Question

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）通过如下工艺流程法制得。

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如下表：

金属离子	Fe^3+	Al^3+	ZrO^2+
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：

⑴烧结时ZrSiO₄发生反应的化学方程式为_______________________；

滤渣I的化学式为______________________________。

⑵调节pH=a 的目的是________________________________________；用氨水调节pH=b后发生反应的离子方程式为______________________________________________。

⑶以滤渣II为主要原料制取铁红，请简述实验方法________________________。

⑷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：

________________________________________________________。

⑸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___________________________。

Answer

ZrSiO4 + 2Na2CO3Na2ZrO3 + Na2SiO3 +2CO2 ↑ H2SiO3 （或H4SiO4） 完全沉淀Fe3+、Al3+，而ZrO2+不沉淀 ZrO2+ + 2NH3·H2O + H2O＝Zr(OH)4↓+2NH4+ 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 3ZrO2 + 4Al3Zr + 2Al2O3 CH4－8e－+ 4O2－＝CO2 +2H2O

【解析】ZrSiO4也可表示为ZrO2·SiO2，高温与纯碱共熔生成可溶于水的Na2ZrO3，还会生成Na2SiO3和CO2；酸浸时Zr、Fe、Al的化合物均溶解，Si的化合物转化为H2SiO3（或H4SiO4）沉淀，过滤所得滤渣Ⅰ是H2SiO3（或H4SiO4），滤液中含有Na+、Fe+、Al+、ZrO2+等阳离子；加氨水调节pH至5.2~6.2，滤渣Ⅱ为Fe(OH)3、Al(OH)3；将滤液再次调节pH至8.0得到Zr(OH)4沉淀，最后得到纯度较高的ZrO2。

（1）根据上述分析烧结时ZrSiO4发生反应的化学方程式为：ZrSiO4 + 2Na2CO3Na2ZrO3 + Na2SiO3 +2CO2 ↑；滤渣I的化学式为：H2SiO3（或H4SiO4）。

（2）流程中共有2次调节pH，则第一次调节pH是为了除去Fe3+、Al3+，而不能使ZrO2+沉淀；第二次调节pH使ZrO2+变为Zr(OH)4沉淀，离子方程式为：ZrO2+ + 2NH3·H2O + H2O＝Zr(OH)4↓+2NH4+。

（3）滤渣Ⅱ为Fe(OH)3、Al(OH)3，要制取铁红需先除去Al(OH)3，再分解Fe(OH)3，故实验方法为：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）以ZrO2通过铝热法制取锆，利用高温下Al还原ZrO2，化学方程式为：3ZrO2 + 4Al3Zr + 2Al2O3。

（5）新型甲烷燃料电池传导O2-，故正极反应为：O2+4e-=2O2-，又因为总反应为：CH4+2O2＝CO2 +2H2O，所以负极反应为：CH4-8e-+ 4O2-＝CO2+2H2O。

点睛：本题通过无机工艺流程为载体，主要考查物质的分离、提纯、制备等知识，掌握物质分离、提纯的基本方法，利用氧化还原反应理论为指导进行分析，沿着流程顺序弄清每一步做法是解题关键。题中有两次调节pH，应引起重视，第一次是沉淀Fe3+、Al3+，第二次是沉淀ZrO2+；最后小题注意抓住“能传导O2-”这一条件。