，影响Cu2+的沉淀，若用NaCN，就不会发生上述反应；由于Ksp[Cu(CN)2]=c(Cu2+)·c2(CN-)=4.00×10-10，c(Cu2+)=0.01mol/L，当溶液中Cu2+开始沉淀时，c(CN-)==2.00×10-4mol/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。