Question

19．鋯（Zr）元素是核反應堆燃料棒的包裹材料，二氧化鋯（ZrO₂）可以制造耐高溫納米陶瓷．我國有豐富的鋯英石（ZrSiO₄）含Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質，堿熔法生產鋯的流程如下：

已知25℃時部分陽離子以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH見下表：

沉淀物	Zr（OH）4	Fe（OH）3	Al（OH）3	Fe（OH）2
開始沉淀時pH	1.2	2.7	3.4	6.3
完全沉淀時pH	2.4	3.2	5.2	9.7

（1）完成高溫熔融時的主要反應方程式：
ZrSiO₄+4NaOH═Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2H₂O
（2）為了提高浸出率可采取的方法有原料粉碎增大接觸面積、加熱或攪拌或多次浸取（列舉兩種）
（3）生成濾渣2的成分H₂SiO₃或H₄SiO₄（用化學式表示）
（4）用氨水將濾液2的pH調至2.4≤pH＜3.4，目的是使Zr⁴⁺完全轉化為Zr（OH）₄沉淀，同時保證Al³⁺不會被沉淀下來．
（5）往流程中濾渣1中加入鹽酸溶液，過濾不溶物后，再將濾液在不斷通入HCl氣流中氣流同時蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾，可回收得到鐵的氯化物FeCl₃晶體．

Answer 1

分析 鋯英砂（主要成分為ZrSiO₄，也可表示為ZrO₂•SiO₂，還含少量Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等雜質）加NaOH熔融，二氧化硅反應轉化為硅酸鈉，ZrSiO₄轉化為Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，氧化鋁和氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉，水浸過濾，濾渣1為Fe₂O₃，得到濾液1中加過量鹽酸酸浸，Na₂SiO₃與HCl生成硅酸沉淀，偏鋁酸鈉和過量鹽酸反應得到氯化鋁，濾渣2為H₂SiO₃，濾液中含有ZrO²⁺、Al³⁺，加氨水調節pH為2.4～2.7使ZrO²⁺轉化為Zr（OH）₄沉淀，過濾、洗滌，得到Zr（OH）₄，加熱分解，即可得到ZrO₂；
（1）高溫下，ZrSiO₄與NaOH反應生成Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃；
（2）結合影響化學反應速率的因素分析，增大濃度、升高溫度、增大接觸面積、攪拌、多次浸取等分析；
（3）分析可知濾渣2為硅酸沉淀；
（4）根據表中數據判斷；加氨水至pH=2.4時，ZrO²⁺與NH₃•H₂O反應生成Zr（OH）₄沉淀；
（5）濾渣1為Fe₂O₃，加入鹽酸溶液，制備氯化鐵晶體時應防止鐵離子水解，由溶液得到晶體，可進行蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾等操作．

解答 解：（1）高溫下，ZrSiO₄與NaOH反應生成Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，反應的化學方程式為：ZrSiO₄+4NaOH=Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2H₂O，
故答案為：ZrSiO₄+4NaOH=Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2H₂O；
（2）為了提高浸出率可采取的方法有，將原料粉碎增大接觸面積、加熱、攪拌、多次浸取，
故答案為：原料粉碎增大接觸面積、加熱或攪拌或多次浸��；
（3）二氧化硅反應轉化為硅酸鈉，ZrSiO₄轉化為Na₂SiO₃和Na₂ZrO₃，氧化鋁和氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉，水浸過濾，濾渣1為Fe₂O₃，得到濾液1中加過量鹽酸酸浸，偏鋁酸鈉和過量鹽酸反應得到氯化鋁，Na₂SiO₃與HCl生成硅酸沉淀，濾渣2為H₂SiO₃或 H₄SiO₄，
故答案為：H₂SiO₃ 或  H₄SiO₄；
（4）濾液2中含有ZrO²⁺、Al³⁺，依據圖表數據分析可知，加氨水調節pH為2.4～2.7使ZrO²⁺轉化為Zr（OH）₄沉淀，鋁離子不沉淀，過濾、洗滌，得到Zr（OH）₄，加熱分解，即可得到ZrO₂；
故答案為：2.4≤pH＜3.4；使Zr⁴⁺完全轉化為Zr（OH）₄沉淀，同時保證Al³⁺不會被沉淀下來；
（5）濾渣1為Fe₂O₃，加入鹽酸溶液，過濾不溶物后得到濾液為氯化鐵溶液，再將濾液在不斷通入HCl氣流中蒸發結晶，防止氯化鐵水解生成氫氧化鐵沉淀，同時蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾可回收得到鐵的氯化物FeCl₃晶體．
故答案為：HCl氣流中；冷卻結晶、過濾．

點評 本題考查了物質制備的流程，為高考常見題型．側重于學生的分析能力和實驗能力的考查，題目涉及混合物分離、提純及化學方程式的方法、物質性質的應用，綜合性較強，題目難度中等．