Question

14．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（ZrSiO₄：91.5%），含Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等雜質，生產鋯的流程如下：
方法一：堿熔法

方法二：氯腐法

（1）完成方法一高溫熔融時的主要反應方程式：
ZrSiO₄+4NaOH=Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃+2H₂O
（2）方法一中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（列舉兩種）（列舉兩種）
（3）方法一中所得濾液1中除了OH^-、ZrO₃^2-外，還有陰離子是SiO₃^2-、AlO₂^-．
（4）寫出方法二中ZrOCl₂•8H₂O在900℃生成ZrO₂的反應方程式ZrOCl₂•8H₂O$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$ZrO₂+2HCl↑+7H₂O↑方法二中由SiCl₄與NaOH溶液反應得到含有水玻璃的混合溶液的反應方程式是：SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O
（5）一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷；電解質是摻雜氧化釔（Y₂O₃）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，在熔融狀態下能傳導O^2-在熔融電解質中，O^2-向負（填正、負）極移動．負極電極反應為：C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O．
（6）氧化鋯陶瓷（ZrO₂）因其優良的性能在工業生產上有重要應用，假設堿溶法工藝流程中鋯的利用率為80%，則5t的鋯英石理論上可制得2.46t氧化鋯陶瓷（Zr：91，Si：28，O：16）．

Answer 1

分析 （1）由質量守恒定律可知，還生成硅酸鈉；
（2）提高浸出率，可酸洗或延長水洗的時間等；
（3）Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃中前二者可以和氫氧化鈉之間發生反應，分別得到：偏鋁酸鈉溶液和硅酸鈉溶液，據此回答；
（4）ZrOCl₂•8H₂O在900℃分解生成ZrO₂，SiCl₄與NaOH溶液反應得到硅酸鈉、氯化鈉的混合液，依據流程產物結合原子守恒判斷產物寫出化學方程式；
（5）丁烷具有還原性，為原電池的負極，被氧化，電極反應式為C₄H₁₀+13O^2--26e^-=4CO₂+5H₂O，通入空氣的一極為原電池的正極，發生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-=2O^2-，總反應式為2C₄H₁₀+13O₂→8CO₂+10H₂O，以此解答該題，注意電解質和離子的定向移動方向；
（6）根據Zr元素守恒以及元素的利用率進行相應計算即可．

解答 解：（1）由質量守恒定律可知，還生成硅酸鈉，則該反應為ZrSiO₄ +4NaOH=Na₂ZrO₃+Na₂SiO₃，+2H₂O，故答案為：Na₂SiO₃，2H₂O；
（2）提高浸出率，實現Na₂ZrO₃、Na₂SiO₃的分離，可酸洗、將原料粉碎增大接觸面積、加熱、攪拌、多次浸取或延長水洗的時間等，故答案為：將原料粉碎增大接觸面積、加熱、攪拌、多次浸取（列舉兩種）；
（3）Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃中前二者可以和氫氧化鈉之間發生反應，分別得到：偏鋁酸鈉溶液和硅酸鈉溶液，所得到的濾液中，除了OH^-、ZrO₃^2-外，還有陰離子是SiO₃^2-、AlO₂^-，故答案為：SiO₃^2-、AlO₂^-；
（4）ZrOCl₂•8H₂O在900℃生成ZrO₂的反應方程式由流程可知分解生成ZrO₂，H₂O，由原子守恒可知產物中還有HCl，反應的化學方程式為ZrOCl₂•8H₂O$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$ZrO₂+2HCl↑+7H₂O↑，SiCl₄與NaOH溶液反應得到硅酸鈉、氯化鈉的混合液，即：SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O；故答案為：ZrOCl₂•8H₂O$\frac{\underline{\;900℃\;}}{\;}$ZrO₂+2HCl↑+7H₂O↑；SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O；
（5）原電池中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動，通入丁烷一極是負極，由于電解質為非水物質，則電解質中不存在OH^-離子，正確的電極反應式為C₄H₁₀+13O^2--26e^-=4CO₂+5H₂O；通入空氣的一極為原電池的正極，發生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-=2O^2-，故答案為：負；C₄H₁₀-26e^-+13O^2-=4CO₂+5H₂O；
（6）根據Zr元素守恒，得到鋯英石ZrSiO₄（91.5%）～ZrO₂，所以得到ZrO₂的物質的量是$\frac{5×1{0}^{6}×91.5%×80%}{183}$mol=2×10⁴mol，質量是2×10⁴mol×123g/mol=2.46××10⁶g=2.46t，故答案為：2.46．

點評 本題考查了物質制備的流程，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、原電池反應原理的應用及電極反應書寫，綜合性較強，注意原電池電解質不是電解質溶液，題目難度較大．