Question

【題目】ZrO2是重要的耐溫材料，可用作陶瓷遮光劑。天然鋯英石(ZrSiO4)含有鐵、鋁、銅等金屬元素的氧化物雜質，工業以鋯英石為原料制備ZrO2的工藝流程如下：

已知：Fe(SCN)3難溶于MIBK； Zr(SCN)4在水中溶解度不大，易溶于MIBK。

(1)鋯英石中鋯元素的化合價為____________。

(2)氯化主反應：ZrSiO4(s)+2C(s)+4Cl2(g) ZrCl4(g)+SiCl4(g)+2CO2(g) △H<0，ZrC14的產率隨溫度變化如圖所示，由圖可知氯化的最佳條件是_________。氯化過程ZrC14的產率隨溫度升高先增大后減小的原因是 __________。

(3)寫出A12O3高溫氯化過程中轉化為AlC13的化學方程式___________________；

(4)Na2S、H2S、NaCN等均為常用的銅沉淀劑，本流程使用NaCN除銅，不采用Na2S、H2S的原因是__________（用離子方程式解釋）。若鹽酸溶解后溶液中c(Cu2+)=0.01mol/L，當溶液中Cu2+開始沉淀時，c(CN-)= ___________。(已知Ksp[Cu(CN)2]=4.00×10-10)

(5)實驗室進行萃取和反萃取的儀器是_______。流程中萃取與反萃取的目的是_________。

Answer 1

【答案】+4 360℃、1MPa 360℃以前反應未達到平衡，升溫過程中反應繼續向正向進行，產率不斷增大；360℃以后反應達到平衡，由于該反應為放熱反應，升溫過程中平衡逆向移動，ZrCl4產率又減小 2Al2O3+3C+6Cl24AlCl3+3CO2 2Fe3++H2S=2Fe2++S+2H+(2Fe3++S2-=2Fe2++S或2Fe3++3S2-=2FeS↓+S) 2×10-4mol/L 分液漏斗、燒杯 除去鐵元素雜質

【解析】

(1)根據化合物中元素正負化合價代數和等于0，結合Si、O元素化合價分析；

(2)制取ZrC14產率最大時為最合適的反應條件；根據溫度對化學反應速率和化學平衡移動的影響分析判斷；

(3) A12O3、焦炭在高溫下與氯氣反應產生AlCl3、CO2，根據電子守恒、原子守恒可得反應方程式；

(4)鋯英石(ZrSiO4)含有鐵元素的氧化物，在處理過程中有Fe3+，根據Fe3+與H2S或S2-發生的氧化還原反應分析判斷；根據Ksp[Cu(CN)2]=c(Cu2+)·c2(CN-)=4.00×10-10計算判斷；

(5)根據萃取是分離互不相溶的液體混合物的方法判斷儀器的使用；根據Fe(SCN)3難溶于MIBK；Zr(SCN)4在水中溶解度不大，易溶于MIBK分析萃取的目的。

(1)由于在化合物中元素正負化合價代數和等于0，O為-2價，Si為+4價，可得鋯英石(ZrSiO4)中Zr元素的化合價為+4價；

(2)根據圖像可知在ZrC14的產率在溫度為360℃、1MPa時最高，說明氯化的最佳條件是360℃、1MPa；

根據圖象可知：在360℃以前，隨著溫度的升高，ZrC14的產率逐漸增大，是由于溫度升高，反應物分子的能量增加，有效碰撞次數增加，反應速率加快，更多的反應物發生反應變為生成物，所以ZrC14的產率逐漸增大，到360℃達到最大值，此時反應達到平衡狀態，由于該反應的正反應為放熱反應，升高溫度，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，使ZrC14的產率逐漸降低，因此溫度升高，ZrC14的產率又逐漸降低；

(3) A12O3、焦炭在高溫下與氯氣反應產生AlCl3、CO2，根據電子守恒、原子守恒可得該反應方程式為：2Al2O3+3C+6Cl24AlCl3+3CO2；

(4)在鋯英石(ZrSiO4)含有鐵元素的氧化物，在粉碎、氯化處理過程中有Fe3+生成，Fe3+具有氧化性，而H2S或S2-具有還原性，會發生氧化還原反應：2Fe3++H2S=2Fe2++S+2H+或2Fe3++S2-=2Fe2++S或2Fe3++3S2-=2FeS↓+S，影響Cu2+的沉淀，若用NaCN，就不會發生上述反應；由于Ksp[Cu(CN)2]=c(Cu2+)·c2(CN-)=4.00×10-10，c(Cu2+)=0.01mol/L，當溶液中Cu2+開始沉淀時，c(CN-)==2.00×10-4mol/L；

(5)由于萃取是分離互不相溶的液體混合物的方法，所以萃取和反萃取使用的儀器有分液漏斗和燒杯；在處理過程中Cu2+與沉淀試劑形成Cu(CN)2沉淀過濾除去，Fe3+與加入的NH4SCN形成絡合物Fe(SCN)3，Zr4+形成Zr(SCN)4，由于Fe(SCN)3難溶于MIBK，而Zr(SCN)4在水中溶解度不大，易溶于MIBK，向Fe(SCN)3、Zr(SCN)4的混合溶液中加入MIBK充分振蕩后，分液，可將Fe(SCN)3分離除去，然后向MIBK的溶液中加入硫酸進行反萃取，Zr(SCN)4進入硫酸溶液中，然后經過一系列處理，就可得到ZrO2。所以進行萃取和反萃取目的是除去鐵元素雜質。