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，SiCl₄的電子式為．
（2）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也通過反應(yīng)產(chǎn)生了SiCl₄．
（3）高溫氣化后的固體殘?jiān)�除碳（C）外，還有Al₂O₃和FeCl₃，加水浸取得氯化鐵溶液，過濾，從濾渣中分離出碳和Al₂O₃兩種固體的方法是加堿浸取過濾得到C，再向?yàn)V液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向?yàn)V液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁）．
（4）寫出上述流程中ZrCl₄與水反應(yīng)的化學(xué)方程式：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl．
（5）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．用該電池電解硫酸銅溶液一段時(shí)間后，需向溶液中加入4.44g Cu₂（OH）₂CO₃使溶液復(fù)原．則這段時(shí)間內(nèi)電路中轉(zhuǎn)移的電子物質(zhì)的量為0.12mol．

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；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）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；
（3）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；
（4）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；
（5）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，4.44g Cu₂（OH）₂CO₃其物質(zhì)的量為0.02mol，加入0.02molCu₂（OH）₂CO₃使溶液復(fù)原，相當(dāng)于硫酸銅溶液在電解過程中產(chǎn)生了0.4moCu和消耗了0.2mol水，據(jù)此計(jì)算電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量．

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，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；；
（2）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，
故答案為：因?yàn)殡s質(zhì)中的SiO₂也通過反應(yīng)產(chǎn)生了SiCl₄；
（3）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：加堿浸取過濾得到C，再向?yàn)V液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向?yàn)V液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁），
故答案為：加堿浸取過濾得到C，再向?yàn)V液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向?yàn)V液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁）；
（4）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；
（5）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，4.44g Cu₂（OH）₂CO₃其物質(zhì)的量為0.02mol，加入0.02molCu₂（OH）₂CO₃使溶液復(fù)原，相當(dāng)于硫酸銅溶液在電解過程中產(chǎn)生了0.04moCu和消耗了0.02mol水，根據(jù)關(guān)系式Cu～2e-可知，產(chǎn)生了0.04moCu要轉(zhuǎn)移0.08mol電子，根據(jù)關(guān)系式H₂O～2e-，可知消耗了0.02mol水，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.04mol，所以反應(yīng)中共轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.12mol，
故答案為：C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O；0.12mol．

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、離子方程式的書寫、基本實(shí)驗(yàn)操作、電解原理的應(yīng)用及計(jì)算等，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾椋�解答該類題目，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．