Question

13．鋯（₄₀Zr）是現(xiàn)代工業(yè)的重要金屬原料，具有良好的可塑性，抗蝕性能超過(guò)鈦．以鋯英石（主要成分是ZrSiO₄，還含有少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質(zhì)）為原料生產(chǎn)鋯及其化合物的流程如圖所示：

（1）ZrSiO₄中鋯元素的價(jià)態(tài)是+4；上述流程中，高溫氣化存在多個(gè)反應(yīng)，若不考慮反應(yīng)中的損失，則分餾后得到的SiCl₄質(zhì)量通常比由純ZrSiO₄發(fā)生的反應(yīng)得到的SiCl₄質(zhì)量大，原因是因?yàn)殡s質(zhì)中的SiO₂也通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生了SiCl₄．SiCl₄的電子式為．
（2）高溫氣化后的固體殘?jiān)�除C外，還有Al₂O₃和FeCl₃，加水浸取得氯化鐵溶液，過(guò)濾，從濾渣中分離出C和A1₂O₃兩種固體的方法是加堿浸取過(guò)濾得到C，再向?yàn)V液中通入足量CO₂，過(guò)濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過(guò)濾得到C，再向?yàn)V液中加氨水，過(guò)濾后將固體加熱得到氧化鋁．）．
（3）寫(xiě)出上述流程中ZrCl₄與水反應(yīng)的化學(xué)方程式：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl．
（4）鋯還是核反應(yīng)堆燃料棒的包裹材料，鋯合金在高溫下與水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，二氧化鋯可以制造耐高溫納米陶瓷．下列關(guān)于鋯、二氧化鋯的敘述中，正確的是bd（填序號(hào)）．
a．鋯合金比純鋯的熔點(diǎn)高，硬度小
b．二氧化鋯陶瓷屬于新型無(wú)機(jī)非金屬材料
c．將一束光線通過(guò)納米級(jí)二氧化鋯會(huì)產(chǎn)生一條光亮的通路
d．可采用氦作反應(yīng)堆包裹核燃料的鋯合金的冷卻劑
（5）工業(yè)上電解K₂ZrF₆與KCl等組成的熔體也可制取金屬鋯．電解的總反應(yīng)方程式為K₂ZrF₆+4KCl$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Zr+6KF+2Cl₂↑．
（6）某燃料電池是以C₂H₄作為燃料氣，另一極通入氧氣，電解質(zhì)是摻雜氧化釔（Y₂O₃）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O^2-，則負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)式為C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O．

Answer 1

分析 鋯英石（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質(zhì)），通入足量的氯氣以及和足量的石焦油反應(yīng)，ZrSiO₄轉(zhuǎn)化為ZrCl₄，加水水解，使ZrCl₄轉(zhuǎn)化為ZrOCl₂•8H₂O，900℃加熱分解，即可得到ZrO₂，加入鎂置換得到海綿鋯，加入鎂置換得到海綿鋯．
（1）根據(jù)在化合物中正負(fù)化合價(jià)代數(shù)和為零，結(jié)合ZrSiO₄的化學(xué)式進(jìn)行解答；因鋯英石含有雜質(zhì)SiO₂，SiO₂也能在高溫氣化條件下反應(yīng)生成SiCl₄，SiCl₄分子中硅原子最外層有4個(gè)電子，能形成4個(gè)共價(jià)鍵達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，每個(gè)氯原子能形成一個(gè)共價(jià)鍵達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；
（2）根據(jù)碳和氧化鋁的化學(xué)性質(zhì)的差異進(jìn)行分離，氧化鋁為兩性氧化物；
（3）根據(jù)圖示ZrCl₄與水反應(yīng)產(chǎn)物為ZrOCl₂•8H₂O，結(jié)合原子守恒進(jìn)行解答；
（4）合金是指由一種金屬與其它金屬或非金屬熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)，合金的硬度大，熔點(diǎn)低，陶瓷屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，二氧化鋯為化合物無(wú)丁達(dá)爾效應(yīng)，氦為稀有氣體，能作保護(hù)氣；
（5）電解K₂ZrF₆與KCl等組成的熔體，反應(yīng)物為K₂ZrF₆、KCl，生成物為金屬鋯，鋯的化合價(jià)降低，則氯的化合價(jià)升高生成氯氣，根據(jù)原子守恒即得失電子守恒解答；
（6）燃料所在極為負(fù)極，負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，為乙烯失電子和氧離子反應(yīng)生成二氧化碳和水．

