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）為原料生產(chǎn)鋯及其化合物的流程如圖所示：

（1）ZrSiO₄中鋯元素的價態(tài)是+4；上述流程中，高溫氣化存在多個反應，若不考慮反應中的損失，則分餾后得到的SiCl₄質量通常比由純ZrSiO₄發(fā)生的反應得到的SiCl₄質量大，原因是因為雜質中的SiO₂也通過反應產(chǎn)生了SiCl₄．SiCl₄的電子式為．
（2）高溫氣化后的固體殘渣除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C和A1₂O₃兩種固體的方法是加堿浸取過濾得到C，再向濾液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向濾液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．）．
（3）寫出上述流程中ZrCl₄與水反應的化學方程式：ZrCl₄+9H₂O═ZrOCl₂•8H₂O+2HCl．
（4）鋯還是核反應堆燃料棒的包裹材料，鋯合金在高溫下與水蒸氣反應產(chǎn)生氫氣，二氧化鋯可以制造耐高溫納米陶瓷．下列關于鋯、二氧化鋯的敘述中，正確的是bd（填序號）．
a．鋯合金比純鋯的熔點高，硬度小
b．二氧化鋯陶瓷屬于新型無機非金屬材料
c．將一束光線通過納米級二氧化鋯會產(chǎn)生一條光亮的通路
d．可采用氦作反應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，電解質是摻雜氧化釔（Y₂O₃）的氧化鋯（ZrO₂）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導O^2-，則負極上發(fā)生的反應式為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），通入足量的氯氣以及和足量的石焦油反應，ZrSiO₄轉化為ZrCl₄，加水水解，使ZrCl₄轉化為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)在化合物中正負化合價代數(shù)和為零，結合ZrSiO₄的化學式進行解答；因鋯英石含有雜質SiO₂，SiO₂也能在高溫氣化條件下反應生成SiCl₄，SiCl₄分子中硅原子最外層有4個電子，能形成4個共價鍵達到穩(wěn)定結構，每個氯原子能形成一個共價鍵達到穩(wěn)定結構；
（2）根據(jù)碳和氧化鋁的化學性質的差異進行分離，氧化鋁為兩性氧化物；
（3）根據(jù)圖示ZrCl₄與水反應產(chǎn)物為ZrOCl₂•8H₂O，結合原子守恒進行解答；
（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，合金的硬度大，熔點低，陶瓷屬于無機非金屬材料，二氧化鋯為化合物無丁達爾效應，氦為稀有氣體，能作保護氣；
（5）電解K₂ZrF₆與KCl等組成的熔體，反應物為K₂ZrF₆、KCl，生成物為金屬鋯，鋯的化合價降低，則氯的化合價升高生成氯氣，根據(jù)原子守恒即得失電子守恒解答；
（6）燃料所在極為負極，負極失去電子發(fā)生氧化反應，為乙烯失電子和氧離子反應生成二氧化碳和水．

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），通入足量的氯氣以及和足量的石焦油反應，ZrSiO₄轉化為ZrCl₄，加水水解，使ZrCl₄轉化為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)在化合物中正負化合價代數(shù)和為零，氧元素顯-2價，硅元素顯+4價，設鋯元素（Zr）的化合價是x，可知ZrSiO₄中鋯元素（Zr）的化合價：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），雜質SiO₂也能在高溫氣化條件下反應生成SiCl₄，則分餾后得到的SiCl₄質量通常比由純ZrSiO₄發(fā)生的反應得到的SiCl₄質量大，SiCl₄分子中硅原子最外層有4個電子，能形成4個共價鍵達到穩(wěn)定結構，每個氯原子能形成一個共價鍵達到穩(wěn)定結構，電子式為：，
故答案為：+4；因為雜質中的SiO₂也通過反應產(chǎn)生了SiCl₄；；
（2）氧化鋁為兩性氧化物，易溶于強酸強堿，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，再向濾液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向濾液中加氨水，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，再向濾液中通入足量CO₂，過濾后將固體加熱得到氧化鋁．（或加酸浸取過濾得到C，再向濾液中加氨水，過濾后將固體加熱得到氧化鋁）；
（3）ZrCl₄與水反應產(chǎn)物為ZrOCl₂•8H₂O，根據(jù)原子守恒，反應方程式為：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．一般說來合金的硬度一般比各成分金屬大，多數(shù)合金的熔點 低于組成它的成分金屬的熔點，所以鋯合金比純鋯的熔點低，硬度大，故a錯誤；
b．陶瓷屬于無機非金屬材料，二氧化鋯陶瓷屬于新型無機非金屬材料，故b正確；
c．將一束光線通過膠體會產(chǎn)生一條光亮的通路，但二氧化鋯為化合物無丁達爾效應，故c錯誤；
d．氦為稀有氣體，可采用氦作反應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，反應物為K₂ZrF₆、KCl，生成物為金屬鋯，鋯的化合價降低（+4→0），則氯的化合價升高生成氯氣（-1→0），轉移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極，發(fā)生氧化反應，乙烯失電子和氧離子反應生成二氧化碳和水，電極反應式為：C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O，
故答案為：C₂H₄+6O^2--12e^-═2CO₂+2H₂O．

點評 本題考查了海綿鋯的制備以及物質分離提純的方法和流程分析應用，涉及流程的分析應用、離子方程式的書寫、基本實驗操作、電解原理等，側重于學生的分析能力和實驗能力的考查，解答該類題目，注意把握實驗原理和操作流程的目的，主要是物質性質的理解，題目難度中等．