解答 解：鋯英石（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質(zhì)），通入足量的氯氣以及和足量的石焦油反應(yīng)，ZrSiO₄轉(zhuǎn)化為ZrCl₄，加水水解，使ZrCl₄轉(zhuǎn)化為ZrOCl₂•8H₂O，900℃加熱分解，即可得到ZrO₂，加入鎂置換得到海綿鋯，加入鎂置換得到海綿鋯．
（1）根據(jù)在化合物中正負(fù)化合價(jià)代數(shù)和為零，氧元素顯-2價(jià)，硅元素顯+4價(jià)，設(shè)鋯元素（Zr）的化合價(jià)是x，可知ZrSiO₄中鋯元素（Zr）的化合價(jià)：x+（+4）+（-2）×4=0，則x=+4，鋯英石（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質(zhì)），雜質(zhì)SiO₂也能在高溫氣化條件下反應(yīng)生成SiCl₄，則分餾后得到的SiCl₄質(zhì)量通常比由純ZrSiO₄發(fā)生的反應(yīng)得到的SiCl₄質(zhì)量大，SiCl₄分子中硅原子最外層有4個(gè)電子，能形成4個(gè)共價(jià)鍵達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，每個(gè)氯原子能形成一個(gè)共價(jià)鍵達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，電子式為：，
故答案為：+4；因?yàn)殡s質(zhì)中的SiO₂也通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生了SiCl₄；；
（2）氧化鋁為兩性氧化物，易溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿，碳不溶于非氧化性酸，不溶于堿，從濾渣中分離出C和A1₂O₃兩種固體：加堿浸取過(guò)濾得到C，再向?yàn)V液中通入足量CO₂，過(guò)濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過(guò)濾得到C，再向?yàn)V液中加氨水，過(guò)濾后將固體加熱得到氧化鋁），
故答案為：加堿浸取過(guò)濾得到C，再向?yàn)V液中通入足量CO₂，過(guò)濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過(guò)濾得到C，再向?yàn)V液中加氨水，過(guò)濾后將固體加熱得到氧化鋁）；
（3）ZrCl₄與水反應(yīng)產(chǎn)物為ZrOCl₂•8H₂O，根據(jù)原子守恒，反應(yīng)方程式為：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl，
故答案為：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl；
（4）a．合金是指由一種金屬與其它金屬或非金屬熔合而成的具有金屬特性的混合物．一般說(shuō)來(lái)合金的硬度一般比各成分金屬大，多數(shù)合金的熔點(diǎn) 低于組成它的成分金屬的熔點(diǎn)，所以鋯合金比純鋯的熔點(diǎn)低，硬度大，故a錯(cuò)誤；
b．陶瓷屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，二氧化鋯陶瓷屬于新型無(wú)機(jī)非金屬材料，故b正確；
c．將一束光線通過(guò)膠體會(huì)產(chǎn)生一條光亮的通路，但二氧化鋯為化合物無(wú)丁達(dá)爾效應(yīng)，故c錯(cuò)誤；
d．氦為稀有氣體，可采用氦作反應(yīng)堆包裹核燃料的鋯合金的冷卻劑，故d正確；
故答案為：bd；
（5）電解K₂ZrF₆與KCl等組成的熔體，反應(yīng)物為K₂ZrF₆、KCl，生成物為金屬鋯，鋯的化合價(jià)降低（+4→0），則氯的化合價(jià)升高生成氯氣（-1→0），轉(zhuǎn)移4e^-，根據(jù)原子守恒即得失電子守恒所以方程式為：K₂ZrF₆+4KCl$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Zr+6KF+2Cl₂↑，
故答案為：K₂ZrF₆+4KCl$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Zr+6KF+2Cl₂↑；
（6）該燃料電池中通入乙烯的一極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，乙烯失電子和氧離子反應(yīng)生成二氧化碳和水，電極反應(yīng)式為：C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O，
故答案為：C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了海綿鋯的制備以及物質(zhì)分離提純的方法和流程分析應(yīng)用，涉及流程的分析應(yīng)用、離子方程式的書(shū)寫(xiě)、基本實(shí)驗(yàn)操作、電解原理等，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，解答該�?lèi)題目，注意把握實(shí)驗(yàn)原理和操作流程的目的，主要是物質(zhì)性質(zhì)的理解，題目難度中等．